具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

目前，高速列车制动用闸片主要是铜基粉末冶金闸片，这是由于铜基闸片具有优异的摩擦性能、优异的制动效果、以及良好的导热性能。但是，随着列车高速化，制动负荷越来越大，制动时产生的热能及热冲击也大大增加。摩擦表面铜在高挤压压力和高的温度下发生软化流动，造成摩擦系数在制动过程中产生较大的波动和明显的热衰退。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种闸片用摩擦材料，解决了目前铜基粉末冶金闸片耐热性能不足，在高温下易导致摩擦系数不稳定以及产生热衰退的问题。

本发明实施例提供一种闸片用摩擦材料，包括如下原料组分：以重量份数计，包括如下原料组分：基体组分52～66份，摩擦组分4～7份，增强组分15～28份和润滑组分19～32份；其中，基体组分包括铜包铁粉，摩擦组分包括碳化钨，增强组分包括过渡金属合金粉；润滑组分包括石墨烯和碳化硅晶须中的任意一种或几种。采用上述技术方案，由于使用铜包铁粉，铜包铁粉与增强组分包括的过渡金属合金粉在高温烧结过程中可以产生合金化，从而提高金属粉之间的合金化程度。再向其中添加包括石墨烯和碳化硅晶须的润滑组分。由于石墨烯和碳化硅晶须的熔点高，可以在高温下用于润滑保护摩擦面，使得摩擦材料的耐热性大大提高。此外由于石墨烯和碳化硅晶须的化学性能比一般的增强材料更稳定，用于摩擦材料时，还可以同时起到增强作用。摩擦材料的各组分协同使用，有效提高了摩擦材料的耐热性、基体强度，降低了热衰性，降低了自身的磨损率。

同时，所述基体组分还包括过渡金属粉体；和/或，所述过渡金属粉体包括粒径1.0-3.0微米的超细铜粉、粒径为5～7微米的超细铁粉中的一种或几种。其中，以所述基体组分重量份数计，所述超细铜粉为40-48重量份，所述超细铁粉为8-12重量份，余量为所述铜包铁粉。例如，该超细铜粉可以为40份、41份、42份、43份、44份、45份、46份、47份、48份等，超细铁粉可以为8份、9份、10份、11份、12份等，铜包铁粉可以为4份、5份、6份等，在此不进行具体限定。通过向本发明实施例提供超细铜粉、超细铁粉，配合铜包铁粉使用。由于铜包铁粉是在铁粉外层均匀包覆一层铜粉，其与特定粒径范围的超细铜粉和/或超细铁粉混合使用时，不会产生偏析现象，进一步增加了摩擦材料的基体强度。

上述摩擦组分还包括氧化铝。其中，以所述摩擦组分的重量份数计，氧化铝为1～2重量份，余量为碳化钨。例如，该氧化铝可以为1重量份、1.5重量份、2重量份等，此时碳化钨可以为3重量份、4重量份、5重量份等，在此不做限定。此处，需要说明的是，通过大量实验确定当碳化钨和氧化铝的质量比满足4:1.5时，制备得到的摩擦材料的摩擦性能最优异。

上述增强组分中，过渡金属合金粉包括预合金铜锡粉、高碳铬铁、高碳锰铁中的任意一种或几种。其中，所述预合金铜锡粉中，铜含量为:89-91wt％锡含量为9-11wt％，粒径42～50微米。具体地，铜含量可以为:89wt％、90.2wt％、91wt％等，锡含量可以为9wt％、9.8wt％、11wt％等，在此不进行具体限定。此处，需要说明的是，通过大量实验确定当铜含量为:90.2wt％，锡含量为9.8wt％时，制备得到的摩擦材料的摩擦性能最优异。

和/或，所述高碳铬铁中铬含量为68～73wt％，碳含量为9-11wt％，余量为铁，所述高碳铬铁的粒径75～81微米。具体地，所述高碳铬铁中铬含量为68wt％、70.2wt％、73wt％等，碳含量为9wt％、10.3wt％、11wt％等，余量为铁，在此不进行具体限定。此处，需要说明的是，当高碳铬铁中铬含量为70.2wt％，碳含量为10.3wt％，余量为铁时，制备得到的摩擦材料的摩擦性能最优异。

和/或，所述高碳锰铁粉中，锰含量为68～75wt％，碳含量为9-11wt％，余量为铁，所述高碳锰铁粉的粒径为75～81微米；具体地，所述高碳锰铁粉中，锰含量为68wt％、72.1wt％、75wt％等，碳含量为9wt％、9.8wt％、11wt％等，余量为铁，在此不进行具体限定。此处，需要说明的是，当高碳锰铁粉中，锰含量为72.1wt％，碳含量为9.8wt％，余量为铁时，制备得到的摩擦材料的摩擦性能最优异。

采用上述特定组成的高碳铬铁和高碳锰铁作为增强组分，由于高碳铬铁和高碳锰铁是含碳较高的合金剂，其与预合金铜锡粉共同作用，可以提高摩擦材料的淬透性、极限强度、屈服强度和强度，增加了材料的耐磨性和硬度；提高摩擦系数，降低磨耗量。

上述增强组分还可以包括铬粉。其中，以所述增强组分的重量份数计，所述铬粉为1-3重量份，其余为过渡金属合金粉。应理解，过渡金属合金粉中预合金铜锡粉、高碳铬粉和高碳锰铁粉可以为任意配比混合得到的，例如，预合金铜锡粉可以为5-10重量份，高碳铬铁为7-10重量份，高碳锰铁粉为2-5重量份。示例的，铬粉可以为1份、2份、3份等，预合金铜锡粉可以为5份、6份、7份、8份、9份、10份等，高碳铬铁可以为7份、8份、9份、10份等，高碳锰铁粉为2份、3份、4份、5份等，在此不做限定。此处需要说明的是，通过大量实验确定当铬粉为2份，预合金铜锡粉为8份，高碳铬铁为8份，高碳锰铁粉为3份时，制备得到的摩擦材料的强度性能最优异。

上述润滑组分还包括二硫化钼和石墨中任意一种或几种。其中，以所述润滑组分的重量份数计，所述二硫化钼为1-4重量份；所述石墨为16-24重量份；所述石墨烯为1-2重量份，所述碳化硅晶须为1-2重量份。例如，所述二硫化钼可以为1份、2份、3份、4份等；所述石墨可以为16份、18份、20份、22份、24份等；所述石墨烯可以为1份、2份等，所述碳化硅晶须为1份、2份等，在此不进行具体限定。此处需要说明的是，通过大量实验确定当二硫化钼为3份；所述石墨为18份；所述石墨烯为2重量份，所述碳化硅晶须为2份时，制备得到的摩擦材料的耐热性能和强度最优异。

本发明实施例提供一种闸片用摩擦材料的制备方法，用于上述闸片用摩擦材料。通过本发明实施例提供的一种闸片用摩擦材料的制备方法可以直接制备得到闸片用摩擦材料，简化了生产工艺，提高了生产效率。具体的，该闸片用摩擦材料的制备方法包括：

步骤S10:按照上述重量份称取各原料组分并进行充分混合，即得混合料。

步骤S11:将所述混合料加造粒剂进行造粒，获得粒径为1-3mm的颗粒。造粒剂可以选择为氢化苯乙烯-异戊二烯_丁二烯共聚物。应理解，步骤S10的混合步骤和步骤S11的造粒步骤，可以通过现有技术中的混合造粒机实现。也可以通过现有技术中的混料机和造粒剂分别实现。获得的混合料粒径可以为1mm、1.5m、2mm、2.6mm、3mm等，在此不进行具体限定。

步骤S12:将所述颗粒进行模具压型，获得压胚；进行所述模具压型的压模机为粉末成型液压机。模具压型的压力为15-20Mpa，进行模具压型的时间为10-20s。应理解，进行所述模具压型的压力可以为15Mpa、16.2Mpa、17.5Mpa、18Mpa、18.6Mpa、19Mpa、19.5Mpa、20Mpa等，进行模具压型的时间为10s、14s、16s、18s、20s等，在此不进行具体限定。

步骤S13:将所述压胚在氢气和氮气混合气体保护下进行加压烧结，之后进行冷却，即得所述闸片用摩擦材料。保护气氛选择为氢气和氮气混合气体，其中混合气体中，氢气与氮气的体积比可以为1：(5-7)。由于高温烧结过程中，为了防止金属粉体不可避免地受到氧气的氧化作用，混合气体中使用少量氢气，可以对发生氧化的粉体进行还原反应，避免粉体受氧化后，影响摩擦材料的性能。进行所述加压烧结的温度为1000-1100℃，时间为1-2h，压力为4-6Mpa；进行所述冷却的时间为4-6h。具体地，加压烧结的温度可以选择1000℃、1020℃、1050℃、1100℃等，时间为1h、1.2h、1.5h、2h等，压力为4Mpa，4.3Mpa、5Mpa、5.6Mpa、6Mpa等，在此不进行具体限定。

与现有技术相比，采用上述制备方法制备闸片用摩擦材料时，通过进行适当方式混料、造粒，材料各组分均匀分布。再在指定的压力和时间内进行压制，压制过程中各组分相互配合，不易偏析。再通过致密性压胚和加压烧结，使得摩擦材料有足够的机械强度。该摩擦材料用于闸片时，在制动过程中始终可以提供稳定的制动力。满足国铁集团颁布的《动车组闸片暂行技术条件》(TJ/CL307-2019)中强度要求，即摩擦体剪切强度(6MPa)、粘接面剪切强度(7MPa)的3倍以上。

本发明实施例还提供一种动车用闸片，包括上述摩擦材料。上述摩擦材料用于闸片时，由于摩擦材料的各组分之间相互配合，有效提高了摩擦材料的耐热性、基体强度，降低了热衰性，降低了自身的磨损率，各种工况下如高温、高压、高寒、高风沙、潮湿条件下摩擦系数有足够大的稳定性，耐热性能保证较长时间加热到800-900℃和长时间加热到650-750℃，对制动盘不会产生热斑、裂纹等热损伤和异常磨损，不会使摩擦副的工作表面发生黏结，不会导致在工作表面在摩擦过程中形成剥落、擦伤、焊接及其他毁坏性的破坏。因此，本发明提供的动车用闸片，尤其适用于超高速列出，其在提供足够稳定摩擦系数前提下，提高自身的机械强度，对制动盘没有损伤，可以耐受更高速度动车组制动高负荷带来的高温、热冲击等，提高闸片和制动盘的寿命。

下面结合实施例具体对本发明提供的闸片用摩擦材料及其制备方法、动车用闸片进行进一步的说明，以下实施例仅仅是对本发明的解释，而不是限定。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施方式中所采用的原料如无特殊说明均为市售原料，各原料物理性能选择可以参考如下：

超细铜粉纯度≥99.5wt％，粒径为1.0-3.0微米；

预合金铜锡粉，铜含量为:89-91wt％锡含量为9-11wt％，粒径为42～50微米；

超细铁粉含量为Fe≥99wt％，粒径为5微米～7微米；

铜包铁粉粒径为42～50微米；

高碳铬铁，铬含量为68～73wt％，碳含量为9-11wt％，余量为铁，粒径为75～81微米；

铬粉含量为Cr≥99wt％，粒径42～50微米；

高碳锰铁粉，锰含量为68～75wt％，碳含量为9-11wt％，余量为铁，粒径75～81微米；

碳化钨含量粒径75～81微米；

二硫化钼含量≥98wt％，42～50微米；

石墨含量≥99wt％，42～50微米；

氧化铝含量≥99wt％，65～70微米；

碳化硅晶须含量≥99wt％，65～70微米。

需要说明的是，上述原料的选择仅用于举例说明，并非对原料性能的限制，根据实际需要可以选择满足性能要求的原料即可。

实施例一

本实施例选取的闸片用摩擦材料的成分包括：铜包铁粉为520g；碳化钨为40g；预合金铜锡粉为47g；高碳铬铁为62g；高碳锰铁粉为41g；石墨烯为101g；碳化硅晶须为89g。本实施例选取的保护气体为氢气与氮气的体积比为1:5。

实施例二

本实施例选取的闸片用摩擦材料的成分包括：铜包铁粉为615g；碳化钨为50g；预合金铜锡粉为79g；高碳铬铁为83g；高碳锰铁粉为60g；石墨烯为145g；碳化硅晶须为111g。本实施例选取的保护气体为氢气与氮气的体积比为1:6。

实施例三

本实施例选取的闸片用摩擦材料的成分包括：铜包铁粉为660g；碳化钨为70g；预合金铜锡粉为93g；高碳铬铁为108g；高碳锰铁粉为79g；石墨烯为163g；碳化硅晶须为157g。本实施例选取的保护气体为氢气与氮气的体积比为1:7。

实施例四

本实施例选取的闸片用摩擦材料的成分包括：铜包铁粉为127g；粒径1.0-3.0微米的超细铜粉411g；碳化钨为70g；预合金铜锡粉为93g；高碳铬铁为108g；高碳锰铁粉为79g；石墨烯为163g；碳化硅晶须为157g。本实施例选取的保护气体为氢气与氮气的体积比为1:7。

采用上述实施例1～实施例4的摩擦材料，采用以下工艺制成制动闸片，包括如下步骤：

分别称取上述各原料组分并混合均匀以形成混合料；将混合料加造粒剂在造粒机中制成1-3mm的颗粒；将该颗粒置于模具中，用15MPa的压力压制10s，得到摩擦粒子压胚，再将所得压胚置于1020℃烧结炉中烧结2h，烧结压力6Mpa，保护气体为氨分解气体；烧结完冷却4h至室温制成摩擦粒子；将摩擦粒子安装在浮动结构上制成闸片。

实施例五

本实施例选取的闸片用摩擦材料的成分包括：铜包铁粉为421g；粒径为2000目的超细铁粉93g；氧化铝为18；碳化钨为43g；预合金铜锡粉为198g，其中，预合金铜锡粉中，铜含量为:90.1wt％锡含量为9.9wt％，粒径325目；石墨为224g；石墨烯为13g；碳化硅晶须为11g。本实施例选取的保护气体为氢气与氮气的体积比为1:7。

实施例六

本实施例选取的闸片用摩擦材料的成分包括：粒径3.0微米的超细铜粉为440g；粒径为2000目的超细铁粉为80g；铜包铁粉为50g；预合金铜锡粉为80g，其中，预合金铜锡粉中，铜含量为:89wt％锡含量为11wt％，粒径325目；高碳铬铁为80g，其中所述高碳铬铁中铬含量为70wt％，碳含量为9wt％，余量为铁，所述高碳铬铁的粒径200目；高碳锰铁粉为40g，其中，高碳锰铁粉中，锰含量为70wt％，碳含量为9wt％，余量为铁，所述高碳锰铁粉的粒径为200目；铬粉为20g；碳化钨为40g；二硫化钼为20g；石墨为200g；石墨烯为10g；氧化铝为15g；碳化硅晶须为10g。本实施例选取的保护气体为氢气与氮气的体积比为1:5。

实施例七

包括材料组分：粒径为1.0～1.1微米的超细铜粉为420g；粒径为2000目的超细铁粉为120g；铜包铁粉为60g；预合金铜锡粉为80g，其中，所述预合金铜锡粉中，铜含量为89.6wt％锡含量为10.4wt％，粒径325目；高碳铬铁为80g，其中所述高碳铬铁中铬含量为70wt％，碳含量为10.3wt％，余量为铁，所述高碳铬铁的粒径200目；铬粉为20g；高碳锰铁粉为30g，其中，高碳锰铁粉中锰含量为70wt％，碳含量为10.2wt％，余量为铁，所述高碳锰铁粉的粒径为200目；碳化钨为50g；氧化铝为15g；二硫化钼为30g；石墨为180g；石墨烯为20g；碳化硅晶须为20g。

实施例八

包括材料组分：粒径1.5-2.0微米的超细铜粉为460g；粒径为2000目的超细铁粉为100g；铜包铁粉为50g；预合金铜锡粉为60g，其中，铜含量为:91wt％锡含量为9wt％，粒径42～50微米(325目)；高碳铬铁为100g，其中所述高碳铬铁中铬含量为70wt％，碳含量为10.3wt％，余量为铁，所述高碳铬铁的粒径200目；铬粉为20g；高碳锰铁粉为40g，其中，高碳锰铁粉中锰含量为70wt％，碳含量为10.2wt％，余量为铁，所述高碳锰铁粉的粒径为200目；碳化钨为40g；氧化铝为15g；二硫化钼为20g；石墨为200g；石墨烯为15g；碳化硅晶须为15g。

采用上述实施例5～实施例8摩擦材料采用以下工艺制成制动闸片，包括如下步骤：

分别称取上述各原料组分并混合均匀以形成混合料；将混合料加造粒剂在造粒机中制成1-3mm的颗粒；将该颗粒置于模具中，用18MPa的压力压制20s，得到摩擦粒子压胚，再将所得压胚置于1050℃烧结炉中烧结1.5h，烧结压力5Mpa，保护气体为氨分解气体；烧结完冷却5h至室温制成摩擦粒子；将摩擦粒子安装在浮动结构上制成闸片。

实施例九

粒径为2.0至2.5微米的超细铜粉为420g；粒径为2000目的超细铁粉为90g；铜包铁粉为60g；预合金铜锡粉为80g，其中，铜含量为:91wt％锡含量为9wt％，粒径42～50微米(325目)；高碳铬铁为80g，其中，所述高碳铬铁中铬含量为70wt％，碳含量为11wt％，余量为铁，所述高碳铬铁的粒径200目；铬粉为20g；高碳锰铁粉为40g，其中，高碳锰铁粉中锰含量为70wt％，碳含量为10.2wt％，余量为铁，所述高碳锰铁粉的粒径为200目；碳化钨为50g；二硫化钼为30g；石墨为180g；石墨烯为20g；氧化铝为15g；碳化硅晶须为20g。

实施例十

超细铜粉为450g；预合金铜锡粉为80g，其中，铜含量为:90.7wt％锡含量为10.3wt％，粒径42～50微米(325目)；超细铁粉为100g；铜包铁粉为40g；高碳铬铁为80g，其中所述高碳铬铁中铬含量为70wt％，碳含量为11wt％，余量为铁，所述高碳铬铁的粒径200目；铬粉为20g；高碳锰铁粉为40g，其中，高碳锰铁粉中锰含量为70wt％，碳含量为11wt％，余量为铁，所述高碳锰铁粉的粒径为200目；碳化钨为40g；二硫化钼为20g；石墨为180g；石墨烯为10g；氧化铝为15g；碳化硅晶须为20g。

实施例十一

超细铜粉为450；超细铁粉为120g；铜包铁粉为40g；预合金铜锡粉为80g，其中，铜含量为:90.7wt％锡含量为10.3wt％，粒径42～50微米(325目)；高碳铬铁为100g，其中，所述高碳铬铁中铬含量为70wt％，碳含量为11wt％，余量为铁，所述高碳铬铁的粒径200目；铬粉为20g；高碳锰铁粉为40g，其中，高碳锰铁粉中锰含量为70wt％，碳含量为11wt％，余量为铁，所述高碳锰铁粉的粒径为200目；氧化铝为20g；碳化钨为40g；二硫化钼为30g；石墨为180g；石墨烯为20g；碳化硅晶须为10g。

采用上述实施例9～实施例11的摩擦材料，采用以下工艺制成制动闸片，包括如下步骤：

分别称取上述各原料组分并混合均匀以形成混合料；将混合料加造粒剂在造粒机中制成1-3mm的颗粒；将该颗粒置于模具中，用20MPa的压力压制15s，得到摩擦粒子压胚，再将所得压胚置于1100℃烧结炉中烧结1h，烧结压力4Mpa，保护气体为氨分解气体；烧结完冷却6h至室温制成摩擦粒子；将摩擦粒子安装在浮动结构上制成闸片。

对比例1将实施例3中高碳铬铁等量替换为铬粉，其他组分不变。

对比例2将实施例3中高碳锰铁粉等量替换为锰粉，其他组分不变。

对比例3将实施例3中预合金铜锡粉等量替换为镍粉，其他组分不变。

对比例4将实施例3中高碳铬铁等量替换为铬粉，高碳锰铁粉等量替换为锰粉，预合金铜锡粉等量替换为镍粉，其他组分不变。

对比例5将实施例7中预合金铜锡粉和高碳铬粉均等量替换为铜粉，高碳锰铁粉等量替换为雾化铁粉，其他组分不变。

对比例6将实施例7中石墨烯和碳化硅晶须均等量替换为石墨，其他组分不变。

将上述实施例1～11和对比例1～对比例6制备得到的闸片在摩擦磨损试验机上进行摩擦磨耗试验，试验条件：铸钢轮装制动盘直径750mm，摩擦半径305mm，盘载荷8.5t，轮径920mm，双侧制动压力36kN，初始温度50-60℃。试验结果如表1所示(每个速度做3次，取平均值)：

表1闸片摩擦磨耗试验结果

从试验结果看，本发明的摩擦材料在高速下仍有很好的摩擦稳定性，摩擦性能和磨损率均满足国铁集团颁布的TJ/CL307-2019动车组暂行技术条件，满足超高速450km/h动车组的运用要求。

关于本发明的技术指标的测定方法均为本领域内使用标准方法，具体可参见最新的国家标准，除非另外说明。

上述摩擦材料应用于制动闸片时，对制动盘不会产生热斑、裂纹等热损伤和异常磨损，不会使摩擦副的工作表面发生黏结，不会导致工作表面在摩擦过程中形成剥落、擦伤、焊接及其他毁坏性的破坏。过渡金属合金粉用作含碳较高的合金剂，提高摩擦材料的淬透性，增加材料的耐磨性和硬度，提高摩擦系数，降低磨耗量。

通过本发明制备的摩擦块，不但提高了的摩擦体本身的剪切强度，减少了磨耗，延长了磨耗到限时间，而且大幅度提高了摩擦体与背板的连接强度，降低了摩擦体脱落而致制动失控的风险，同时提高了闸片的整体使用寿命，提高了闸片的使用速度，为高铁闸片提供了一种高性能、高可靠性的摩擦块制造方法。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。