一种应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块及其制备方法
阅读说明：本技术 一种应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块及其制备方法 (High-speed rail brake pad friction block applying composite material transition layer and preparation method thereof ) 是由 郝文龙 蒋志文 刘英凯 刘建刚 周洋 陈磊 成照楠 王炳杰 范亚峰 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块及其制备方法,包括依次连接的钢背、复合材料过渡层、摩擦材料,所述复合材料过渡层与摩擦材料采用相同的金属元素与配比,所述复合材料过渡层按重量份比由以下原料组成,金属粉70～100、非金属粉1～30,所述非金属粉包括无机非金属粉。本发明的复合材料过渡层连接摩擦材料与钢背,能使摩擦材料和钢背牢固结合,加入了少量无机非金属粉,使复合材料过渡层与摩擦材料的热膨胀性相当,降低复合材料过渡层与摩擦材料由于热膨胀性不同而产生裂纹的影响,也降低了在刹车过程中摩擦材料与钢背分离的风险。(The invention relates to a high-speed rail brake pad friction block applying a composite material transition layer and a preparation method thereof, and the high-speed rail brake pad friction block comprises a steel backing, the composite material transition layer and a friction material which are sequentially connected, wherein the composite material transition layer and the friction material adopt the same metal elements and proportion, the composite material transition layer is composed of the following raw materials, 70-100 parts by weight of metal powder and 1-30 parts by weight of non-metal powder, and the non-metal powder comprises inorganic non-metal powder. The composite material transition layer is connected with the friction material and the steel backing, so that the friction material and the steel backing can be firmly combined, a small amount of inorganic non-metal powder is added, the thermal expansion of the composite material transition layer is equivalent to that of the friction material, the influence of cracks generated by different thermal expansion of the composite material transition layer and the friction material is reduced, and the risk of separation of the friction material and the steel backing in the braking process is also reduced.)
技术领域
本发明涉及一种应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块及其制备方法，属于粉末冶金材料领域。
背景技术
近年来，我国高速铁路发展迅猛，取得了举世瞩目的成就。自2008年以来到2017年底，不到10年的时间，我国高速铁路运营里程已超过2.6万千米，预计2020年，将达到3万千米。为适应高速列车更快速、更安全的发展要求，高速列车制动材料应具备稳定的摩擦系数，优良的耐磨性等特性，目前300km/h及以上的高速列车均采用粉末冶金制动闸片。
粉末冶金制动材料是由基体组元、摩擦组元和润滑组元组成，用粉末冶金方法制成的复合材料。铜基制动材料具有稳定的摩擦因数、优良的耐磨性和耐热性、环境适应性好、对制动盘损伤小等特征，被广泛用于国内外高速列车。
现有的高速列车制动闸片摩擦材料是直接将摩擦材料烧结在钢背上，摩擦材料目前以铜基为主，钢背经镀铜处理后，二者可紧密连接。但随着高速列车的发展，列车速度日渐增快，制动闸片受到的载荷增大，刹车时产生的温度不断升高，为满足在高速下具备稳定的摩擦系数，较高的强度，闸片中加入大量非金属元素，这些非金属元素使得摩擦材料与钢背结合力下降，在制动过程中摩擦材料与钢背易发生脱离，造成重大安全隐患。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块及其制备方法，它能降低过渡层与摩擦材料由于热膨胀性不同而产生裂纹的影响，并能与摩擦材料和钢背紧密连接。
本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明一种应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块，包括依次连接的钢背、复合材料过渡层、摩擦材料，所述复合材料过渡层与摩擦材料采用相同的金属元素与配比。
所述的应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块，所述复合材料过渡层的厚度为0.1～5mm。
所述的应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块，所述复合材料过渡层按重量份比由以下原料组成：
金属粉70～100、非金属粉1～30；
所述非金属粉包括无机非金属粉。
所述的应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块，所述复合材料过渡层中的金属粉按重量份比由以下原料组成：
铜粉30～80、铁粉10～35。
优选的，所述的应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块，所述的无机非金属粉为正盐、氧化物、碳化物、氮化物、石墨的一种或多种；
所述正盐为硫酸钙、硅酸铝、钛酸钾的一种或多种；
所述氧化物为氧化钛、氧化锆、氧化铁、四氧化三铁、氧化铝、二氧化硅的一种或多种；
所述碳化物为碳化铬、碳化钒、碳化锆、碳化硼、碳化硅的一种或多种；
所述氮化物为氮化铝、氮化钛、氮化钒的一种或多种。
一种应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块的制备方法，其包括以下步骤：
a.使用称料设备，按复合材料过渡层各物质的重量份比称取各物质原料，将原材料放入三维混料机内，搅拌均匀，混料时长为0.5～4h，得复合材料过渡层的混合料；
b.先将摩擦材料倒入钢模具的料腔中，再将混合完成的复合材料过渡层的混合料倒入钢模具的料腔中的摩擦材料上层，将复合材料过渡层的混合料与摩擦材料同时压制得到压坯，冷压成型压制压力为100～1500MPa；
c.将钢背放置在压坯上，在氢气气氛烧结炉中加压烧结，烧结压力为2～6MPa，烧结温度为800～1000℃，保温时间为1～4小时，制得应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块。
优选的，所述的应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块的制备方法，所述步骤b中压坯的压制压力为100～1000MPa。
优选的，所述的应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块的制备方法，所述步骤c中烧结压力为2～4MPa，所述步骤c中烧结温度为850～950℃。
优选的，所述的应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块的制备方法，包括以下具体步骤：
使用称料设备，按复合材料过渡层各物质原料的重量份数比称取原材料，取铜粉70份、铁粉25份、碳化硅2份、氮化铝3份，将上述原材料放入三维混料机内，搅拌均匀，混料时长为0.5～2.5h，得复合材料过渡层的混合料；
将摩擦材料原料倒入钢模具的料腔中，再将混合完成的复合材料过渡层的混合料倒入钢模具的料腔中的摩擦材料上层，将复合材料过渡层的混合料与摩擦材料同时压制得到压坯，冷压成型压制压力为700Mpa；
将钢背放置在压坯上，在氢气气氛烧结炉中加压烧，烧结压力为3MPa，烧结温度为900℃，保温时间为2.5小时。制得应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块。
本发明与现有技术相比具有的有益效果为：
本发明的复合材料过渡层，连接摩擦材料与钢背，使摩擦材料和钢背实现牢固结合，从而提高摩擦材料与钢背之间结合强度。
本发明的复合材料过渡层，采用与摩擦材料相同的金属元素与配比，加入了少量无机非金属粉，使复合材料过渡层与摩擦材料的热膨胀性相当，降低复合材料过渡层与摩擦材料由于热膨胀性不同而产生裂纹的影响，与摩擦材料和钢背紧密连接，降低了在刹车过程中摩擦材料与钢背分离的风险。
附图说明
图1是本发明应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块结构图；
图中各部件标号说明：
1.钢背；2.复合材料过渡层；3.摩擦材料。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，图1是本发明应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块结构图。本发明一种应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块，包括依次连接的钢背1、复合材料过渡层2、摩擦材料3，所述复合材料过渡层2与摩擦材料3采用相同的金属元素与配比。
所述的应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块，所述复合材料过渡层2的厚度为0.1～5mm，最佳为2-3mm。
所述的应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块，所述复合材料过渡层2按重量份比由以下原料组成：
金属粉70～100、非金属粉1～30；
所述非金属粉包括无机非金属粉。
所述的应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块，所述复合材料过渡层2中的金属粉按重量份比由以下原料组成：
铜粉30～80、铁粉10～35。
优选的，所述的应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块，所述的无机非金属粉为正盐、氧化物、碳化物、氮化物、石墨的一种或多种；
所述正盐为硫酸钙、硅酸铝、钛酸钾的一种或多种；
所述氧化物为氧化钛、氧化锆、氧化铁、四氧化三铁、氧化铝、二氧化硅的一种或多种；
所述碳化物为碳化铬、碳化钒、碳化锆、碳化硼、碳化硅的一种或多种；
所述氮化物为氮化铝、氮化钛、氮化钒的一种或多种。
一种应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块的制备方法，其包括以下步骤：
a.使用称料设备，按复合材料过渡层2各物质的重量份比称取各物质原料，将原材料放入三维混料机内，搅拌均匀，混料时长为0.5～4h，得复合材料过渡层的混合料；
b.先将摩擦材料倒入钢模具的料腔中，再将混合完成的复合材料过渡层的混合料倒入钢模具的料腔中的摩擦材料上层，将复合材料过渡层的混合料与摩擦材料同时压制得到压坯，冷压成型压制压力为100～1500MPa；
c.将钢背放置在压坯上，在氢气气氛烧结炉中加压烧结，烧结压力为2～6MPa，烧结温度为800～1000℃，保温时间为1～4小时，制得应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块。
优选的，所述的应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块的制备方法，所述步骤b中压坯的压制压力为100～1000MPa。
优选的，所述的应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块的制备方法，所述步骤c中烧结压力为2～4MPa，所述步骤c中烧结温度为850～950℃。
优选的，所述的应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块的制备方法，包括以下具体步骤：
使用称料设备，按复合材料过渡层2各物质原料的重量份数比称取原材料，取铜粉70份、铁粉25份、碳化硅2份、氮化铝3份，将上述原材料放入三维混料机内，搅拌均匀，混料时长为0.5～2.5h，得复合材料过渡层的混合料；
将摩擦材料原料倒入钢模具的料腔中，再将混合完成的复合材料过渡层的混合料倒入钢模具的料腔中的摩擦材料上层，将复合材料过渡层的混合料与摩擦材料同时压制得到压坯，冷压成型压制压力为700Mpa；
将钢背1放置在压坯上，在氢气气氛烧结炉中加压烧，烧结压力为3MPa，烧结温度为900℃，保温时间为2.5小时。制得应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块。
实施案例1：
使用称料设备，按复合材料过渡层2各物质原料的重量份数比称取原材料，取铜粉68份、铁粉28份、硫酸钙4份，将上述原材料放入三维混料机内，搅拌均匀，混料时长为0.5h，得复合材料过渡层的混合料；
将摩擦材料原料倒入钢模具的料腔中，再将混合完成的复合材料过渡层的混合料倒入钢模具的料腔中的摩擦材料上层，将复合材料过渡层的混合料与摩擦材料同时压制得到压坯，冷压成型压制压力为750Mpa；
将钢背1放置在压坯上，在氢气气氛烧结炉中加压烧，烧结压力为3MPa，烧结温度为960℃，保温时间为2小时。制得应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块。
实施案例2：
使用称料设备，按复合材料过渡层2各物质原料的重量份数比称取原材料，取铜粉68份、铁粉30份、钛酸钾2份，将上述原材料放入三维混料机内，搅拌均匀，混料时长为0.5h，得复合材料过渡层的混合料；
将摩擦材料原料倒入钢模具的料腔中，再将混合完成的复合材料过渡层的混合料倒入钢模具的料腔中的摩擦材料上层，将复合材料过渡层的混合料与摩擦材料同时压制得到压坯，冷压成型压制压力为300Mpa；
将钢背1放置在压坯上，在氢气气氛烧结炉中加压烧，烧结压力为2MPa，烧结温度为950℃，保温时间为2.5小时。制得应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块。
实施案例3：
使用称料设备，按复合材料过渡层2各物质原料的重量份数比称取原材料，取铜粉68份、铁粉25份、氧化钙3份、氮化钛4份，将上述原材料放入三维混料机内，搅拌均匀，混料时长为1h，得复合材料过渡层的混合料；
将摩擦材料原料倒入钢模具的料腔中，再将混合完成的复合材料过渡层的混合料倒入钢模具的料腔中的摩擦材料上层，将复合材料过渡层的混合料与摩擦材料同时压制得到压坯，冷压成型压制压力为700Mpa；
将钢背1放置在压坯上，在氢气气氛烧结炉中加压烧，烧结压力为2.5MPa，烧结温度为940℃，保温时间为3小时。制得应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块。
实施案例4：
使用称料设备，按复合材料过渡层2各物质原料的重量份数比称取原材料，取铜粉70份、铁粉25份、碳化硅2份、氮化铝3份，将上述原材料放入三维混料机内，搅拌均匀，混料时长为0.5h，得复合材料过渡层的混合料；
将摩擦材料原料倒入钢模具的料腔中，再将混合完成的复合材料过渡层的混合料倒入钢模具的料腔中的摩擦材料上层，将复合材料过渡层的混合料与摩擦材料同时压制得到压坯，冷压成型压制压力为700Mpa；
将钢背1放置在压坯上，在氢气气氛烧结炉中加压烧，烧结压力为3MPa，烧结温度为900℃，保温时间为2.5小时。制得应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块。
实施案例5：
使用称料设备，按复合材料过渡层2各物质原料的重量份数比称取原材料，取铜粉68份、铁粉25份、氧化钛2份、氧化铁5份，将上述原材料放入三维混料机内，搅拌均匀，混料时长为0.5h，得复合材料过渡层的混合料；
将摩擦材料原料倒入钢模具的料腔中，再将混合完成的复合材料过渡层的混合料倒入钢模具的料腔中的摩擦材料上层，将复合材料过渡层的混合料与摩擦材料同时压制得到压坯，冷压成型压制压力为750Mpa；
将钢背1放置在压坯上，在氢气气氛烧结炉中加压烧，烧结压力为2.5MPa，烧结温度为920℃，保温时间为3小时。制得应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块。
实施案例6：
使用称料设备，按复合材料过渡层2各物质原料的重量份数比称取原材料，取铜粉70份、铁粉24份、氮化铝5份、二氧化硅1份，将上述原材料放入三维混料机内，搅拌均匀，混料时长为1.5h，得复合材料过渡层的混合料；
将摩擦材料原料倒入钢模具的料腔中，再将混合完成的复合材料过渡层的混合料倒入钢模具的料腔中的摩擦材料上层，将复合材料过渡层的混合料与摩擦材料同时压制得到压坯，冷压成型压制压力为400Mpa；
将钢背1放置在压坯上，在氢气气氛烧结炉中加压烧，烧结压力为2MPa，烧结温度为880℃，保温时间为2小时。制得应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块。
实施案例7：
使用称料设备，按复合材料过渡层2各物质原料的重量份数比称取原材料，取铜粉68份、铁粉25份、碳化硼5份、氧化铁2份，将上述原材料放入三维混料机内，搅拌均匀，混料时长为1h，得复合材料过渡层的混合料；
将摩擦材料原料倒入钢模具的料腔中，再将混合完成的复合材料过渡层的混合料倒入钢模具的料腔中的摩擦材料上层，将复合材料过渡层的混合料与摩擦材料同时压制得到压坯，冷压成型压制压力为600Mpa；
将钢背1放置在压坯上，在氢气气氛烧结炉中加压烧，烧结压力为2.5MPa，烧结温度为900℃，保温时间为2小时。制得应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块。
实施案例8：
使用称料设备，按复合材料过渡层2各物质原料的重量份数比称取原材料，取铜粉68份、铁粉26份、氮化铝2份、二氧化硅1份、碳化硼3份，将上述原材料放入三维混料机内，搅拌均匀，混料时长为1.5h，得复合材料过渡层的混合料；
将摩擦材料原料倒入钢模具的料腔中，再将混合完成的复合材料过渡层的混合料倒入钢模具的料腔中的摩擦材料上层，将复合材料过渡层的混合料与摩擦材料同时压制得到压坯，冷压成型压制压力为800Mpa；
将钢背1放置在压坯上，在氢气气氛烧结炉中加压烧，烧结压力为3.5MPa，烧结温度为950℃，保温时间为1.5小时。制得应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块。
实施案例9：
使用称料设备，按复合材料过渡层2各物质原料的重量份数比称取原材料，取铜粉70份、铁粉25份、氮化钛2份、二氧化硅1份、硫酸钙2份，将上述原材料放入三维混料机内，搅拌均匀，混料时长为2h，得复合材料过渡层的混合料；将摩擦材料原料倒入钢模具的料腔中，再将混合完成的复合材料过渡层的混合料倒入钢模具的料腔中的摩擦材料上层，将复合材料过渡层的混合料与摩擦材料同时压制得到压坯，冷压成型压制压力为900Mpa；将钢背1放置在压坯上，在氢气气氛烧结炉中加压烧，烧结压力为4MPa，烧结温度为960℃，保温时间为3小时。制得应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块。
实施案例10：
使用称料设备，按复合材料过渡层2各物质原料的重量份数比称取原材料，取铜粉68份、铁粉27份、氧化钛4份、碳化硼1份，将上述原材料放入三维混料机内，搅拌均匀，混料时长为3h，得复合材料过渡层的混合料；将摩擦材料原料倒入钢模具的料腔中，再将混合完成的复合材料过渡层的混合料倒入钢模具的料腔中的摩擦材料上层，将复合材料过渡层的混合料与摩擦材料同时压制得到压坯，冷压成型压制压力为1000Mpa；将钢背1放置在压坯上，在氢气气氛烧结炉中加压烧，烧结压力为5MPa，烧结温度为980℃，保温时间为3.5小时。制得应用复合材料过渡层的高铁闸片摩擦块。
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