高铁制动用粉末冶金摩擦材料的制备及性能研究

发布时间：2016-07-11 11:06

  本文关键词：高铁制动用粉末冶金摩擦材料的制备及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

《北京科技大学》 2015年

高铁制动用粉末冶金摩擦材料的制备及性能研究

王晔  

【摘要】：本工作基于高速列车刹车片国产化的急迫需求,从高铁制动实际要求出发,开展高性能制动摩擦材料的制备研发,从原材料体系的筛选到工艺制度的确定进行系统实验研究,国内首次开发出满足时速350公里／小时及以下高速列车制动需要的粉末冶金摩擦材料；在铁道部产品质量监督检验中心进行的1：1台架试验表明,材料性能达到了中铁认证检验中心(CRCC)对材料摩擦性能的要求：摩擦系数稳定性高、制动平稳、不损伤制动盘、磨耗较低、环境友好。论文工作主要包括以下几个部分： 1.采用粉末冶金工艺制备摩擦材料,选取铜作为基体组元以保证材料的高导热性和良好韧性：通过力学性能和摩擦性能筛选适用的铜粉类型,包括电解铜粉、雾化铜粉、氧化铝弥散强化铜粉、铬铜合金粉(0.4%Cr-Cu)、铁钴铜合金粉(Fe15%-Co10%-Cu)五种铜粉。研究结果表明：雾化铜粉因烧结活性高、基体连续性好,而具有较高的高温硬度(68.1HR15y)、抗压强度(593.81MPa)和冲击韧性(78.71J/cm2)以及摩擦性能,是合适的基体组元。 2.采用铁粉为基体的主要强化组元,通过力学性能和摩擦性能筛选适用的铁粉类型,包括还原铁粉、羰基铁粉、泡沫纤维铁粉、Fe3Al粉四种铁粉。结果表明：羰基铁粉因粒度细小,能够弥散分布在铜基体中,显著提高铜基体的硬度和抗压强度。由其制备的摩擦材料在低速和高速摩擦时摩擦系数的衰退幅度小、磨耗低,是合适的金属基体强化组元。 3.向金属基体中引入铬、钼、铬铁合金和胶体石墨,以提高金属基体的高温强度。结果表明：Cr和Cr-Fe合金对铜基体的强化效果显著,相比纯铜其布氏硬度均提高2.3倍,抗压强度均提高1.4倍,高温硬度均提高1.1倍；引入Cr-Fe合金后样品的冲击韧性与纯铜相当；胶体石墨的加入使烧结后基体中的铁组元形成珠光体组织,提高了基体的耐磨损性能。确定了铬、铬铁合金、胶体石墨组成的复合强化组分。 4.第一次系统研究铜、铁、铬金属组元与固体润滑剂二硫化钼的反应行为。研究发现铜-铁-二硫化钼复合样品在700℃下烧结后,部分二硫化钼已经与基体金属发生反应,在950℃反应生成的CuFeS2相可以产生良好的润滑性和耐磨性。当基体中含有铬元素时,二硫化钼优先与铬发生反应,生成成分复杂的铬硫化合物。当以铬铁合金替代铬时,铬铁表面生成的致密富铁层阻止了内部金属与二硫化钼的进一步反应。同时,二硫化钼与基体金属的反应还受到烧结气氛的影响,在纯氢气气氛中烧结的样品反应程度更剧烈,因此选用氮气：氢气体积比例为4：1的混合气氛做为保护气体。 5.第一次提出并制备具有多级孔径的多孔组织摩擦材料。石墨种类和粒度对摩擦材料的孔结构影响最大。人造石墨可显著提高材料的孔隙率而不降低材料强度；大粒度鳞片石墨易于形成大尺寸贯通孔隙,并倾向平行于摩擦表面方向分布在基体中,增加了金属基体的连续性,提高了材料的强度和形成摩擦膜的能力。减小金属粉体粒度可以获得最可几孔径小、孔隙率较高的样品,提高了样品的摩擦系数,同时降低其磨耗。采用高成型压力-低烧结压力的方法,可以在不增加磨耗量的同时获得更稳定的摩擦系数。 6.建立了满足高速列车制动需要的摩擦材料的原料体系和制备工艺。通过研究各原料组成配比对材料力学性能和摩擦性能的影响,确定原料体系由雾化铜、羰基铁、铬、铬铁、胶体石墨、二硫化钼、石墨、二氧化硅组成。将各种粉体原料均匀混合,在600MPa的压力下压制成形,经温度950℃C、压力5MPa、时间2h、混合气氛保护烧结,得到复合材料的布氏硬度为66.0HB、抗压强度为104.64MPa、室温热导率为17.21W/m℃、400℃热导率为13.89W/m℃。在160-320km/h范围内的平均摩擦系数为0.282,各速度下摩擦系数与平均摩擦系数的差值不超过0.003,磨耗为1.43g。其各项性能均达到进口样品条件,并且具备更高的摩擦系数和稳定程度以及耐磨性。可作为铜基粉末冶金刹车片材料。 7.将制备的摩擦材料按照实际列车需要的结构装配成刹车片,进行1：1台架试验,试验程序按照CRCC试验大纲。结果表明,在制动速度50-380km/h的制动范围内,材料的摩擦系数波动范围小于15%,瞬时摩擦系数和平均摩擦系数、静摩擦系数均在大纲要求的公差范围内,最大磨耗量0.1cm3/MJ,远远低于大纲要求的0.35cm3/MJ。摩擦制动中制动盘面最高温度低于700℃C；试验中制动盘没有热斑、剥落、擦伤等损伤；摩擦噪音低,环境友好。表明所制备的摩擦材料全面达到时速300-350km/h高铁刹车片的认证要求。

【关键词】：
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF125.9
【目录】：

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