一种铁路货车用粉末冶金超低摩闸瓦及制备方法与流程

本发明涉及闸瓦制造领域，特别是涉及一种铁路货车用粉末冶金超低摩闸瓦及制备方法。

背景技术：

欧盟铁路现用的铸铁材料制造的货车超低摩闸瓦，已不符合欧盟环保的有关规定，并强制要求更换为超低摩粉末冶金闸瓦或合成闸瓦，其使用的数量很大，后续的市场前景非常好。

高速行驶的货车需要制动时，采用闸瓦对高速行驶的车轮进行制动，闸瓦制动又称踏面制动，以压缩空气为动力；制动缸活塞推力，经制动杠杆将闸瓦压紧车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦，把列车动能转化为热能消散与大气，并产生制动力。而这种制动效果的好坏，却主要取决于摩擦热能的消散能力。使用这种制动方式时，闸瓦摩擦面积小，大部分热负荷由车轮来承担。列车速度越高，制动时车轮的热负荷也越大。如用铸铁闸瓦，温度可使闸瓦熔化；即使采用较先进的合成闸瓦，温度也会高达400～450℃。当车轮踏面温度增高到一定程度时，就会使踏面磨耗、裂纹或剥离，既影响使用寿命也影响行车安全。由于合成摩擦材料局部摩擦过热膨胀，车轮踏面呈现沟状磨耗。温度越高时，这种磨耗在车轮踏面外侧越容易发展。

铁路货车用粉末冶金超低摩闸瓦具有材料强度高、摩擦系数离散度小、制动平稳、耐磨性好、低噪音的特点，而且工艺简单，使用灰尘小，符合欧洲环保要求，特别适用于高负荷、载重大的货车制动用。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种铁路货车用粉末冶金超低摩闸瓦及制备方法，以提供一种安全、耐高温、可靠、耐磨性强和摩擦性能稳定且经济实惠的铁路货车用粉末冶金超低摩闸瓦。

本发明是通过如下技术方案予以实现的：

一种铁路货车用粉末冶金超低摩闸瓦，由以下重量份原料组成：铁粉67～85份、铜粉5～10份、锡粉1～3份、镍粉2～4份、锆英粉0.5～1份、二硫化钼2～5份、鳞片石墨2～6份、人造石墨2～4份、硬脂酸锌0.3～0.5份。

重量份原料优选为：铁粉70～80份、铜粉7～8份、锡粉2～3份、镍粉1.5～2.5份、锆英粉0.75～0.9份、二硫化钼3～4份、鳞片石墨3～5份、人造石墨2.5～3.5份、硬脂酸锌0.4～0.5份。

重量份原料优选为：铁粉75份、铜粉7.5份、锡粉2.5份、镍粉2份、锆英粉0.6份、二硫化钼4份、鳞片石墨4份、人造石墨3份、硬脂酸锌0.4份。

所述组成原料的各组元微观性状分别为：

铁粉纯度≥98.5％，粒度为75～150μm，海绵状；

铜粉纯度≥99.5％，粒度为20～75μm，树枝状；

锡粉纯度≥99.5％，粒度为25～75μm，球状；

镍粉纯度≥99.5％，粒度为20～63μm，为球状；

二硫化钼纯度≥97％，粒度为20～45μm，层状粉剂；

石墨纯度≥96％，灰份＜4％，粒度为75～150μm，鳞片层状；

石墨纯度≥96％，灰份＜4％，粒度为250～355μm，为颗粒状；

锆英粉的粒度为180～250μm，多棱状。

所述闸瓦的制备方法包括如下步骤：

(A)原材料的处理：将铜粉和铁粉进行还原处理；非金属元素二硫化钼、鳞片石墨、人造石墨和锆英粉需经烘干处理；

(B)将步骤(A)处理后的原材料根据闸瓦材料组分配比称取各组元，混合均匀后，掺入机油和汽油的混合液混合均匀，所述的机油为20#锭子油，占总重量的0.2～0.5％；所述的汽油占材料总重量的0.2～0.5％；

(C)将步骤(B)的混合料，放入V型混料机中进行混料，混料转速为20～40转/分，混料时间6～12h，混合料混料完毕进行化学分析，合格后进行下工序；

(D)将步骤(C)合格的混合料，按闸瓦刹车块压制参数进行称料，倒入钢模中，以400～500Mpa的压力下压制得压坯；

(E)将步骤(D)压制得的压坯放到经吹砂处理的背板上，按层叠放，刹车块与刹车块之间用高密石墨盘隔开，在钟罩式或井式加压烧结炉中进行烧结；

(F)将步骤(E)所得烧结毛坯，经硬度检测、尺寸检测、物理力学性能检测合格后，机械加工后，3件刹车块铆接在瓦背上制得铁路货车用超低摩闸瓦。

所述步骤(A)分为以下步骤：

(a1)铜粉和铁粉的还原处理：铜粉的还原温度为400～450℃，铁粉的还原温度为600～700℃，在氨分解气体环境中保温3小时后空冷至室温，还原后的铜粉和铁粉须经相应粒度的标准筛子过筛处理；

(a2)非金属元素二硫化钼、鳞片石墨、人造石墨和锆英粉需经烘干处理，烘干温度为140～160℃，保温3小时后随炉冷却。

所述步骤(E)中烧结工艺参数为：在氨分解气体保护下，从室温到500℃，不加压，以5～8℃/min的升温速度加热，到500℃时保温20～30min，给刹车块施加0.6～0.8Mpa的压力，从500℃到800℃，给刹车块施加1.0～1.2Mpa的压力，以3～5℃/min的升温速度加热，到800℃时保温20～30min，给刹车块施加1.5～1.8Mpa的压力，从800℃到1010±10℃，给刹车块施加2.0～2.2Mpa的压力，以3～5℃/min的升温速度加热，到1010±10℃时保温100～150min，给刹车块施加2.5～2.8Mpa的压力，保温完毕，掉开加热罩，空冷至800～900℃，进行水冷至低于100℃取件。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明提供的一种铁路货车用粉末冶金超低摩闸瓦及制备方法，相对于铸铁超低摩闸瓦和合成超低摩闸瓦，通过加入铜粉、锡粉和镍粉等强化组元，起到强化基体的作用；通过加入二硫化钼、鳞片石墨、人造石墨、硬脂酸锌等润滑组元，起到润滑抗卡滞和减少对轮踏面损伤的作用；通过加入锆英粉起到增摩作用，综合作用下降低了材料的磨损率，稳定了摩擦系数，另外还显著的降低了闸瓦的使用成本，是一种性价比较高的摩擦材料制品，能满足铁路超低摩货车制动的要求。使用本发明技术制备的超低摩闸瓦，材料强度高，平均摩擦系数离散度小，制动过程平稳，磨损率低，对轮踏面磨损小，低噪音的特点，而且工艺简单，使用灰尘小，符合欧洲环保要求。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图；

图2是实施方案1在60kN闸瓦压力干燥条件下各种速度的制动曲线图。

图3是实施方案1在20kN闸瓦压力干燥条件下各种速度的制动曲线图。

图4是实施方案1在100kN闸瓦压力干燥条件下各种速度的制动曲线图。

图5是实施方案1在100kN闸瓦压力潮湿条件下各种速度的制动曲线图。

图6是实施方案2在60kN闸瓦压力干燥条件下各种速度的制动曲线图。

图7是实施方案2在20kN闸瓦压力干燥条件下各种速度的制动曲线图。

图8是实施方案2在100kN闸瓦压力干燥条件下各种速度的制动曲线图。

图9是实施方案2在100kN闸瓦压力潮湿条件下各种速度的制动曲线图。

图10是实施方案3在60kN闸瓦压力干燥条件下各种速度的制动曲线图。

图11是实施方案3在20kN闸瓦压力干燥条件下各种速度的制动曲线图。

图12是实施方案3在100kN闸瓦压力干燥条件下各种速度的制动曲线图。

图13是实施方案3在100kN闸瓦压力潮湿条件下各种速度的制动曲线图。

具体实施方式

在1：1动力制动试验台上进行摩擦磨耗试验，用本发明的一种铁路货车用粉末冶金超低摩闸瓦制备方法制备闸瓦样品，制造工艺为实施例1～3，制造出来的闸瓦在压力分别为20kN、60kN、100kN闸瓦压力下、速度为30km/h、60km/h、100km/h、120km/h下进行制动试验，制动曲线如图2～图13所示。

实施例1：

铁粉85份，其形状为海绵状，粒度为75～150μm，纯度≥98.5％

铜粉5份，其形状为树枝状，粒度为20～75μm，纯度≥99.5％；

锡粉1份，其形状为球状，粒度为25～75μm，纯度≥99.5％；

镍粉2份，其形状为球状，粒度为20～63μm为球状，纯度≥99.5％；

锆英粉0.7份，其形状为多棱状，粒度为180～250μm；

二硫化钼2份，其形状为层状粉剂，粒度为20～45μm，纯度≥97％；

鳞片石墨2份，其形状为鳞片层状，粒度为75～150μm，纯度≥96％，灰份＜4％；

人造石墨2份，其形状为颗粒状，粒度为250～355μm，纯度≥96％，灰份＜4％；

硬脂酸锌0.3份其形状为粉剂，粒度为20～35μm。

按重量份数称取上述各原料，进行以下加工工艺处理：

(A)原材料的处理：将铜粉和铁粉进行还原处理，铜粉的还原温度为450℃，铁粉的还原温度为700，氨分解气体保护，保温3小时后空冷至室温，还原后的铜粉和铁粉须经相应粒度的标准筛子过筛处理；非金属元素二硫化钼、鳞片石墨、人造石墨和锆英粉需经烘干处理，烘干温度为160℃，保温3小时后随炉冷却。

(B)将步骤(A)处理后的原材料根据上述配比称取各组元，混合均匀后，掺入机油和汽油的混合液混合均匀，所述的机油为20#锭子油，占总重量的0.3％；所述的汽油占材料总重量的0.3％；

(C)将混合料放入V型混料机中进行混料，混料转速为40转/分，混料时间6h，混合料混料完毕进行化学分析，合格后进行下工序；

(D)将合格的混合料按闸瓦刹车块压制参数进行称料，倒入钢模中，以500Mpa的压力下压制得压坯；

(E)将步骤(D)压制得的压坯放到经吹砂处理的背板上，按层叠放，刹车块与刹车块之间用高密石墨盘隔开，在钟罩式或井式加压烧结炉中进行烧结。烧结工艺参数为：在氨分解气体保护下，从室温到500℃，不加压，以8℃/min的升温速度加热，到500℃时保温30min，给刹车块施加0.8Mpa的压力，从500℃到800℃，给刹车块施加1.0Mpa的压力，以3℃/min的升温速度加热，到800℃时保温20min，给刹车块施加1.2Mpa的压力，从800℃到1000℃，给刹车块施加2.2Mpa的压力，以5℃/min的升温速度加热，到1000℃时保温120min，给刹车块施加2.8Mpa的压力，保温完毕，掉开加热罩，空冷至850℃，进行水冷至低于100℃取件；

(F)将步骤(E)所得烧结毛坯，经硬度检测、尺寸检测、物理力学性能检测合格后，机械加工后，3件刹车块铆接在瓦背上制得铁路货车用粉末冶金超低摩闸瓦。

实施例2：

铁粉76.2份，其形状为海绵状，粒度为75～150μm，纯度≥98.5％

铜粉8份，其形状为树枝状，粒度为20～75μm，纯度≥99.5％；

锡粉1.6份，其形状为球状，粒度为25～75μm，纯度≥99.5％；

镍粉3份，其形状为球状，粒度为20～63μm为球状，纯度≥99.5％；

锆英粉0.8份，其形状为多棱状，粒度为180～250μm；

二硫化钼3份，其形状为层状粉剂，粒度为20～45μm，纯度≥97％；

鳞片石墨4份，其形状为鳞片层状，粒度为75～150μm，纯度≥96％，灰份＜4％；

人造石墨3份，其形状为颗粒状，粒度为250～355μm，纯度≥96％，灰份＜4％；

硬脂酸锌0.4份其形状为粉剂，粒度为20～35μm。

按重量份数称取上述各原料，进行以下加工工艺处理：

(A)原材料的处理：将铜粉和铁粉进行还原处理，铜粉的还原温度为400℃，铁粉的还原温度为600，氨分解气体保护，保温3小时后空冷至室温，还原后的铜粉和铁粉须经相应粒度的标准筛子过筛处理；非金属元素二硫化钼、鳞片石墨、人造石墨和锆英粉需经烘干处理，烘干温度为150℃，保温3小时后随炉冷却。

(B)将步骤(A)处理后的原材料根据上述配比称取各组元，混合均匀后，掺入机油和汽油的混合液混合均匀，所述的机油为20#锭子油，占总重量的0.3％；所述的汽油占材料总重量的0.3％；

(C)将混合料放入V型混料机中进行混料，混料转速为25转/分，混料时间6h，混合料混料完毕进行化学分析，合格后进行下工序；

(D)将合格的混合料按闸瓦刹车块压制参数进行称料，倒入钢模中，以400Mpa的压力下压制得压坯；

(E)将步骤(D)压制得的压坯放到经吹砂处理的背板上，按层叠放，刹车块与刹车块之间用高密石墨盘隔开，在钟罩式或井式加压烧结炉中进行烧结。烧结工艺参数为：在氨分解气体保护下，从室温到500℃，不加压，以5℃/min的升温速度加热，到500℃时保温20min，给刹车块施加0.6Mpa的压力，从500℃到800℃，给刹车块施加1.0Mpa的压力，以3℃/min的升温速度加热，到800℃时保温20min，给刹车块施加1.5Mpa的压力，从800℃到1000℃，给刹车块施加2.0Mpa的压力，以3℃/min的升温速度加热，到1000℃时保温150min，给刹车块施加2.8Mpa的压力，保温完毕，掉开加热罩，空冷至800～900℃，进行水冷至低于100℃取件；

(F)将步骤(E)所得烧结毛坯，经硬度检测、尺寸检测、物理力学性能检测合格后，机械加工后，3件刹车块铆接在瓦背上制得铁路货车用粉末冶金超低摩闸瓦。

实施方案3：

铁粉67份，其形状为海绵状，粒度为75～150μm，纯度≥98.5％；

铜粉10份，其形状为树枝状，粒度为20～75μm，纯度≥99.5％；

锡粉3份，其形状为球状，粒度为25～75μm，纯度≥99.5％；

镍粉4份，其形状为球状，粒度为20～63μm为球状，纯度≥99.5％；

锆英粉1份，其形状为多棱状，粒度为180～250μm；

二硫化钼5份，其形状为层状粉剂，粒度为20～45μm，纯度≥97％；

鳞片石墨6份，其形状为鳞片层状，粒度为75～150μm，纯度≥96％，灰份＜4％；

人造石墨3.5份，其形状为颗粒状，粒度为250～355μm，纯度≥96％，灰份＜4％。

硬脂酸锌0.5份，其形状为粉剂，粒度为20～35μm。

按重量份数称取上述各原料，进行以下加工工艺处理：

(A)原材料的处理：将铜粉和铁粉进行还原处理，铜粉的还原温度为430℃，铁粉的还原温度为680，氨分解气体保护，保温3小时后空冷至室温，还原后的铜粉和铁粉须经相应粒度的标准筛子过筛处理；非金属元素二硫化钼、鳞片石墨、人造石墨和锆英粉需经烘干处理，烘干温度为150℃，保温3小时后随炉冷却。

(B)将步骤(A)处理后的原材料根据上述配比称取各组元，混合均匀后，掺入机油和汽油的混合液混合均匀，所述的机油为20#锭子油，占总重量的0.3％；所述的汽油占材料总重量的0.3％；

(C)将混合料放入V型混料机中进行混料，混料转速为25转/分，混料时间6h，混合料混料完毕进行化学分析，合格后进行下工序；

(D)将合格的混合料按闸瓦刹车块压制参数进行称料，倒入钢模中，以400Mpa的压力下压制得压坯；

(E)将步骤(D)压制得的压坯放到经吹砂处理的背板上，按层叠放，刹车块与刹车块之间用高密石墨盘隔开，在钟罩式或井式加压烧结炉中进行烧结。烧结工艺参数为：在氨分解气体保护下，从室温到500℃，不加压，以6℃/min的升温速度加热，到500℃时保温25min，给刹车块施加0.7Mpa的压力，从500℃到800℃，给刹车块施加1.1Mpa的压力，以4℃/min的升温速度加热，到800℃时保温25min，给刹车块施加1.6Mpa的压力，从800℃到1000℃，给刹车块施加2.1Mpa的压力，以4℃/min的升温速度加热，到1000℃时保温140min，给刹车块施加2.6Mpa的压力，保温完毕，掉开加热罩，空冷至900℃，进行水冷至低于100℃取件；

(F)将步骤(E)所得烧结毛坯，经硬度检测、尺寸检测、物理力学性能检测合格后，机械加工后，3件刹车块铆接在瓦背上制得铁路货车用粉末冶金超低摩闸瓦。