以M_n+1XA_n層狀化合物為減摩相的剎車片摩擦材料及制備方法

專利名稱：以M_n+1XA_n層狀化合物為減摩相的剎車片摩擦材料及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種高速剎車片的摩擦復合材料，屬于復合材料制造領域。
背景技術：
鐵路列車的高速化，亟需相適應的安全剎車系統，而剎車片是關鍵部件。相關研究表明，現有的剎車片材料，已很難滿足車速不斷提高的要求，特別是高速狀態下制動摩擦引起的摩擦熱，對以往半金屬剎車片中常用的減摩材料-石墨提出了質疑:摩擦熱引起的高溫經常超過600°C，甚至更高，會使抗氧化溫度只有400°C的石墨發生氧化，從而使剎車片整體的摩擦系數發生較大變化，使剎車片工作不穩定，壽命短，致使高鐵安全受到挑戰[I孟凡愛，王煥成，裴龍剛，一種高速列車剎車片及制備方法，中國專利:CN101571173A，2009.11.4]。用于飛機剎車片的碳/碳復合材料也存在性價比不高及易氧化等問題[2陳賢海，林虹，陳佳純，摩擦材料以及采用該摩擦材料的飛機剎車片制造工藝，中國專利:CN102604596A,2012.7.25]，即使通過加入較為抗氧化的氮化硼(hBN)、硫化鑰(MoS2)等減摩相，還必須加入8-16%的石墨，難以使人相信該材料能夠大幅度提高抗氧化性。同時，大量氮化硼(hBN)、硫化鑰(MoS2)及石墨的加入也起到割裂基體組織的不良作用。因此，在制動過程中穩定的摩擦系數、較高的抗氧化性、良好合適的基體強韌性及經濟性就成為這類剎車片摩擦復合材料的基本要求。

發明內容
為了克服現有技術存在的上述缺陷和不足，本發明提供一種以Μη+1ΧΑη層狀化合物為減摩相的剎車片摩擦材料及制備方法。該發明能夠大幅提高高速列車剎車片的力學、物理及摩擦磨損性能，同時具有使用可靠、使用壽命長等優點。

本發明提供的以Μη+1ΧΑη層狀化合物為減摩相的剎車片摩擦材料，由如下質量百分比原料制備而成:
銅(Cu) 20-60%,鎳(Ni ) 0-20%,鐵(Fe) 5_15%，氧化硅(SiO2) 3_10%，鉻(Cr) 0_10%，硫化鑰(MoS2) 0-4%, MntlXAn 15-35%。
本發明中，所述的剎車片摩擦材料均為工業純原料。本發明中，所述原料的粒度為UAn的粒度為70-170目，其余原料的粒度為-200目。本發明中，所述Mn+1XAn包括Ti3SiC2、Ti3AlC2及Ti2AlN。Mn+1XAn中含有MA類雜質相，如TiC、TiN, MA類雜質相的含量< Mn+1XAn質量的8%。本發明還提供上述以Mn+1XAn層狀化合物為減摩材料的剎車片摩擦材料的制備方法，具體步驟如下:
(I).原料配混:按所述配比稱取各組分粉料，采用分級混合方法，先將銅、鎳、鐵、氧化硅、鉻及硫化鑰，放入三維混料機中混合40-80分鐘，然后加入Mn+1XAn，繼續混合10-20分鐘，制成復合粉體；
(2).組裝:將混合均勻的復合粉體按需要質量稱取，并裝入合適的石墨模具中，合上上下壓頭密封；
(3).熱壓燒結:將上述裝填好復合粉體的石墨模具置于放電燒結機或熱壓燒結機的加熱倉的上下壓頭之間，放好后關閉加熱倉，抽真空至(6-9) Xl(T3Pa，進行燒結，燒結溫度:850-950°C，保溫時間:10-40min，升溫速度:100°C /min，壓頭壓力:15_60MPa ;保溫完成后，自然冷卻至200°C以下泄壓，自然冷卻至80°C以下停止抽真空；自然冷卻至50°C以下，解除真空，打開加熱倉，取出燒結體。采用上述方法 獲得的銅基的摩擦復合材料燒結體獲得的硬度為HRB56-65，相對密度為92-94%，摩擦系數在0.38-0.53之間，并且在室溫_600°C條件下仍然保持在這一范圍之內，且在初期的數秒之后摩擦系數穩定在0.40-0.43左右，表現出了優異的高溫穩定性。本發明的有益效果是:該發明以Mn+1XAn層狀化合物替代傳統的石墨做減摩相，1^+1乂411具有比石墨更高的抗氧化溫度，可以在高速摩擦過程中產生高熱條件下保持摩擦系數穩定。同時，由于Mn+1XAn可與基體材料中的Cu、N1、Fe、Cr等形成多種物相而使材料適度增強，適合于制造高速列車的高速摩擦片材料。另外，Mn+1XAn自身具有比石墨高得多的強度，在高速摩擦過程中將顆粒形式的脫落推移到更長的時間和更高的溫度及摩擦速度條件下，提高了高速剎車片摩擦材料的穩定性及可靠性。
具體實施例方式實施例1
按質量百分比稱取:銅粉(Cu) 45%，鎳粉(Ni ) 5%，鐵粉(Fe) 12%，氧化硅粉(SiO2) 5%，鉻粉(Cr)3% ;上述粉料粒度為-200目，將上述粉料放入三維混料機中經60分鐘均勻混合，然后加入Ti3SiC2 30% (粒度為120-170目)繼續混合30分鐘；將混合好的復合粉料放入石墨模具中，置于熱壓機燒結室上下壓頭之間，關閉燒結室門，抽真空至(6-9) X 10_3Pa，然后停止抽真空，充入氬氣；上下壓頭壓力升至30-35MPa，溫度90(TC，并在此溫度下保持15分鐘；保溫結束后，自然冷卻至58°C，關閉氬氣，取出石墨模具，拆解模具，取出復合摩擦材料塊體。采用上述方法獲得的銅基的摩擦復合材料燒結體獲得的硬度平均值為HRB59，相對密度為94%，摩擦系數在0.42-0.48之間，并且在室溫-600°C條件下仍然保持在這一范圍之內，且在初期的數秒之后摩擦系數穩定在0.43，表現出了優異的高溫穩定性。實施例2
按質量百分比稱取:銅粉(Cu) 40%,鎳粉(Ni ) 4%，鐵粉(Fe) 15%，氧化硅粉(SiO2) 5%，鉻粉(Cr) 2% ;上述粉料粒度為-200目，將上述粉料放入三維混料機中經60分鐘均勻混合，然后加入Ti3SiC2 32% (粒度為120-170目)，硫化鑰粉(MoS2)2%，繼續混合30分鐘；將混合好的復合粉料放入石墨模具中，置于熱壓機燒結室上下壓頭之間，關閉燒結室門，抽真空至(6-9) X10_3Pa，然后停止抽真空，充入氬氣；上下壓頭壓力升至30MPa，溫度950°C，并在此溫度下保持30分鐘；保溫結束后，自然冷卻至60°C，關閉氬氣，取出石墨模具，拆解模具，取出復合摩擦材料塊體。采用上述方法獲得的銅基的摩擦復合材料燒結體獲得的硬度平均值為HRB59，相對密度為94%，摩擦系數在0.42-0.48之間，并且在室溫-600°C條件下仍然保持在這一范圍之內，且在初期的數秒之后摩擦系數穩定在0.43，表現出了優異的高溫穩定性。實施例3
按質量百分比稱取:銅粉(Cu) 45%，鎳粉(Ni ) 5%，鐵粉(Fe) 12%，氧化硅粉(SiO2) 5%，鉻粉(Cr)3% ;上述粉料粒度為-200目，將上述粉料放入三維混料機中經60分鐘均勻混合，然后加入Ti3AlC2 30% (粒度為120-170目)繼續混合30分鐘；將混合好的復合粉料放入石墨模具中，置于熱壓機燒結室上下壓頭之間，關閉燒結室門，抽真空至(6-9) X10_3Pa，然后停止抽真空，充入氬氣；上下壓頭壓力升至45-50MPa，溫度90(TC，并在此溫度下保持15分鐘；保溫結束后，自然冷卻至60°C，關閉氬氣，取出石墨模具，拆解模具，取出復合摩擦材料塊體。采用上述方法獲得的銅基的摩擦復合材料燒結體獲得的硬度平均值為HRB58，相對密度為96%，摩擦系數在0.40-0.47之間，并且在室溫-600°C條件下仍然保持在這一范圍之內，且在初期的數秒之后摩擦系數穩定在0.41，表現出了優異的高溫穩定性。實施例4
按質量百分比稱取:銅粉(Cu) 45%，鐵粉(Fe) 15%，氧化硅粉(SiO2) 5% ;上述粉料粒度為-200目，將上述粉料放入三維混料機中經60分鐘均勻混合，然后加入Ti3SiC2 35%(粒度為120-170目)繼續混合30分鐘；將混合好的復合粉料放入石墨模具中，置于熱壓機燒結室上下壓頭之間，關閉燒結室門，抽真空至(6-9) X10_3Pa，然后停止抽真空，充入氬氣；上下壓頭壓力升至15-25MPa，溫度950°C，并在此溫度下保持30分鐘；保溫結束后，自然冷卻至60°C，關閉氬氣，取出石墨模具，拆解模具，取出復合摩擦材料塊體。采用上述方法獲得的銅基的摩擦復合材料燒結體獲得的硬度平均值為HRB62，相對密度為97%，摩擦系數在0.41-0.47之間，并且在室溫-600°C條件下仍然保持在這一范圍之內，且在初期的數秒之 后摩擦系數穩定在0.43，表現出了優異的高溫穩定性。實施例5
按質量百分比稱取:銅粉(Cu) 40%,鎳粉(Ni ) 4%，鐵粉(Fe) 15%，氧化硅粉(SiO2) 5%，鉻粉(Cr) 2% ;上述粉料粒度為-200目，將上述粉料放入三維混料機中經60分鐘均勻混合，然后加入Ti3AlC2 32% (粒度為120-170目)，硫化鑰粉(MoS2)2%，繼續混合30分鐘；將混合好的復合粉料放入石墨模具中，置于熱壓機燒結室上下壓頭之間，關閉燒結室門，抽真空至(6-9) X10_3Pa，然后停止抽真空，充入氬氣；上下壓頭壓力升至45-50MPa，溫度850°C，并在此溫度下保持30分鐘；保溫結束后，自然冷卻至60°C，關閉氬氣，取出石墨模具，拆解模具，取出復合摩擦材料塊體。采用上述方法獲得的銅基的摩擦復合材料燒結體獲得的硬度平均值為HRB57，相對密度為93%，摩擦系數在0.40-0.46之間，并且在室溫-600°C條件下仍然保持在這一范圍之內，且在初期的數秒之后摩擦系數穩定在0.40，表現出了優異的高溫穩定性。實施例6
按質量百分比稱取:銅粉(Cu) 50%，鐵粉(Fe) 15%，氧化硅粉(SiO2) 5%，上述粉料粒度為-200目，將上述粉料放入三維混料機中經60分鐘均勻混合，然后加入Ti2AlN 30% (粒度為120-140目)，繼續混合30分鐘；將混合好的復合粉料放入石墨模具中，置于熱壓機燒結室上下壓頭之間，關閉燒結室門，抽真空至(6-9) X10_3Pa，然后停止抽真空，充入氬氣；上下壓頭壓力升至45-50MPa，溫度850°C，并在此溫度下保持30分鐘；保溫結束后，自然冷卻至60°C，關閉氬氣，取出石墨模具，拆解模具，取出復合摩擦材料塊體。采用上述方法獲得的銅基的摩擦復合材料燒結體獲得的硬度平均值為HRB56，相對密度為93%，摩擦系數在0.39-0.46之間，并且在室溫-600°C條件下仍然保持在這一范圍之內，且在初期的數秒 之后摩擦系數穩定在0.40，表現出了優異的高溫穩定性。
權利要求
1.一種以Μη+1ΧΑη層狀化合物為減摩相的剎車片摩擦材料，其特征是:各組分原料的質量百分比為:銅20-60%，鎳0-20%，鐵5-15%，氧化硅3_10%，鉻0_10%，硫化鑰0_4%，Mn+1XAn15-35% ;所述原料為工業純。
2.根據權利要求1所述的以Μη+1ΧΑη層狀化合物為減摩相的剎車片摩擦材料，其特征是:所述原料的粒度為:Mn+1XAn的粒度為70-170目，其余原料的粒度為-200目。
3.根據權利要求1所述的以Μη+1ΧΑη層狀化合物為減摩相的剎車片摩擦材料，其特征是:所述 ^4 包括 Ti3SiC2Ji3AlC2 及 Ti2AlN, Mn+1XAn 中含有 MA 類雜質相，如 TiC、TiN，MA類雜質相的含量彡Mn+1XAn質量的8%。
4.一種根據權利要求1所述的以Μη+1ΧΑη層狀化合物為減摩相的剎車片摩擦材料制備方法，包括如下步驟: ⑴.原料配混:按所述配比稱取各組分粉料，采用分級混合方法，先將銅、鎳、鐵、氧化硅、鉻及硫化鑰，放入三維混料機中混合40-80分鐘，然后加入減摩材料Mn+1XAn，繼續混合10-20分鐘，制成復合粉體； ⑵.組裝:將混合均勻的復合粉體按需要質量稱取，并裝入合適的石墨模具中，合上上下壓頭密封； (3).熱壓燒結:將上述裝填好復合粉體的石墨模具置于放電燒結機或熱壓燒結機加熱倉的上下壓頭之間，放好后關 閉加熱倉，抽真空至(6-9) Xl(T3Pa，進行燒結，燒結溫度:·850-950°C，保溫時間:10-40min，升溫速度:100°C /min，壓頭壓力:15_60MPa ;保溫完成后，自然冷卻至200°C以下泄壓，自然冷卻至80°C以下停止抽真空；自然冷卻至50°C以下，解除真空，打開加熱倉，取出燒結體。
全文摘要
一種以Mn+1XAn層狀化合物為減摩相的剎車片摩擦材料及制備方法，所述摩擦材料各組分原料的質量百分比為銅20-60%，鎳0-20%，鐵5-15%，氧化硅3-10%，鉻0-10%，硫化鉬0-4%，Mn+1XAn15-35%；上述原料為工業純。所述摩擦材料的制備方法，包括如下步驟⑴原料配混；⑵組裝；⑶熱壓燒結。本發明獲得的銅基摩擦復合材料燒結體的硬度為HRB56-65，相對密度為92-94%。摩擦系數在0.38-0.53之間，在室溫-600℃條件下仍然保持在這一范圍之內，且在初期的數秒之后摩擦系數穩定在0.40-0.43左右，表現出了優異的高溫穩定性，可完全滿足高速列車剎車片的使用要求。
文檔編號C22C32/00GK103184385SQ201310108878
公開日2013年7月3日 申請日期2013年4月1日 優先權日2013年4月1日
發明者王明智, 孟凡愛, 趙玉成, 李曉普, 馮兵強, 張興旺 申請人:燕山大學