本發明屬于軌道交通領域，尤其涉及一種高速列車制動用摩擦材料及其制備方法、高速列車剎車塊和高速列車閘片。
背景技術：
高鐵作為現代社會的一種新的運輸方式，在運行速度、運輸能力、適應自然環境、節能環保等方面具有明顯的優勢。目前，我國國內高速列車運營速度高達350km/h，試驗速度最高時速達605公里。隨著高鐵的飛速的發展，閘片作為決定列車行駛速度、緊急制動、運行安全的關鍵制動部件也正面臨著巨大的市場需求。國內外設計開發了多種可用于制作高速列車閘片的制動用摩擦材料。
例如，us20140109723a1公開了一種粉末冶金摩擦材料，其中fe的含量≥7.5％，銅含量≥50％，石墨含量5-15％，二硫化鉬0.3-10％，且fe/cu比為0.15-0.40。
cn201019185056公開了一種摩擦材料，用于高速列車的制動閘片，包括如下成分：cu50-55％、fe7-8％、sn7-8％、ni3-4％、mn2％、cr3-4％、c(鱗片石墨)13-16％、sic3-6％和moo33-6％。
cn201510137685公開了一種高速列車制動閘片用粉末冶金摩擦材料由以下百分此的原料制成：銅45-65％、鐵1-20％、鉻3-5％、氧化鋯5-15％、錫2-5％、錳2-4％、石墨10-15％、二硫化鉬2-5％、錳鐵1-5％。
cn201610241294公開了一種高速列車剎車片的摩擦材料，由如下組分組成：紫銅粉13.2-23.2％；青銅粉14.6-24.6％；紫銅纖維8.7-18.7％；還原鐵粉8.5-18.5％；氧化鐵2-12％；氧化鉻0.6-1.6％；碳化硅1.3-2.3％；鈦硅碳2.3-4.3％；硫化銻3.2-13.2％；煅燒氧化鋁0.4-1.4％；鱗片石墨1.5-11.5％；鋅粉0.8-1.8％；石油焦炭1.5-3.5％；芳綸漿柏0.4-1.4％。
現有高速列車制動用摩擦材料為了保證摩擦材料強度，通常添加有多種合金組元，導致原材料成本增加的同時，由于原材料種類繁多，也大幅度提高了生產過程中的工藝、檢驗及管理成本；與此同時，為了保證材料高速下具有較高的摩擦系數，現有高速列車制動用摩擦材料中通常添加sic、sio2、al2o3等陶瓷硬質相做作為摩擦組元，然而，由于陶瓷硬質相硬度高且與基體的結合性較差，高速制動時容易剝落，致使在高速制動時材料的制動性能不穩定而且容易劃傷制動盤；再有，現有高速列車制動用摩擦材料為了確保不同制動速度下粉末冶金摩擦材料的摩擦磨損性能的穩定，通常會添加一定量的mos2作為潤滑組元，由于mos2粉末松裝密度過小混料過程中易形成浮塵且容易分層均勻性較差，同時由于mos2價格高，導致原材料成本高。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的問題，本發明提出一種低成本、工藝簡單、摩擦性能穩定、耐磨性極佳且能夠滿足高速列車制動用粉末冶金末材料。
為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：
一種高速列車制動用摩擦材料，所述摩擦材料包括如下述重量份的各組分：銅40-60份、錫1-5份、鐵10-20份、摩擦組元16-35份和潤滑組元8-18份。
優選的，所述摩擦組元包含如下重量份的組分：氧化鋯5-10錳鐵10-20份和鎢1-5份。
優選的，所述潤滑組元僅為石墨。
其中cu為基體組元為其他組元提供骨架支持，sn為合金強化組元強化基體組元，鐵、鎢、氧化鋯、錳鐵與基體組元結合性好、硬度適中、高溫性能優異，為摩擦組元制動時提供摩擦力，使材料均勻性和耐摩擦性能都十分優異，石墨潤滑組元調節摩擦力及摩擦表面狀態。
本發明采用sn進行合金強化，獲得能夠滿足高速列車制動用的高剪切強度粉末冶金摩擦材料。與現有技術采用mn、ni、cr等多種合金組元進行合金強化的相比，sn具有原料單一用量少、成本低的優點，sn作為合金元素可以強化cu基體，過低的sn含量合金強化作用不明顯，過高的sn含量對cu基體強化過度，通過sn合金強化獲得能夠滿足高速列車制動用摩擦材料對抗剪切強度的要求。
鎢、氧化鋯、錳鐵，作為摩擦組元與基體組元結合性好、硬度適中、高溫性能優異，氧化鋯和錳鐵具有適中的硬度，與制動盤硬度匹配性好，制動時不易損傷制動盤同時保證材料具有較好的摩擦性能，鎢與銅相容性好，高溫下具有良好的硬度，可以保證高速制動高溫下，材料摩擦磨損性能，通過優化組合，獲得了能夠滿足高速列車在高速制動時摩擦磨損性能穩定、不損傷制動盤的粉末冶金末摩擦材料。
與現有技術采用石墨和mos2等多種潤滑組元的技術方案相比，本發明優化石墨的含量，僅使用石墨作為潤滑組元，通過控制材料金相組織結構及密度，獲得能夠滿足高速列車不同速度制動摩擦磨損性能穩定的粉末冶金摩擦材料。
為實現本發明的目的，還提供一種高速列車制動用摩擦材料的制備方法，包括如下步驟：
(a)配料混料：按照所述比例稱取所述銅、錫、鐵、氧化鋯、錳鐵、鎢和石墨的粉末原材料，并稱取航空煤油與所述粉末原材料預混后，充分混合均勻，得到混合料；
(b)壓制成型：將所述步驟(a)得到的混合料壓制成型，得到生坯；
(c)燒結成型：將所述步驟(b)得到的生坯與鋼背板粘接后，裝入燒結爐在還原性氣氛下進行加壓燒結，冷卻出爐，制備得到所述高速列車制動用摩擦材料。
進一步的，所述步驟(a)中，稱取航空煤油與所述粉末原材料預混后，放入三維混料機中，混合200分鐘-300分鐘，充分混合均勻，得到混合料；
進一步的，所述步驟(a)中，稱取航空煤油的重量份數為1-3份。
進一步的，所述步驟(b)中，壓制密度為4.8g/cm3-5.3g/cm3。
進一步的，所述步驟(c)中，燒結溫度為900℃-1000℃、燒結壓力為5mpa-15mpa、燒結時間為100分鐘-300分鐘。保證材料各組元間充分燒結性能達到設計設計要求，同時能夠保證各批次燒結材料性能穩定。
進一步的，述步驟(c)中，還原性氣氛為氫氣或氨氣。
作為一個總的技術構思，本發明另一方面提供了一種高速列車剎車塊，所述高速列車剎車塊由上述的高速列車制動用摩擦材料或者由上述制備方法制備得到的高速列車制動用摩擦材料制備得到。
作為一個總的技術構思，本發明另一方面還提供了一種高速列車閘片，所述高速列車閘片包括上述的高速列車剎車塊。
與現有技術相比，本發明的優點在于：
本發明的高速列車制動用摩擦材料生產原材料簡單、制作成本低、工藝檢驗成本低、性能均一性好、能夠滿足高速列車制動技術要求。本發明的高速列車制動用摩擦材料的硬度為10～30hbw、抗剪切強度大于10mpa、摩擦系數穩定在0.30～0.38之間，磨損量不高于9um·side-1·cycle-1，對偶磨損不高于3um·side-1·cycle-1完全能滿足300～350km/h及以上動車組粉末冶金閘片技術要求。
具體實施方式
為了便于理解本發明，下文將結合較佳的實施例對本文發明做更全面、細致地描述，但本發明的保護范圍并不限于以下具體實施例。
除非另有定義，下文中所使用的所有專業術語與本領域技術人員通常理解含義相同。本文中所使用的專業術語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發明的保護范圍。
除非另有特別說明，本發明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設備等均可通過市場購買得到或者可通過現有方法制備得到。
實施例1：
本實施例的高速列車制動用摩擦材料包括如下重量份的各組分：銅40份、鐵15份、錫1份、錳鐵22份、氧化鋯11份、鎢1份、石墨10份。
本實施例的高速列車制動用摩擦材料是通過如下方法制備得到的：
(a)配料混料：按照配方比例稱取銅、鐵、錫、錳鐵、氧化鋯、鎢、石墨的粉末原材料，將粉末原材料與2份航空煤油預混后，放入三維混料機中，混合200分鐘，充分混合均勻，得到混合料；
(b)壓制成型：將混合料裝入400噸壓機的自動模具中壓制成型，壓制密度為5.2g/cm3，得到生坯；
(c)燒結成型：將生坯與鋼背板粘接好后裝入燒結爐加壓燒結，在燒結溫度為900℃、壓力為8.0mpa條件下，燒結時間200分鐘，冷卻出爐，得到高速列車制動用摩擦材料。
本實施例的高速列車制動用摩擦材料制備方法步驟(b)中采用的自動模具為與高速列車用剎車塊形狀相適應的的模具，制備得到本實施例的高速列車剎車塊。
將本實施例的高速列車剎車塊與機加工成型的鋼背燕尾板鉚接在一起，得到閘片成品。
根據本實施例的閘片測得閘片的物理力學性能如表1所示：
表1實施例1所得閘片的力學性能
根據本實施例的閘片測得的mm-3000摩擦磨損試驗機制動試驗結果如表2所示：
表2實施例1所得閘片的制動試驗數據
實施例2：
本實施例的高速列車制動用摩擦材料由包括如下重量份的各組分：銅45份、鐵13份、錫1份、錳鐵14份、氧化鋯12份、鎢粉1份、石墨14份。
本實施例的高速列車制動用摩擦材料是通過如下方法制備得到的：
(a)配料混料：按照配方比例稱取銅、鐵、錫、錳鐵、氧化鋯、鎢、石墨的粉末原材料，將粉末原材料與2份航空煤油預混后，放入三維混料機中，混合250分鐘，充分混合均勻，得到混合料；
(b)壓制成型：將混合料裝入400噸壓機的自動模具中壓制成型，壓制密度為5.1g/cm3，得到生坯；
(c)燒結成型：將生坯與鋼背板粘接好后裝入燒結爐加壓燒結，在燒結溫度為900℃、壓力為7.0mpa條件下，燒結時間200分鐘，冷卻出爐，得到高速列車制動用摩擦材料。
本實施例的高速列車制動用摩擦材料制備方法步驟(b)中采用的自動模具為與高速列車用剎車塊形狀相適應的的模具，制備得到本實施例的高速列車剎車塊。
將本實施例的高速列車剎車塊與機加工成型的鋼背燕尾板鉚接在一起，得到閘片成品。
根據本實施例的閘片測得閘片的物理力學性能如表3所示：
表3實施例2所得閘片的力學性能
根據本實施例的閘片測得的mm-3000摩擦磨損試驗機制動試驗結果如表4所示：
表4實施例2所得閘片的制動試驗數據
實施例3：
本實施例的高速列車制動用摩擦材料由包括如下重量份的各組分：銅55份、鐵9份、錫2份、錳鐵10份、氧化鋯10份、鎢1份、石墨13份。
本實施例的高速列車制動用摩擦材料是通過如下方法制備得到的：
(a)配料混料：按照配方比例稱取銅、鐵、錫、錳鐵、氧化鋯、鎢、石墨的粉末原材料，將粉末原材料與2份航空煤油預混后，放入三維混料機中，混合300分鐘，充分混合均勻，得到混合料；
(b)壓制成型：將混合料裝入400噸壓機的自動模具中壓制成型，壓制密度為5.0g/cm3，得到生坯；
(c)燒結成型：將生坯與鋼背板粘接好后裝入燒結爐加壓燒結，在燒結溫度為900℃、壓力為8.0mpa條件下，燒結時間200分鐘，冷卻出爐，得到高速列車制動用摩擦材料。
本實施例的高速列車制動用摩擦材料制備方法步驟(b)中采用的自動模具為與高速列車用剎車塊形狀相適應的的模具，制備得到本實施例的高速列車剎車塊。
將本實施例的高速列車剎車塊與機加工成型的鋼背燕尾板鉚接在一起，得到閘片成品。
根據本實施例的閘片測得閘片的物理力學性能如表5所示：
表5實施例3所得閘片的力學性能
根據本實施例的閘片測得的mm-3000摩擦磨損試驗機制動試驗結果如表6所示：
表6實施例3所得閘片的制動試驗數據
實施例4：
本實施例的高速列車制動用摩擦材料由包括如下重量份的各組分：銅60份、鐵10份、錫2份、錳鐵10份、氧化鋯8份、鎢1份、石墨9份。
本實施例的高速列車制動用摩擦材料是通過如下方法制備得到的：
(a)配料混料：按照配方比例稱取銅、鐵、錫、錳鐵、氧化鋯、鎢、石墨的粉末原材料，將粉末原材料與2份航空煤油預混后，放入三維混料機中，混合300分鐘，充分混合均勻，得到混合料；
(b)壓制成型：將混合料裝入400噸壓機的自動模具中壓制成型，壓制密度為5.3g/cm3，得到生坯；
(c)燒結成型：將生坯與鋼背板粘接好后裝入燒結爐加壓燒結，在燒結溫度為900℃、壓力為6.0mpa條件下，燒結時間200分鐘，冷卻出爐，得到高速列車制動用摩擦材料。
本實施例的高速列車制動用摩擦材料制備方法步驟(b)中采用的自動模具為與高速列車用剎車塊形狀相適應的的模具，制備得到本實施例的高速列車剎車塊。
將本實施例的高速列車剎車塊與機加工成型的鋼背燕尾板鉚接在一起，得到閘片成品。
根據本實施例的閘片測得閘片的物理力學性能如表7所示：
表7實施例3所得閘片的力學性能
根據本實施例的閘片測得的mm-3000摩擦磨損試驗機制動試驗結果如表8所示：
表8實施例4所得閘片的制動試驗數據
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。