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高铁制动用的粉末冶金摩擦材料是怎么“炼”成的?
2020年10月16日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:198
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“高铁”是我们日常中最常用的出行方式之一,超过200km/h的速度及密布全国的铁路网使得人们可以用很短的时间就到达目的地。而为了确保高铁的行驶安全,决定列车行驶速度、紧急制动能力“刹车片”的制定一直都是列车设计方案中的重中之重。

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按国际铁路联盟(UIC)规定:机械摩擦制动必须保证高速列车在规定的制动距离内停车,以确保列车运行的安全。由于列车的车速与制动功率呈3次方关系。即列车速度提高一倍,它的制动功率就需要增加八倍。因此在列车速度提高的同时,列车的制动装置也必须具有更大的制动能力,所以刹车片性能的好坏成为了关键。

一、好的刹车片是什么样的?

具体来说,可以分为以下几点:

高的摩擦系数稳定性在高的温度、压力和速度情况下,需要闸片的摩擦系数足够高,并且有足够的稳定性。

高的抗粘结性不与摩擦副工作表面发生粘结,不产生摩擦表面的剥落、擦伤、焊结及其他毁坏性的破坏。

高的耐热性要能保持瞬时摩擦升温到900~1000℃和长时间摩擦升温到300~400℃时,其机械性能和摩擦性能基本保持不变。

高的热物理稳定性摩擦材料应当能承受频繁的热变化,即能抗热疲劳,同时还应具有相当高的导热系数、比热值和尽可能小的线性膨胀系数。

足够的机械强度材料不应产生破裂、分层、深裂纹、剥落和与钢背剥离的情况;保证可行的磨损速率。

高的耐磨性耐磨性主要取决于闸片的工况条件。对于粉末冶金材料闸片,UIC允许的磨耗量是0.35 cm2/MJ,以保证动车组闸片有足够长的寿命。

高的环境友好性制动时应平稳、噪音低材料中不能加入不利于环保的石棉、铅应能长期在潮湿环境下和温度范围在~60~+50 ℃下具有较强的抗腐蚀性。

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CRH2动车制动闸片

二、刹车片对原材料的要求

显然,高速列车刹车片的制备是一项难度很高的关键技术,发展至今主要经历了铸铁材料、合成材料、碳/碳复合材料、粉末冶金材料等几类。其中,粉末冶金摩擦材料具有足够的强度,合适而稳定的摩擦因数,工作平稳可靠,耐磨及污染少等优点,被广泛应用在各国的高速列车上,是现代摩擦材料家族中应用面最广、量最大的材料。

粉末冶金摩擦材料得制作主要包括以下工序:对粉末原材料进行配比设计、粉料混合、模压成形、加压烧结和后续机械加工。由于在组分的设计上极具灵活性,因此对于粉末冶金摩擦材料来说,起跑线成分的选择”是非常关键的,主要可分为以下三大部分:基体组元、摩擦组元和润滑组元。

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摩擦块分布采用大间隙布局,有利于制动时磨削物及时排

1.基体组元

粉末冶金摩擦材料的强度、耐磨性在很大程度上取决于基体的组织结构、物理和化学性质,常用基体组元有Cu、Ni、Fe、Al、Zn、Sn、Mn、Ti等金属或其合金,最常用的金属基体为Fe粉和Cu粉,但单一金属基体的力学强度不高,表面易氧化,摩擦性能不稳定,因此,在实际运用中通常使用合金基体,在基体组元中添加强化元素,如Ni、Fe、Sn、Zn、Mo等形成金属固溶强化,能够增强基体,稳定摩擦因数,改善热传导性能。

Cu基粉末冶金摩擦材料具有高的导热率、良好的塑性、易烧结等优点,但是其力学性能较低,价格相对较高,因此必须进行合金化。常用的有Cu-Sn合金、Al-Cu合金、Cr-Cu合金等,同时还要添加其他微量元素如Zr、Ni、Zn、W等进行调节。

2.润滑组元

润滑组元的主要作用是改善摩擦性能,减小粉末之间的摩擦阻力,增强压制过程中粉末的流动性,提高材料的耐磨性和抗咬合性,减小摩擦面之间的黏结和卡滞作用。粉末冶金材料中常用的润滑组元有Pb、Bi、Sb等低熔点金属,石墨,MoS2等固体润滑剂,某些氧化物、磷化物以及BN等。

其中,鳞片状石墨与MoS2最常被用作润滑组元。石墨熔点高达4000℃,因此其耐高温性能极为优良,分为天然鳞片石墨和人造颗粒石墨。粉末冶金摩擦材料一般使用中粗石墨。Cu基材料中加入石墨,能提高材料的耐磨性能,有利于摩擦平稳,改进摩擦性能。在低摩擦因数要求的材料中一般只加入鳞片石墨即可,而在对摩擦因数要求较高的高铁制动材料中,要减少鳞片石墨的用量,增加颗粒石墨的加入。MoS2通常与石墨进行混合使用,MoS2在低速摩擦时起润滑作用,石墨在高速摩擦时起润滑作用,从而保证粉末冶金摩擦材料的摩擦因数稳定,磨损率低

3.摩擦组元

摩擦组元主要是改善摩擦材料的摩擦性能,增加摩擦因数,也称增摩剂。摩擦组元可以由多种熔点较高的金属、金属化合物或陶瓷颗粒组成,它们能够与基体结合,均匀分布在其中,起到增摩、耐磨、耐热、减少摩擦面黏结等作用,特别是在高温下与基体合金化,可阻止基体流动,增强耐磨性。

为了保证摩擦副表面达到最好的啮合程度,必须采用良好的摩擦组元,摩擦组元对材料的摩擦因数和磨损率均有很大的影响作用,其含量和粒度是摩擦组元的基本特性,粒度偏大或者含量偏高均会造成磨粒磨损而使得磨损加剧,擦伤对偶件,造成磨损量较高。常用的摩擦组元有TiC、SiC、TiN、高熔点金属(Ni、Fe、Mo)粉末、金属氧化物(Al2O3SiO2Fe2O3)以及莫来石、硼化物等,通常使用的摩擦组元是以组合的形式添加到材料中,比添加单独的摩擦组元综合性能更好

资料来源:

粉末冶金摩擦材料的应用现状及对原材料的要求,王秀飞,尹彩流。

高铁制动用粉末冶金摩擦材料的制备及性能研究,王晔。

高速列车粉末冶金制动闸片的制备与摩擦磨损性能研究,赵翔。

粉体圈NANA整理


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