一种铜基复合材料摩擦块的连续气压烧结方法

摘要

一种铜基复合材料摩擦块的连续气压烧结方法，属于列车制动系统领域。其特征在于：铜基复合材料摩擦块由铜粉、铁粉、鳞片石墨、二硫化钼、氧化铝、铬铁矿构成，各成分均匀混合并冷压成形后，采用连续烧结设备对素坯进行烧结；烧结过程中采用气压烧结，炉腔内气体压力0.5-3MPa，由氢气和氮气气氛混合构成。本发明克服了传统钟罩炉或热压炉间歇烧结导致的批次间样品性能的波动和差异性，避免了间歇烧结批次间重复加热与降温的能耗浪费。本发明所制备材料具有各个方向上的密度均匀性和结构连续性，有利于稳定摩擦性能，吸声降噪。产品性能优于传统烧结方法的产品性能，生产成本低，生产效率高，易于实现批量化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速列车铜基复合材料摩擦块的制备工艺，属于列车制动系 统领域。

技术背景

铜基复合材料摩擦块是高速列车盘形制动装置的关键部件，由铜基摩擦体与 起强度支撑作用的钢背连接而构成，并通过具有特殊结构的钢连接件连接在装配 背板上组成完整刹车片。铜基摩擦体以铜粉为主体，并添加有合金粉、陶瓷粉、 润滑粉体等多种摩擦调节成分，经混合、成型、烧结三个主要工艺过程，制成为 摩擦系数稳定性高、导热好、热容高、耐高温、耐雨雪的复合材料。

目前，铜基复合材料摩擦块一般在钟罩式烧结炉或热压烧结炉中进行烧结， 如专利201210082460.4,专利200910067243.6，专利201210001828.X等所述， 样品经过冷压成形后置入炉中，在烧结过程中对样品进行机械加压。这种烧结方 式，受到单炉装件量限制，生产效率较低，重复升温与降温过程存在热能的浪费。 机械加压方式难以保证样品在受力方向上密度均匀性，容易导致后期使用过程中 内部缺陷的产生。也有部分摩擦材料，如专利200510110161.7所述，采用平敷 粉体后，无压烧结-轧制-烧结的方式，制备工艺复杂，且不适用于摩擦层较厚的 摩擦材料。本发明使用连续烧结设备，该设备多用于铜片、铜浆和某些电子元件 的处理过程，属于根据不同产品工艺进行定制的非标设备。结合本发明要求的制 备工艺，在设备温度和气体压力调节稳定后，即可实现连续不间断生产，大大提 高了生产效率和热能利用率。对于气压烧结方式，目前主要用于氮化硅陶瓷（专 利201110120112.7等）、高耐磨Ti（C,N）基金属陶瓷刀具（专利200810031706.9）、 复合碳化物颗粒增强钨基复合材料（专利02107639.1）等以陶瓷基和金属陶瓷 基为主的产品的制备。以上陶瓷材料的气压烧结为间歇式烧结，烧结压力通常在 20MPa以上,无法实现连续烧结。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速列车用铜基复合材料摩擦块的连续气压烧 结制备工艺。通过连续烧结和气压烧结保证样品质量的稳定性，并能得到密度均 匀性高、摩擦性能稳定、吸声降噪的高质量产品。

连续气压烧结包括以下制备工艺：

1.按用户配方要求将铜粉、铁粉、鳞片石墨、二硫化钼、氧化铝、铬铁矿按 比例称量，其中铜与铁两者比例为2:1-6:1，各成分均匀混合并冷压成形 后，准备进行连续气压烧结。

2.调节连续烧结设备的运行速率为35-120mm/min，780-1200℃，保温时间 10-180min。

3.调节烧结过程中气体压力，炉腔内气体压力0.5-3MPa，由氢气和氮气按 体积比1:2-1:9的比例构成。

4.样品随传动装置依次经过预热区、低温区、高温区、冷却区，完成烧结过 程，出炉后温度＜40℃。

本发明的有益效果是，提供了一种生产效率高、产品质量可靠的铜基复合材 料摩擦块制备工艺。摩擦块成型后，可直接入炉连续烧结，无须受传统制备工艺 中单炉装件量限制；克服了传统间歇烧结导致的批次间样品性能的波动和差异 性，避免了间歇烧结批次间重复加热与降温的能耗浪费。气压烧结与传统机械加 压烧结方式不同，所制备材料具有各个方向上的密度均匀性和结构连续性，有利 于稳定摩擦系数，吸声降噪。经测试，样品任意三点处密度差≤±0.02g/cm³。 由于摩擦块在列车制动过程中承受着巨大的压应力、剪切应力和热应力，属于易 耗部件，时速300Km/h高铁制动摩擦块的更换周期在3个月左右。因此，本发明 提供的制备工艺产品质量好、性能稳定、生产效率高、成本低，可以满足市场对 于产品的巨大需求。

附图说明

图1对摩擦块断口进行扫描电镜观察。基体成分均匀，具有均匀弥散分布 的微观结构。

图2不同条件下烧制的样品从低速到高速的变化过程中，具有稳定的摩擦系 数。Sample1-5分别对应实施例1-5样品的摩擦系数变化。

具体实施例

实施例1

按配方要求将铜粉、铁粉、鳞片石墨、二硫化钼、氧化铝、铬铁矿按比例称 量，其中铜与铁两者比例6:1。各成分均匀混合并冷压成形后，准备进行连续气 压烧结。调节连续烧结设备的运行速率为35mm/min，烧结温度780℃，保温时间 180min。调节炉腔内气体压力为0.5MPa，由氢气和氮气按体积比1：2的比例构 成。按样品与样品之间横向间距大小1.5倍于样品横截面积，纵向间距大小2 倍于样品横截面积的方式摆放样品与传动装置上，样品随传动装置入炉进行烧 结。依次经过预热区、低温区、高温区、冷却区，完成烧结过程，出炉后温度＜ 40℃。经测试，样品任意三点处密度为4.63g/cm³，4.65g/cm³,4.65g/cm³，密度 差≤±0.02g/cm³。

实施例2

按配方要求将铜粉、铁粉、鳞片石墨、二硫化钼、氧化铝、铬铁矿按比例称 量，其中铜与铁两者比例6:1。各成分均匀混合并冷压成形后，准备进行连续气 压烧结。调节连续烧结设备的运行速率为45mm/min，烧结温度890℃，保温时间 120min。调节炉腔内气体压力为1MPa，由氢气和氮气按体积比1：4的比例构成。 按样品与样品之间横向间距大小1.5倍于样品横截面积，纵向间距大小2倍于样 品横截面积的方式摆放样品与传动装置上，样品随传动装置入炉进行烧结。依次 经过预热区、低温区、高温区、冷却区，完成烧结过程，出炉后温度＜40℃。经 测试，样品任意三点处密度为4.68g/cm³，4.67g/cm³,4.69g/cm³，密度差≤± 0.02g/cm³。

实施例3

按配方要求将铜粉、铁粉、鳞片石墨、二硫化钼、氧化铝、铬铁矿按比例称 量，其中铜与铁两者比例4:1。各成分均匀混合并冷压成形后，准备进行连续气 压烧结。调节连续烧结设备的运行速率为80mm/min，烧结温度960℃，保温时间 60min。调节炉腔内气体压力为1MPa，由氢气和氮气按体积比1：5的比例构成。 按样品与样品之间横向间距大小1.5倍于样品横截面积，纵向间距大小2倍于样 品横截面积的方式摆放样品与传动装置上，样品随传动装置入炉进行烧结。依次 经过预热区、低温区、高温区、冷却区，完成烧结过程，出炉后温度＜40℃。经 测试，样品任意三点处密度为4.75g/cm³，4.77g/cm³,4.75g/cm³，密度差≤± 0.02g/cm³。

实施例4

按配方要求将铜粉、铁粉、鳞片石墨、二硫化钼、氧化铝、铬铁矿按比例称 量，其中铜与铁两者比例3:1。各成分均匀混合并冷压成形后，准备进行连续气 压烧结。调节连续烧结设备的运行速率为100mm/min，烧结温度1050℃，保温时 间30min。调节炉腔内气体压力为2MPa，由氢气和氮气按体积比1：9的比例构 成。按样品与样品之间横向间距大小1.5倍于样品横截面积，纵向间距大小2 倍于样品横截面积的方式摆放样品与传动装置上，样品随传动装置入炉进行烧 结。依次经过预热区、低温区、高温区、冷却区，完成烧结过程，出炉后温度＜ 40℃。经测试，样品任意三点处密度为4.78g/cm³，4.79g/cm³,4.80g/cm³，密度 差≤±0.02g/cm³。

实施例5

按配方要求将铜粉、铁粉、鳞片石墨、二硫化钼、氧化铝、铬铁矿按比例称 量，其中铜与铁两者比例2:1。各成分均匀混合并冷压成形后，准备进行连续气 压烧结。调节连续烧结设备的运行速率为120mm/min，烧结温度1200℃，保温时 间10min。调节炉腔内气体压力为3MPa，由氢气和氮气按体积比1：9的比例构 成。按样品与样品之间横向间距大小1.5倍于样品横截面积，纵向间距大小2 倍于样品横截面积的方式摆放样品与传动装置上，样品随传动装置入炉进行烧 结。依次经过预热区、低温区、高温区、冷却区，完成烧结过程，出炉后温度＜ 40℃。经测试，样品任意三点处密度为4.87g/cm³，4.89g/cm³,4.88g/cm³，密度 差≤±0.02g/cm³。