一种新型刹车片及制备方法

技术领域

本申请涉及制动系统刹车片技术领域，尤其涉及一种新型刹车片及制备方法。

背景技术

中国发明专利申请CN116447256A公开了一种刹车片及其制备方法，包括65wt％-75wt％的铍青铜粉或铝青铜粉，3-5wt％的金属粉末，15-25wt％的陶瓷晶须，6-15wt％的固体润滑剂，用于解决高速高负载下连续制动时，刹车片产生大量高温磨屑、刹车片摩擦系数出现衰退的问题。

中国发明专利申请CN105927686A提供了一种高速列车刹车片的摩擦材料及制备方法，包括紫铜粉13.2-23.2wt％，青铜粉14.6-24.6wt％，紫铜纤维8.7-18.7wt％，还原铁粉8.5-18.5wt％，氧化铁2-12wt％，氧化铬0.6-1.6wt％，碳化硅1.3-2.3wt％，钛硅碳2.3-4.3wt％，硫化锑3.2-13.2wt％，煅烧氧化铝0.4-1.4wt％，鳞片石墨1.5-11.5wt％，锌粉0.8-1.8wt％，石油焦炭1.5-3.5wt％，芳纶浆柏0.4-1.4wt％，针对现有半金属基合成刹车片摩擦系数不稳定、无法满足高速列车制动需要的问题进行技术改进，改进后抗冲击性能好，不开裂，热冲击温度可达550℃，在摩擦升温的情况下摩擦系数在0.5-0.55之间平稳变化，磨损率较低使用寿命长。

随着我国东北、西北几条高寒地区高铁线路的相继开通，冬季因金属镶嵌导致的刹车片、制动盘划伤时有发生，目前对此情况没有良策，只能发现后更换制动盘和刹车片，增加了检修人员的工作强度和运营维护费用，高速运行时，若金属镶嵌物等脱落，易打伤转向架或其他车下设备，严重时甚至脱轨。应用于高寒地区动车组的制动盘及刹车片与应用在其他地区高速列车的制动盘及刹车片是相同的产品，且运营情况良好。刹车片、制动盘划伤多发生在降雪前后，之所以在哈大线冬季出现制动盘异常磨耗，主要还是异常严寒冰冻天气的特殊环境成为制动盘异常磨耗的诱因。因此研制一种适用于高寒地区运用的刹车片工作迫在眉睫。

金属镶嵌发生的两个因素：潮湿环境和硬质点在刹车片、制动盘之间。动车组高速运行时，转向架部位产生局部压差和涡流，容易使卷起空气中和线路上的冰雪附着在转向架部位，特别是基础制动被冰雪包围更容易造成制动摩擦副工作在潮湿环境，从而形成产生金属镶嵌的环境因素。路基上沙粒和摩擦材料磨屑中铝、硅等化合物作为硬质点的来源，被冻在刹车片摩擦块间隙或表面，制动时产生的热量使冰雪融化，硬质点来到摩擦面与制动盘摩擦，产生金属磨屑或切削出金属丝，由此产生的金属切削物持续磨削制动盘表面并导致金属在刹车片表面堆积，造成对刹车片、制动盘摩擦表面异常划伤。为解决金属镶嵌导致的刹车片和制动盘划伤，减少刹车片摩擦块之间和摩擦块周围隐藏硬质异物的空间是的有效途径之一，因此可以取消了现有刹车片摩擦块的分体结构，取消各摩擦块之间的间隙和摩擦块中间孔，刹车片摩擦体采用一体压制和烧结，由于粉末冶金材料压制需要的单位压力过大，一般设备都无法达到，并且压制的均匀性无法保证，因此需要对现有粉末冶金从工艺和材料进行改进。

发明内容

本申请的目的在于提供一种新型刹车片，为了解决高寒地区雨雪天气下刹车片和制动盘的金属镶嵌问题，减少刹车片摩擦块之间和摩擦块周围隐藏硬质异物的空间，取消了摩擦材料之间的间隙和中间孔。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种新型刹车片，包括摩擦体、钢背、燕尾块，所述摩擦体与钢背一体压制烧结成型，所述燕尾块固定在所述钢背上。

减少摩擦块之间和摩擦块周围隐藏硬质异物的空间，刹车片由摩擦体与钢背采用一体压制、烧结而成，摩擦面平整没有缝隙，摩擦体边缘为减少隐藏硬质异物采用弧面，摩擦体下面钢背起到支撑摩擦体作用，外形与摩擦体相同。

作为一种优选，燕尾块与钢背一体铸造。

作为一种优选，燕尾块通过铆钉和钢背、摩擦体连接。

作为一种优选，钢背和燕尾块上面有6个铆钉孔。

作为一种优选，钢背厚度为6mm。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为新型刹车片结构示意图；

1，摩擦体；2，钢板；3，燕尾块；4，铆钉

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图对新型刹车片的结构进行说明。

如图1所示，新型刹车片由摩擦体1，钢背2，燕尾块3和铆钉4组成，为减少刹车片摩擦块之间和摩擦块周围隐藏硬质异物的空间，刹车片由摩擦体与钢背采用一体压制、烧结而成，摩擦面平整没有缝隙，摩擦体边缘为减少隐藏硬质异物采用弧面，摩擦体下面钢背起到支撑摩擦体作用，外形与摩擦体相同，为了和燕尾块组装，钢背上面有6个铆钉孔；燕尾块起到和摩擦片安装接口的作用，通过铆钉和钢背、摩擦体连接。当然，燕尾块和钢背也可以采用一体铸造后加工，这样可以不使用铆钉，烧结加压时做工装避免燕尾块受力即可。燕尾块和钢背采用铆接方式或者是一体铸造方式，对刹车片的性能没有影响。

所述摩擦体是由50-60wt％青铜粉、5-15wt％低密度铁粉、2-6wt％锌粉、1-5wt％氧化铬绿、8-12wt％结晶碳化铬、1-5wt％结晶碳化钨、3-9wt％人造石墨，6-12wt％短切碳纤维组成。为增加压制的粘接性，需另外添加粘接剂，摩擦体的总重量的1-3wt％聚乙烯蜡粉，压制时和烧结时粘接剂会挥发，在摩擦体中和钢板之间形成空隙。

所述青铜粉为660青铜粉，325目，里面含Zn含量为6％、Sn含量为6％，余量为Cu，在摩擦材料的作用是基体组元，具有优异的加工性能，良好的硬度，强度和耐磨性，优良的抗磨性；

所述低密度铁粉，100目，含铁量98％，表观密度2.3g/cm

所述聚乙烯蜡粉，325目，熔点120度，压制时作为粘接剂通过模具加热融化，可将摩擦体各组分粘接在一起，并且可以减少物料摩擦，降低压制压力的损失，提高压坯密度，提高成型性，脱模过程中，能降低脱模力，延长模具使用寿命，压制时和烧结时聚乙烯蜡粉挥发，在摩擦体中形成空隙，可以调节和稳定摩擦系数，改善摩擦表面状态，降低摩擦体和制动盘的磨损，降低制动噪声；

所述氧化铬绿，325目，具有高的耐磨性、耐蚀性和耐高温性，在摩擦体中起到增摩和稳定摩擦系数的作用；

所述结晶碳化铬，120目，结晶碳化钨；200目，作为摩擦组元，金属碳化物与基体成分有更高的相溶性，结晶碳化物是由结晶体生长而成，其晶粒结构非常致密，晶界少，与普通碳化物具有更优异的力学性能和高温稳定性能，在高温、高压、高速等极端条件下具有出色的耐磨、耐腐蚀和耐高温性能，添加到摩擦体中起到增加摩擦系数、提高热稳定性、降低磨耗的作用；

所述短切碳纤维的规格：3mm-12mm，具有强度大，密度小，耐腐蚀性强，耐高温，高导热的性能，作为润滑组元，在摩擦体中起到温度摩擦系数、保护摩擦对偶面、降低对偶面磨耗的作用。

人造石墨，60-120目，含碳量99％，作为润滑组元，在摩擦体中起到温度摩擦系数、保护摩擦对偶面、降低对偶面磨耗的作用。

所述摩擦体用一块外轮廓相同的钢背支撑，钢背厚度6mm，钢背上有6个铆钉孔，为增加粘接强度钢背镀铜。钢背、燕尾块相应位置上有6个铆钉孔，烧结时铆钉和摩擦体、钢背一起烧结，烧结后铆钉和摩擦体、钢背与燕尾块铆接在一起。

一种新型刹车片的制备方法，包括如下步骤：

S1，压制料的制备：按配方量称重将青铜粉、低密度铁粉、锌粉、氧化铬绿、结晶碳化铬、结晶碳化钨采用高速混合机混合1小时，得到混料；

将所述短切碳纤维和人工石墨、粘结剂与S3中所得到混料用双运动卧式混合机混合0.5小时，得到所述压制料,压制料2-3kg；

S2，压制，采用双腔模具，模具中放置所述钢背和铆钉，模具温度升高到130-180℃，压制料在18-22MPa压力下压制15min成型得到压坯，压制过程中的第0.5、1、3、5、10min将上模冲抬起5s排气；

采用双腔模具，通过电阻丝加热到130-180℃，将钢背放置到模腔内，把铆钉放到钢背上的铆钉孔内，压制料在18-22MPa压力下压制15min成型得到压坯，由于压制时混合料会有少量气体排出，压制过程中的第0.5、1、3、5、10min将上模冲抬起5s排气；

S3，烧结，将S2得到的压坯进行烧结，在钟罩式加压烧结炉里面烧结，烧结温度为850-950℃，最高温度保温时间1-3h，压坯上方施加3-5MPa压力，冷却后得到摩擦体、钢背、铆钉组成的摩擦块；将压制好的压坯在钟罩式加压烧结炉里面烧结，保护气体为15-25％氢气和75-85％的氮气，升温速率5-10℃/min，为排放摩擦体的挥发气体，采用阶梯升温至200℃、300℃、500℃、700℃时，分别保温20min，烧结温度为850-950℃，最高温度保温时间1-3h，施加3-5MPa压力。保温后随炉冷却，冷却速度3-5℃/min，冷却过程施加3-5MPa压力；

S4.将S3得到的摩擦块和燕尾块进行铆接，铆接压力采用3-5MPa，铆接5s。

采用上述技术方案的情况下，将其他材料混合均匀后加入短切碳纤维和人工石墨，其目的在于防止高速混料时其他物料和刀片将短切碳纤维和人工石墨粒径破坏，并且可以减少混料时间。

通过采用上述技术方案的情况下，在还原性气氛下，防止摩擦体中的金属材料在高温的条件下发生氧化，控制升温速率以及阶梯升温方式，避免因温度升高过快导致材料内外受热不均匀，挥发气体排不出来，造成摩擦块裂纹、空芯情况的发生。摩擦块上方施加压力，使得摩擦体更致密，增强刹车片的强度，并且和钢板更好的粘接。

将烧结后的摩擦块钢背上的铆钉和燕尾块进行铆接，铆接压力采用3-5MPa，铆接5s，得到刹车片。

以下结合实施例，对本发明所述的作进一步具体描述。

为直观对比，实施例1-3提供的一种刹车片摩擦体和粘接剂的重量比例有调整，工艺没有变化，所述摩擦体的组分见下表1。

表1

实施例1

本实施例1提供了一种刹车片的制备方法，包括如下步骤：

S1.压制料的制备，称取55wt％660青铜粉、10wt％低密度铁粉、4wt％锌粉、3wt％氧化铬绿、10wt％结晶碳化铬、3wt％结晶碳化钨采用高速混合机混合至少1h，得到混料；

将6wt％人造石墨，9wt％短切碳纤维和粘结剂，粘结剂为摩擦体总重量的2wt％聚乙烯蜡粉与混料用双运动卧式混合机混合0.5h，得到所述压制料；

S2.压制,采用双腔模具，模具中放置所述钢背和铆钉，模具温度升高到160℃，压制料在20MPa压力下压制15min成型得到压坯，压制过程中的第0.5、1、3、5、10min将上模冲抬起5s排气；

S3.烧结，将S2得到的压坯进行烧结，在钟罩式加压烧结炉里面烧结，烧结温度为900℃，最高温度保温时间2h，摩擦体上方施加4MPa压力，冷却后得到摩擦体、钢背、铆钉组成的摩擦块；将压制好的压坯在钟罩式加压烧结炉里面烧结，保护气体为15-25％氢气和75-85％的氮气，升温速率5-10℃/min，为排放摩擦体的挥发气体，采用阶梯升温至200℃、300℃、500℃、700℃时，分别保温20min，烧结温度为900℃，最高温度保温时间2h，施加4MPa压力。保温后随炉冷却，冷却速度3-5℃/min，冷却过程施加4MPa压力；

S4.铆接，将S3得到的摩擦块和燕尾块进行铆接，铆接压力采用4MPa，铆接5s。

实施例2

本实施例2提供了一种刹车片的制备方法，包括如下步骤：

S1.压制料的制备，称取50wt％660青铜粉、8wt％低密度铁粉、4wt％锌粉、3wt％氧化铬绿、12wt％结晶碳化铬、4wt％结晶碳化钨采用高速混合机混合至少1h，得到混料；

将8wt％人造石墨，11wt％短切碳纤维和粘结剂，粘结剂为摩擦体总重量的3wt％聚乙烯蜡粉与混料用双运动卧式混合机混合0.5h，得到所述压制料；

S2.压制,采用双腔模具，模具中放置所述钢背和铆钉，模具温度升高到160℃，压制料在20MPa压力下压制15min成型得到压坯，压制过程中的第0.5、1、3、5、10min将上模冲抬起5s排气；

S3.烧结，将S2得到的压坯进行烧结，在钟罩式加压烧结炉里面烧结，烧结温度为900℃，最高温度保温时间2h，摩擦体上方施加4MPa压力，冷却后得到摩擦体、钢背、铆钉组成的摩擦块；将压制好的压坯在钟罩式加压烧结炉里面烧结，保护气体为15-25％氢气和75-85％的氮气，升温速率5-10℃/min，为排放摩擦体的挥发气体，采用阶梯升温至200℃、300℃、500℃、700℃时，分别保温20min，烧结温度为900℃，最高温度保温时间2h，施加4MPa压力。保温后随炉冷却，冷却速度3-5℃/min，冷却过程施加4MPa压力；

S4.铆接，将S3得到的摩擦块和燕尾块进行铆接，铆接压力采用4MPa，铆接5s。

实施例3

本实施例3提供了一种刹车片的制备方法，包括如下步骤：

S1.压制料的制备，称取60wt％660青铜粉、12wt％低密度铁粉、4wt％锌粉、2wt％氧化铬绿、8wt％结晶碳化铬、2wt％结晶碳化钨采用高速混合机混合至少1h，得到混料；

将4wt％人造石墨，8wt％短切碳纤维和粘结剂，粘结剂为摩擦体总重量的1wt％聚乙烯蜡粉与混料用双运动卧式混合机混合0.5h，得到所述压制料；

S2.压制,采用双腔模具，模具中放置所述钢背和铆钉，模具温度升高到160℃，压制料在20MPa压力下压制15min成型得到压坯，压制过程中的第0.5、1、3、5、10min将上模冲抬起5s排气；

S3.烧结，将S2得到的压坯进行烧结，在钟罩式加压烧结炉里面烧结，烧结温度为900℃，最高温度保温时间2h，摩擦体上方施加4MPa压力，冷却后得到摩擦体、钢背、铆钉组成的摩擦块；将压制好的压坯在钟罩式加压烧结炉里面烧结，保护气体为15-25％氢气和75-85％的氮气，升温速率5-10℃/min，为排放摩擦体的挥发气体，采用阶梯升温至200℃、300℃、500℃、700℃时，分别保温20min，烧结温度为900℃，最高温度保温时间2h，施加4MPa压力。保温后随炉冷却，冷却速度3-5℃/min，冷却过程施加4MPa压力；

S4.铆接，将S3得到的摩擦块和燕尾块进行铆接，铆接压力采用4MPa，铆接5s。

为直观对比，实施例4-5提供的一种刹车片摩擦体和粘接剂的重量比例与实施例1相同，工艺有调整，调整的地方见表2。

表2

实施例4

本实施例4提供了一种刹车片的制备方法，包括如下步骤：

S1.压制料的制备，称取55wt％660青铜粉、10wt％低密度铁粉、4wt％锌粉、3wt％氧化铬绿、10wt％结晶碳化铬、3wt％结晶碳化钨采用高速混合机混合至少1h，得到混料；

将6wt％人造石墨，9wt％短切碳纤维和粘结剂，粘结剂为摩擦体总重量的2wt％聚乙烯蜡粉与混料用双运动卧式混合机混合0.5h，得到所述压制料；

S2.压制,采用双腔模具，模具中放置所述钢背和铆钉，模具温度升高到130℃，压制料在20MPa压力下压制15min成型得到压坯，压制过程中的第0.5、1、3、5、10min将上模冲抬起5s排气；

S3.烧结，将S2得到的压坯进行烧结，在钟罩式加压烧结炉里面烧结，烧结温度为860℃，最高温度保温时间2h，摩擦体上方施加4MPa压力，冷却后得到摩擦体、钢背、铆钉组成的摩擦块；将压制好的压坯在钟罩式加压烧结炉里面烧结，保护气体为15-25％氢气和75-85％的氮气，升温速率5-10℃/min，为排放摩擦体的挥发气体，采用阶梯升温至200℃、300℃、500℃、700℃时，分别保温20min，烧结温度为900℃，最高温度保温时间2h，施加4MPa压力。保温后随炉冷却，冷却速度3-5℃/min，冷却过程施加4MPa压力；

S4.铆接，将S3得到的摩擦块和燕尾块进行铆接，铆接压力采用4MPa，铆接5s。

实施例5

本实施例5提供了一种刹车片的制备方法，包括如下步骤：

S1.压制料的制备，称取55wt％660青铜粉、10wt％低密度铁粉、4wt％锌粉、3wt％氧化铬绿、10wt％结晶碳化铬、3wt％结晶碳化钨采用高速混合机混合至少1h，得到混料；

将6wt％人造石墨，9wt％短切碳纤维和粘结剂，粘结剂为摩擦体总重量的2wt％聚乙烯蜡粉与混料用双运动卧式混合机混合0.5h，得到所述压制料；

S2.压制,采用双腔模具，模具中放置所述钢背和铆钉，模具温度升高到180℃，压制料在20MPa压力下压制15min成型得到压坯，压制过程中的第0.5、1、3、5、10min将上模冲抬起5s排气；

S3.烧结，将S2得到的压坯进行烧结，在钟罩式加压烧结炉里面烧结，烧结温度为950℃，最高温度保温时间2h，摩擦体上方施加4MPa压力，冷却后得到摩擦体、钢背、铆钉组成的摩擦块；将压制好的压坯在钟罩式加压烧结炉里面烧结，保护气体为15-25％氢气和75-85％的氮气，升温速率5-10℃/min，为排放摩擦体的挥发气体，采用阶梯升温至200℃、300℃、500℃、700℃时，分别保温20min，烧结温度为900℃，最高温度保温时间2h，施加4MPa压力。保温后随炉冷却，冷却速度3-5℃/min，冷却过程施加4MPa压力；

S4.铆接，将S3得到的摩擦块和燕尾块进行铆接，铆接压力采用4MPa，铆接5s。

性能测试

对实施例1-5进行停车制动试验，对刹车片的摩擦系数、最大损耗、密度、硬度以及剪切强度进行测试，其性能测试数据见下表3。

表3

由上述测试结果可知，实施例1-5制得的闸片平均摩擦系数、磨耗率、峰值噪声、金属镶嵌物、摩擦材料的密度、硬度、剪切强度等指标均满足标准要求，实施例2在实施例1的基础上将一部分基体组元替换成摩擦组元和润滑组元，虽然提高了摩擦系数，但是降低了摩擦材料的强度，在运用过程中有掉渣掉块的风险；实施例3在实施例1的基础上将一部分摩擦组元和润滑组元替换成基体组元，虽然提高了摩擦材料的强度，但是降低了摩擦系数；实施例4在实施例1的基础上由于压制温度和烧结温度较低，会导致摩擦材料中的挥发分排不出来，进而在材料内部造成气孔，材料比较疏松，强度较低；实施例5在实施例1的基础上由于压制温度和烧结温度较高，刹车片摩擦材料比较致密，超过了材料最优的孔隙率下限，因此摩擦系数波动较大，噪声较高。综上所诉实施例1各项性能比较均衡，最优的材料和工艺的组合。进一步的，如果材料比例和工艺参数超出允许的范围，可能会导致刹车片片不满足标准要求。

对比例1和对比例2采用实施例1的制备方法，对比例1基体组元超出合理范围下限，摩擦组元超出合理范围上限，虽然未出现金属镶嵌物，但是摩擦系数和磨耗率超出了上限，摩擦材料的强度太低，在运用过程中掉渣掉块的风险很高；对比例2基体组元超出合理范围上限，摩擦组元超出合理范围下限，也未出现金属镶嵌物，但是摩擦系数超出了下限，摩擦材料的强度太高，容易在运用过程中对制动盘造成热斑、划伤等伤害。

使用测试

海拔不超过1500m；使用环境温度：-50℃～+40℃；月平均最大相对湿度不大于95％(该月月平均最低温度为25℃)。

最大风速：一般年份小于15m/s；偶有33m/s。

适用环境：有风、沙、雨、雪天气，偶有盐雾、酸雨、沙尘暴等现象。

车辆条件：运营速度：250km/h，最高试验速度275km/h。

最大轴重：≤17t，动轴每轴2个轮装制动盘，拖轴每轴3个轴装制动盘。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。