摩擦填料、摩擦材料组合物、摩擦材料及其应用

技术领域

本发明涉及应用轨道车辆车轮踏面清扫摩擦技术领域，尤其涉及适用于车轮踏面清扫的摩擦填料、摩擦材料组合物、摩擦材料及其应用。

背景技术

在轨道车辆的运行过程中，车辆的制动摩擦力及牵引摩擦力都依靠轮轨之间的粘着系数，轨道车辆的制动和牵引设计都依据相应的轮轨粘着，在有效的粘着内可以避免车轮滑行及空转，降低车轮及钢轨伤损的概率。由于运营环境的多样化，车轮与轨道之间存在多种污染物，同时由于污染物来源广泛而复杂，会导致轮轨之间粘着系数的下降，从而可能引起车轮在制动过程中滑行，在牵引过程中空转，从而造成钢轨及车轮损伤。同时由于轨道波浪形磨耗及轨道不平顺度影响，车轮在运行过程中踏面容易出现多边形磨耗，从而影响轮轨之间的动力学状态，因此需要研制踏面研磨材料，用于对车轮表面进行清扫研磨，从而可以有效提升轮轨之间的粘着系数，降低车轮的空转或者滑行，并对车轮起到修型作用，从而提升车轮的整体使用寿命及改善轮轨之间的动力学状态。现有踏面清扫器研磨子材料在使用过程中存下如下问题：1、在潮湿雨雪环境下容易出现对车轮有害的金属镶嵌；2、部分研磨子材料由于配方及原材料的原因，在使用清扫过程中出现噪音；3、研磨子材料在频繁反复制动过程中易出现热裂纹，从而裂纹扩展形成研磨材料掉块；4、研磨材料在清扫修型效果有限，对于车轮表面多边形轮廓消除效果不佳；5、研磨子材料耐磨性不足。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种适用于摩擦填料、摩擦材料组合物、摩擦材料及其应用。该摩擦材料应用于轨道车辆的车轮踏面清扫，可以有效提升轮轨之间的粘着系数，对车轮起到修型作用，提升车轮的整体使用寿命及改善轮轨之间的动力学状态。

为了达到上述目的，本发明提供了一种摩擦填料，其中，以质量份计，该摩擦填料包括：硫酸钡14.6-18.1份，鳞片石墨9.2-10.6份，铜屑3.9-4.9份，还原铁粉6.6-7.8份，二氧化锆2.5-3.3份，白刚玉3.3-4.8份，冰晶石4.5-5.2份，氯化脂肪酸0.47-0.63份，钾长石3.8-4.7份。

在上述摩擦填料中，所述氯化脂肪酸作为含有活性基团的极压添加剂，能够在摩擦过程中高温分解，分解的产物可以与车轮中的金属发生作用，生成剪切应力和熔点较都比车轮金属低的硫化物、磷化物和卤化物，从而防止接点闭合，在车轮表面形成保护层避免金属镶嵌的产生。

在上述摩擦填料中，所述还原铁粉与金属屑能够协同提高摩擦填料的导热性、避免清扫过程中对车轮造成有害热影响。所述还原铁粉一般选用粒度为100-150目的还原铁粉。所述还原铁粉的铁含量一般在99％以上。

在上述摩擦填料中，所述金属屑可以包括铜屑，例如紫铜屑。所述金属屑的粒度一般为40目-60目、例如40目。

在上述摩擦填料中，所述二氧化锆和白刚玉具有良好自锐性，可以在摩擦过程中可以起到修饰的作用、并能有效提升清扫能力。所述二氧化锆可以选用粒度为300目-400目、例如325目的二氧化锆。所述二氧化锆的氧化锆含量一般在99％以上。

在上述摩擦填料中，所述白刚玉的粒度可以为250目-350目、例如325目。所述白刚玉中的氧化铝含量一般在98％以上。

在上述摩擦填料中，所述鳞片石墨可以润滑车轮踏面、降低车轮表面异常磨耗。所述鳞片石墨可以包括L185鳞片石墨等。

在上述摩擦填料中，所述硫酸钡可以改善车轮表面清洁度，并具有消除微裂纹的作用。所述硫酸钡可以选用粒度为300目-400目、例如325目的硫酸钡。

在上述摩擦填料中，所述钾长石起到清扫微粒的作用。所述钾长石可以选用粒度为250目-350目、例如325目的钾长石。

在上述摩擦填料中，所述冰晶石可以选用粒度为300目-400目、例如325目的冰晶石。

本发明还提供了一种摩擦材料组合物，其中，以组合物总质量为100％计，该摩擦材料组合物包括30.1-34.4％粘合剂、11.8-14％增强纤维、余量为上述摩擦填料；其中，所述粘合剂包括丁腈橡胶和酚醛树脂，所述增强纤维包括铜纤维。

在上述摩擦材料组合物中，所述酚醛树脂具有较高的热分解温度，其与丁腈橡胶经过共混共融、热压成型后能够协同提高材料的韧性。所述丁腈橡胶和酚醛树脂的质量比可以是7.5-9.6:22.6-24.8。

在上述摩擦材料组合物中，所述丁腈橡胶可以包括丁腈橡胶粉HLN40。

在上述摩擦材料组合物中，所述酚醛树脂一般包括硼改性酚醛树脂。所述硼改性酚醛树脂可以选用粒度为325目的硼改性酚醛树脂。

在本发明的具体实施方案中，上述硼改性酚醛树脂在150-155℃的固化时间一般为70s-80s。

在上述摩擦材料组合物中，所述铜纤维具有较高的导热性和强度，配合摩擦填料中的金属屑和还原铁粉能够协同改善摩擦材料的导热性。并且，所述铜纤维还能够对车轮起到摩擦和清扫作用，同时不会损伤车轮。在本发明的具体实施方案中，所述铜纤维的长度一般为3mm-5mm。

在本发明的具体实施方案中，以组合物总质量为100％计，上述摩擦材料组合物可以包括30.1％-34.4％粘合剂、11.8％-14％增强纤维、14.6％-18.1％硫酸钡、9.2％-10.6％鳞片石墨、3.9％-4.9％(例如3.9％-4.8％)金属屑、6.6％-7.8％(例如6.6％-7.6％)还原铁粉、2.5％-3.3％(例如2.5％-3.2％)二氧化锆、3.8％-4.8％(例如3.8％-4.3％)白刚玉、4.5％-5.2％冰晶石、0.47％-0.63％(例如0.47％-0.62％)氯化脂肪酸酯、3.8％-4.7％钾长石。

在本发明的具体实施方案中，以组合物总质量为100％计，上述摩擦材料组合物可以包括7.5％-9.6％丁腈橡胶、22.6％-24.8％酚醛树脂、11.8％-14％铜纤维、14.6％-18.1％硫酸钡、9.2％-10.6％鳞片石墨、3.9％-4.9％铜屑、6.6％-7.8％还原铁粉、2.5％-3.3％二氧化锆、3.8％-4.8％白刚玉、4.5％-5.2％冰晶石、0.47％-0.63％氯化脂肪酸酯、3.8％-4.7％钾长石。

在本发明的具体实施方案中，上述摩擦材料组合可以进一步包括橡胶硫化助剂。所述橡胶硫化助剂能够调整橡胶的硫化速率和硫化程度，进而调整粘合剂的整体硫化性能。所述橡胶硫化助剂的质量一般根据橡胶用量确定，例如可以是丁腈橡胶质量的25％-40％。

在上述摩擦材料组合物中，所述橡胶硫化助剂一般包括促进剂CZ、硬脂酸、氧化锌、硫化剂(如硫磺等)。优选地，所述促进剂CZ、硬脂酸、氧化锌、硫化剂的质量比为1:1:1:1。

在本发明的具体实施方案中，所述摩擦材料组合物可以包括粘合剂、增强纤维、摩擦填料和橡胶硫化助剂，其中，以粘合剂、增强纤维和摩擦填料的总质量为100％计，所述摩擦材料组合物包括7.5％-9.6％丁腈橡胶、22.6％-24.8％酚醛树脂、11.8％-14％铜纤维、14.6％-18.1％硫酸钡、9.2％-10.6％鳞片石墨、3.9％-4.9％铜屑、6.6％-7.8％还原铁粉、2.5％-3.3％二氧化锆、3.8％-4.8％白刚玉、4.5％-5.2％冰晶石、0.47％-0.63％氯化脂肪酸酯、3.8％-4.7％钾长石、以及质量是丁腈橡胶质量的25％-40％橡胶硫化助剂。

本发明还提供了一种摩擦材料，其是由上述摩擦材料组合物制成的。

在本发明的具体实施方案中，所述摩擦材料的制备方法一般包括：将摩擦材料组合物高速混合，加入润湿剂，搅拌均匀，热压成型，二次固化，得到所述摩擦材料。

在上述摩擦材料的制备方法中，所述润湿剂用于提升物料混合后的均匀程度。所述润湿剂的质量一般为摩擦材料组合物总质量的1％。润湿剂可以选用甲苯等。

在上述摩擦材料的制备方法中，所述搅拌的速度一般控制为50-60r/min，所述搅拌的时间一般控制为35-45min。

在上述摩擦材料的制备方法中，所述热压的温度一般控制为155-165℃，所述热压的时间一般控制为30-40min，所述热压的压力一般控制为25-35MPa。

在上述摩擦材料的制备方法中，所述二次固化一般采用阶梯温度处理，以固化稳定材料性能。所述二次固化的阶段可以依次是：在80℃保温1h，100℃保温0.5h，120℃保温1h，140℃保温1h，160℃保温2h，最后在170℃保温3h，完成二次固化。

在本发明的具体实施方案中，所述摩擦材料的制备方法具体可以包括：将摩擦材料组合物放入混料机中进行高速混合，同时加入质量为摩擦材料组合物总质量1％的润湿剂混合形成物料，采用高速混料机以50-60r/min高速搅拌35-45min，然后将物料放入升温至160±5℃的模具中，在液压机上以155-165℃温度和25-30MPa压力热压30-40min，热压成型后将物料放入烘箱进行二次固化处理，即在80℃保温1h，100℃保温0.5h，120℃保温1h，140℃保温1h，160℃保温2h，最后在170℃保温3h，完成二次固化后即得到所述摩擦材料。

本发明还提供了上述摩擦材料在轨道车辆的车轮踏面清扫中的应用。该摩擦材料应用于车轮踏面清扫过程时具有较高的耐磨性和机械强度，并能有效改善车轮的粘着型和裂纹情况，修型车轮，增加车轮的使用寿命。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的摩擦材料可应用于车轮的踏面清扫过程，通过与车轮踏面进行膜层能够改善车轮与钢轨之间的粘着；同时该材料还具有磨削功能，能够有效消除车轮表面微小裂纹及车轮不圆度，从而提升车轮的使用寿命；通过对车轮表面进行摩擦提升其与钢轨之间的静摩擦系数，从而可以提升牵引与制动计算的粘着系数，可以降低车轮在雨雪天因为空转打滑而引起的损伤。

2、本发明提供的摩擦材料强韧性匹配较好，可以在使用过程中避免掉块等情况的产生，并具有较好的耐磨性。该摩擦材料的整体导热性好，可以避免在清扫过程中对车轮造成有害热影响。该摩擦材料还可以在摩擦过程中有效起到修型的作用，明显提升清扫能力及修型能力，并能够在车轮表面形成保护层避免金属镶嵌的产生。本发明的摩擦材料不含有毒或重金属物质，环保无污染，原料来源广泛，制备方法简单。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

在以下实施例中，各个性能参数测定方法所依据的国家标准具体如下：压缩强度GB/T 1041塑料压缩性能的测定；冲击强度GB/T 1043.1塑料简支梁冲击性能的测定第1部分：非仪器化冲击试验；硬度GB/T 3398.2塑料硬度测定第2部分：洛氏硬度；

摩擦清扫性能测试，参照采用轨道车辆缩比摩擦制动试验台对其静摩擦摩擦系数、磨耗量、修型性能进行测试，试验方法如下：

A、静摩擦系数测试，采用研磨清扫材料样块对车轮表面进行摩擦，其中车轮表面原始粗糙度Ra 0.3-0.4，摩擦清扫后测试轮轨样块之间的静摩擦系数。其中摩擦清扫速度100km/h，清扫压力5KN，持续制动20s，分离10s，重复制动10次，轮轨静摩擦测试压力10KN，轴重按照16吨轴重进行计算。

B、磨耗量测试，按照摩擦清扫速度100km/h，清扫压力5KN，持续制动20s，分离10s，重复清扫100次计算研磨子体积磨耗量，磨耗量越小，说明清扫研磨材料耐磨性较高。

C、修型性能，按照摩擦清扫速度100km/h，清扫压力5KN，持续制动20s，分离10s，重复清扫100次，计算车轮的前后质量损失，车轮质量损失越大，说明研磨子摩擦修复性能越好。

关键制造及测试设备：轨道车辆缩比摩擦制动试验台，型号TM-Ⅱ，生产厂家为西安顺通机电技术研究所；混料机，型号W-200，江苏市荣德机械有限公司；液压压机，型号315吨，南通巨能锻压机械有限公司。固化烘箱，最高250℃，宁波红菱电热烘箱有限公司。热压模具，郑州三环模具有限公司。

原料：基础材料：酚醛树脂粒为日本住友电木株式会社生产的粒度为325目的硼改性酚醛树脂，该硼改性酚醛树脂在155-150℃下的固化速度为70-80秒；

丁腈橡胶为丁腈橡胶粉HLN40，厂家是黄山华兰科技有限公司；

还原铁粉为100-150目的一次还原铁粉，铁含量大于99％，厂家为大冶市都鑫摩擦粉体有限公司；

冰晶石的粒度为325目，氟质量含量≥50％的冰晶石，厂家为大冶市都鑫摩擦粉体有限公司；

二氧化锆的粒度为325目，其中氧化锆含量大于99％，厂家为荥阳市神州磨料有限公司；

白刚玉的粒度为325目，氧化铝含量大于98％，厂家为荥阳市神州磨料有限公司；

紫铜纤维的长度为3mm-5mm，铜含量≥99.5％，厂家为石家庄硕茂摩擦材料科技有限公司；

紫铜屑粒度为40目，铜含量≥99.5％，厂家为石家庄硕茂摩擦材料科技有限公司；

硫酸钡粒度为325目，硫酸钡含量大于98％，厂家为石家庄辛集化工有限公司；

鳞片石墨为L185，厂家为大同赵家窑石墨矿；

钾长石粉325目，氧化钾含量大于7％，厂家为石家庄辰兴实业有限公司。

氯化脂肪酸酯厂家为郑州均雷化工产品有限公司；

促进剂CZ、氧化锌、硬脂酸及硫磺为市售工业品。

对比例1

本对比例提供了一种摩擦材料，其制备方法包括：

1、称量丁腈橡胶粉500g，酚醛树脂粉1000g，硫酸钡600g，鳞片石墨500g，铜纤维690g，铜屑240g，还原铁粉386g，二氧化锆102g，白刚玉150g，冰晶石204g，氯化脂肪酸酯30g，钾长石243g，氧化锌50g，促进剂50g，硬脂酸50g，硫磺50g。

2、将上述称量好的原料倒入生产的型双锥高速混合机，同时加入质量为上述原料总质量1％的甲苯作为成型助剂，设定机器转速为60转/分钟，混合35分钟，混合均匀后将形成的混合物利用315吨液压压机热压成型，成型压力30MPa，热压温度160℃，热压时间35min。热压成型后，按照表1所示的固化程序利用烘箱对热压成型后的材料进行二次固化，得到摩擦材料，可作为清扫研磨产品使用。

表1

对对比例1的摩擦材料进行性能测试，结果如表2所示。

表2

对比例2

本对比例提供了一种摩擦材料，其制备方法包括：

1、称量丁腈橡胶粉300g，酚醛树脂粉1200g，硫酸钡950g，鳞片石墨400g，铜纤维500g，铜屑160g，还原铁粉280g，二氧化锆160g，白刚玉250g，冰晶石247g，氯化脂肪酸酯18g，钾长石180g，氧化锌30g，促进剂30g，硬脂酸30g，硫磺30g。

2、将称量好的上述原料后倒入生产的型双锥高速混合机，同时加入质量为上述原料总质量1％的甲苯，设定机器转速为60转/分钟，混合35分钟，混合均匀后将形成的混合物利用315吨液压压机热压成型，成型压力30MPa，热压温度160℃，热压时间35min。热压成型后，按照表1设定的固化程序利用烘箱对热压成型后的材料进行二次固化，得到摩擦材料，可作为清扫研磨产品使用。

对对比例2的摩擦材料进行性能测试，结果如表3所示。

表3

实施例1

本实施例提供了一种摩擦材料，其制备方法包括：

1、称量丁腈橡胶粉350g，酚醛树脂粉1150g，硫酸钡840g，鳞片石墨430g，铜纤维550g，铜屑183g，还原铁粉310g，二氧化锆150g，白刚玉200g，冰晶石240g，氯化脂肪酸酯22g，钾长石220g，氧化锌35g，促进剂35g，硬脂酸35g，硫磺35g。

2、将称量好的原料倒入生产的型双锥高速混合机，同时加入质量为上述原料总质量1％的甲苯，设定机器转速为60转/分钟，混合35分钟，混合均匀后将得到的混合物利用315吨液压压机热压成型，成型压力30MPa，热压温度160℃，热压时间35min。热压成型后，按照设定的固化程序利用烘箱对热压成型后的材料进行二次固化，得到摩擦材料，可作为清扫研磨产品使用。

对实施例1的摩擦材料进行性能测试，结果如表4所示。

表4

实施例2

本实施例提供了一种摩擦材料，其制备方法包括：

1、称量丁腈橡胶粉400g，酚醛树脂粉1100g，硫酸钡760g，鳞片石墨460g，铜纤维600g，铜屑201g，还原铁粉330g，二氧化锆120g，白刚玉220g，冰晶石230g，氯化脂肪酸酯24g，钾长石200g，氧化锌40g，促进剂40g，硬脂酸40g，硫磺40g。

2、将称量好的原料倒入生产的型双锥高速混合机，设定机器转速为60转/分钟，混合35分钟，混合均匀后将上述混合物利用315吨液压压机热压成型，成型压力30MPa，热压温度160℃，热压时间35min。热压成型后，按照设定的固化程序利用烘箱对热压成型后的材料进行二次固化，得到摩擦材料，可作为清扫研磨产品使用。

对实施例2的摩擦材料进行性能测试，结果如表5所示。

表5

实施例3

本实施例提供了一种摩擦材料，其制备方法包括：

1、称量丁腈橡胶粉450g，酚醛树脂粉1050g，硫酸钡680g，鳞片石墨490g，铜纤维650g，铜屑226g，还原铁粉360g，二氧化锆140g，白刚玉180g，冰晶石210g，氯化脂肪酸酯29g，钾长石180g，氧化锌45g，促进剂45g，硬脂酸45g，硫磺45g。

2、将称量好的原料倒入生产的型双锥高速混合机，同时加入质量为上述原料总质量1％的甲苯，设定机器转速为60转/分钟，混合35分钟，混合均匀后将形成的混合物利用315吨液压压机热压成型，成型压力30MPa，热压温度160℃，热压时间35min。热压成型后，按照设定的固化程序利用烘箱对热压成型后的材料进行二次固化，得到摩擦材料，可作为清扫研磨产品使用。

对实施例3的摩擦材料进行性能测试，结果如表6所示。

表6

对比例1至对比例2、实施例1至实施例3制备的摩擦材料的成分组成和性能测试结果总结在表7中。

表7

对比以上测试结果可以看出，当摩擦材料组合物中各成分用量过多或过少时，会明显降低摩擦材料的机械性能、耐磨性、以及对车轮的修复性能。本发明通过选择合适的成分、并将各成分的用量控制在合适的范围内，形成的摩擦材料组合物能够整体实现踏面清扫功能，改善粘着及车轮不圆度。