地鐵製動閘瓦用摩擦材料及製備閘瓦的方法與流程
2023-06-06 23:36:26
本發明涉及地鐵製動閘瓦領域，尤其涉及一種地鐵製動閘瓦用樹脂基摩擦材料的製備方法。
背景技術：
地鐵製動閘瓦在制動系統中屬於關鍵件、安全件、消耗件，近年來地鐵公司一直依賴進口，而且價格昂貴，每年需要花費大量的外匯採購。制約著我國軌道交通運輸業的發展。因此急需國產化來滿足國內市場的需求。隨著國內軌道交通運輸的迅速發展，地鐵製動閘瓦市場的需求越來越大，很有必要對地鐵製動閘瓦的摩擦材料進行研製，以較低的成本使達到、甚至超過國外製動閘瓦性能。
如目前深圳地鐵使用的是德國進口的制動閘瓦，但採購成本高，材料脫落，裂紋現象一直無法解決。美國專利4130537、4374211已提出芳綸短絨同鋼纖維或纖維素纖維複合製造摩擦材料，解決了除石棉以外，其他纖維大都存在對樹脂親潤性不理想的問題。但實際產品在性能和質量上均有一定的缺點。在公開號為CN 1405044A的發明創造中公開了一種地鐵車輛用高摩擦係數材料的製備方法，該方法採用無石棉、鋼纖維、芳綸纖維(KEVLAR纖維)混雜纖維為增強材料的，改性酚醛樹脂為基體的摩擦材料，該方法是在滿足合成閘瓦高摩擦係數前提下，解決了溼態摩擦係數減少問題，並且解決了閘瓦龜裂、金屬鑲嵌物和損傷輪對的現象，但該方法配方中採用鋼纖維組分在存放和使用較長時間，尤其是在潮溼環境中經常發生閘瓦鏽蝕問題，鏽蝕後會發生粘著對偶和損傷對偶，摩擦片鏽蝕後強度降低、磨損加劇。日本專利53-72738提出了在不降低摩擦係數和提高隔熱效果的情況下，用碳纖維置換傳統的鋼纖維(佔重量的20％-40％)。但搜集以往的專利暫未找到有將碳/碳粉加入到地鐵製動閘瓦材料中先例，而且本發明並非是簡單的將鋼纖維置換為碳/碳粉就能達到想要的性能。
技術實現要素：
為克服現有技術存在的材料脫落、裂紋現象和鏽蝕的不足，本發明提出了一種地鐵製動閘瓦用摩擦材料及製備閘瓦的方法。
本發明所述地鐵製動閘瓦用摩擦材料由8～15％的改性酚醛樹脂粉、5～8％的KEVLAR纖維、8～15％的陶瓷纖維、7～10％的紫銅纖維、5～12％的碳/碳粉、3～8％的氧化鐵粉、5～9％的丁腈膠粉、3～8％的二硫化鉬粉、6～10％的氧化鎂粉、6～8％的氧化鋁粉和12～20％的硫酸鋇粉組成。所述的百分比為質量百分比。
所述的碳/碳粉是將經過2000～2500℃的高溫熱處理的碳盤車削加工成為小於60目的顆粒得到的。所述碳盤的密度為1.60-1.75g/cm3。得到的碳/碳粉中，碳纖維的含量為40～70％；所述的百分比為質量百分比。
本發明提出的製備所述地鐵製動閘瓦的方具體過程是：
步驟1，製備預混料。將按所述質量百分比稱量的KEVLAR纖維、陶瓷纖維、紫銅纖維和碳/碳粉投入高速混料機中進行預混料，得到預混料。
步驟2，將按所述質量百分比稱量的氧化鐵粉、丁腈膠粉、二硫化鉬粉、氧化鎂粉、氧化鋁粉和硫酸鋇粉投入高速混料機中，與步驟1得到的預混料混合均勻。得到混合料。混料時，所述高速混料機的轉速1500rpm。
步驟3，烘乾。將得到的混合料放入烘箱內烘乾。烘乾時，烘箱溫度為80～85℃，烘乾時間為1.0～2.0h。得到用於地鐵製動閘瓦的摩擦材料。
步驟4，製作地鐵製動閘瓦。將得到的摩擦材料放入閘瓦的模具中熱壓成型。熱壓成型的溫度為155～175℃，壓力為5～15MPa，時間為1.5min/mm；得到地鐵製動閘瓦的預製件。
步驟5，將得到的預製件放入烘箱內，160℃條件下熱處理6～8h。得到地鐵製動閘瓦。
本發明通過將碳/碳粉加入多種混合纖維樹脂基摩擦材料，能夠穩定地鐵製動閘瓦的制動效能。
本發明選用了國外某公司生產的三聚氰胺—腰果殼油改性酚醛樹脂。在改性酚醛樹脂的結構中，三聚氰胺改善了酚醛樹脂的耐熱性，提高了其熱分解溫度，腰果殼油改善了酚醛樹脂的柔韌性。因此,該樹脂和普通未改性酚醛樹脂相比，改進了酚醛樹脂質地脆硬的缺點，提高了耐熱性和衝擊韌性。
本發明選用了KEVLAR纖維、陶瓷纖維、紫銅纖維。其中KEVLAR纖維的突出優點在於它是一種熱穩定性非常好的有機纖維，初始分解溫度為470℃，用於摩擦材料時製品呈現出摩擦係數穩定，磨損率低、強度高的特點。
本發明選用了碳/碳粉，碳/碳粉為碳/碳複合材料，其中熱解碳易於石墨化，質軟，具有良好的潤滑作用；其中碳纖維難於石墨化，質硬，又具有增摩作用。碳/碳材料兩種碳的的特殊特性具有優良的剎車性能。本發明選用的碳/碳粉，要求高溫熱處理溫度為(2000-2500)℃，密度為(1.60-1.75)g/cm3，碳纖維佔比應在0.4-0.7之間。達到條件的碳/碳複合材料經車削後，粒度要求60目以內。
摩擦性能調節劑是一類添加到摩擦材料中能改進摩擦係數和磨損率的物質，主要分為潤滑劑和研磨劑兩大類，在協調好制動摩擦材料中的潤滑劑與研磨劑的用量非常重要。本發明選用二硫化鉬、氧化鋁、氧化鎂、氧化鐵、丁腈膠粉等作為摩擦性能調節劑。
硫酸鋇作為填料能使摩擦係數穩定，磨耗小，並延長使用壽命，特別是在高溫下，由於它能形成穩定的摩擦界層，防止製品與鑄鐵發生咬合和刮傷現象，使對偶材料表面更加光潔。
同時充分的使蓬鬆是纖維發揮其組分在增強、過程輔助，摩擦性能方面作用的前提，本發明中增加了材料的開松預混過程，來進行纖維開松。並且材料預混過程中加入硫酸鋇粉與KEVLAR纖維、陶瓷纖維、碳/碳粉共混，硫酸鋇粉密度在4.5左右，比KEVLAR纖維、陶瓷纖維重，在開松預混過程中能起到良好的分散劑的作用，能使KEVLAR纖維和陶瓷纖維達到良好的開松效果，促進各組分的均勻分散。
地鐵用制動閘瓦的製造方法，包括以下步驟：首先將KEVLAR纖維、陶瓷纖維、硫酸鋇粉、碳/碳粉按各組分重量比重投入高速混料機中進行開松預混，轉速2500rpm，時間1分鐘；得到預混料。再將各組分按重量比重改性酚醛樹脂：7％-15％、KEVLAR纖維：5％-8％、陶瓷纖維：10％-18％、紫銅纖維：5％-10％、碳/碳粉：5％-12％、氧化鐵：2％-8％、丁腈膠粉：5％-9％、二硫化鉬：3％-8％、氧化鎂：2％-10％、氧化鋁：2％-8％、硫酸鋇：10％-20％，投入高速混料機中進行混料，轉速1500rpm，時間6分鐘；將得到的混合料放入烘箱內烘乾。烘乾時，烘箱溫度為80～85℃，烘乾時間為1.0～2.0h。得到用於地鐵製動閘瓦的摩擦材料。將得到的摩擦材料放入閘瓦的模具中熱壓成型。熱壓成型的溫度為155～175℃，壓力為5～15MPa，時間為1.5min/mm；得到地鐵製動閘瓦的預製件。最後將得到的預製件放入烘箱內，160℃條件下熱處理6～8h。得到地鐵製動閘瓦。
將用本發明提出的地鐵製動閘瓦與德國進口閘瓦分別進行1:1臺架試驗對比試驗，分別進行幹態停車制動試驗、模擬運營試驗、靜摩擦係數試驗、溼態停車制動試驗共四項性能檢測。試驗結果如下：
從試驗結果中可以看出：(1)在幹態停車制動試驗和溼態停車制動試驗下，德國原樣與本發明大樣的試驗數據非常接近。(2)在靜摩擦係數試驗和模擬運營試驗狀態下，本發明大樣的摩擦係數均高於德國原樣。(3)在磨耗量方面，本發明大樣優於德國原樣。
在制動過程中無火花、煙塵、噪聲等現象。試驗完成後，車輪表面無剝離、熱斑、裂紋、異常磨耗等損傷情況，閘瓦表面平整、光滑，無裂紋、掉塊等缺陷。
為了驗證地鐵製動閘瓦臺架試驗的可靠性和穩定性，將本發明大樣送往鐵道部產品質量監督檢驗中心機車車輛檢驗站再次進行臺架性能試驗。其試驗結果如下：
試驗結果：(1)幹態停車制動試驗摩擦係數平均值為0.314。(2)模擬運營試驗的摩擦係數平均值為0.305。(3)靜摩擦係數的平均值為0.475。(4)溼態停車制動試驗摩擦係數的平均值為0.298。
通過兩次臺架試驗結果的對比。說明本發明的摩擦材料的穩定性能與德國原樣非常接近，完全滿足技術要求，並在靜摩擦係數試驗和模擬運營試驗狀態下，本發明大樣的摩擦係數均高於德國原樣。
與現有技術相比，本發明組分中在不含鋼纖維，加入碳/碳粉的情況下，經小樣試驗，大樣試樣和裝車營運試驗證明，各項指標優良，均符合設計要求，並克服了進口閘瓦材料脫落，裂紋等問題。
本發明中，碳/碳粉對摩擦性能起到重要的調節作用，碳/碳粉是經高溫熱處理過的碳/碳複合材料，其中熱解碳易於石墨化，質軟，具有良好的潤滑作用；其中碳纖維難於石墨化，質硬，又具有增摩作用。碳/碳粉中碳纖維和熱解碳具有了各自獨立時不具有的特性，每個碳/碳粉微粒均是一個微小的碳/碳複合材料，基體為熱解碳，骨架為碳纖維碳。它擁有了石墨、在磨損、制動舒適性方面的優勢，又由於有碳纖維骨架的支撐作用在物理形態上具有一定的穩定性。通過碳/碳粉的加入在保證良好摩擦係數的的同時，又優化了材料的抗磨損性能。
由於碳/碳粉特殊的結構性能，在具有其特殊摩擦性能的基礎上，還存有一部分碳纖維和石墨粉性能。為使充分發揮其性能優勢，在調節制動閘瓦材料配方時應兼顧其他各組分材料性能特點，精細配方比例，並搭配使用，最終確定碳/碳粉含量在5％-12％之間且與其他纖維和調節劑混合使用時才能發揮其性能優勢。
具體實施方式
實施例一
本實施例提出了一種地鐵製動閘瓦用摩擦材料。所述地鐵製動閘瓦的結構與現有技術中地鐵製動閘瓦結構相同。
所述地鐵製動閘瓦由12％的改性酚醛樹脂粉、7％的KEVLAR纖維、14％的陶瓷纖維、8％的紫銅纖維、7％的碳/碳粉、6％的氧化鐵粉、7％的丁腈膠粉、6％的二硫化鉬粉、8％的氧化鎂粉、8％的氧化鋁粉和17％的硫酸鋇粉組成。所述的百分比為質量百分比。
所述的碳/碳粉是將經過2000～2500℃的高溫熱處理的碳盤車削加工成為小於60目的顆粒得到的。所述碳盤的密度為1.60-1.75g/cm3。得到的碳/碳粉中，碳纖維的含量為40～70％；所述的百分比為質量百分比。本實施例中，所述碳盤的密度為1.7g/cm3；得到的碳/碳粉中，碳纖維的含量為60％。
為降低成本，利用碳盤加工後的邊角料製作所述的碳/碳粉。
製備所述地鐵製動閘瓦的具體過程是：
步驟1，按所述質量百分比稱量KEVLAR纖維、陶瓷纖維、硫酸鋇粉和碳/碳粉。將稱量的KEVLAR纖維、陶瓷纖維、硫酸鋇粉和碳/碳粉投入高速混料機中進行開松預混，得到預混料。所述高速混料機的轉速2500rpm，時間1分鐘；得到預混料。
步驟2，按所述質量百分比稱量改性酚醛樹脂粉、氧化鐵粉、丁腈膠粉、二硫化鉬粉、氧化鎂粉、氧化鋁粉和紫銅纖維。將稱量的改性酚醛樹脂、氧化鐵粉、丁腈膠粉、二硫化鉬粉、氧化鎂粉、氧化鋁粉和紫銅纖維投入高速混料機中，與步驟1得到的預混料混合均勻。高速混料機的轉速為1500rpm，混料時間6min；得到混合料。
步驟3，烘乾。將得到的混合料放入烘箱內烘乾。烘乾時，烘箱溫度為80～85℃，烘乾時間為1.0～2.0h。得到用於地鐵製動閘瓦的摩擦材料。本實施例中，烘箱溫度為80℃，烘乾時間為1.5h。
步驟4，製作地鐵製動閘瓦。將得到的摩擦材料放入閘瓦的模具中熱壓成型。熱壓成型的溫度為155～175℃，壓力為5～15MPa，時間為1.5min/mm；得到地鐵製動閘瓦的預製件。本實施例中，熱壓成型的溫度為160℃，壓力為12MPa。
步驟5，將得到的預製件放入烘箱內，160℃條件下熱處理6～8h。得到地鐵製動閘瓦。本實施例中，熱處理時間為8h。
對本實施例得到的地鐵製動閘瓦進行摩擦性能試驗和洛氏硬度檢測。所述的摩擦性能試驗是在XD-MSM型定速摩擦試驗機上，按GB5763-2008進行；所述洛氏硬度檢測，按GB/T 5766-2007執行。得到試驗結果如下：
由試驗結果可以看出摩擦係數和洛氏硬度均符合制動閘瓦的技術要求。
實施例二
本實施例提出了一種地鐵製動閘瓦。所述地鐵製動閘瓦的結構與現有技術中地鐵製動閘瓦結構相同。
所述地鐵製動閘瓦由8％的改性酚醛樹脂粉、6％的KEVLAR纖維、11％的陶瓷纖維、7％的紫銅纖維、5％的碳/碳粉、8％的氧化鐵粉、9％的丁腈膠粉、8％的二硫化鉬粉、10％的氧化鎂粉、8％的氧化鋁粉和20％的硫酸鋇粉組成。所述的百分比為質量百分比。
所述碳/碳粉是將經過2000～2500℃的高溫熱處理的碳盤車削加工成為小於60目的顆粒得到的。所述碳盤的密度為1.60-1.75g/cm3。得到的碳/碳粉中，碳纖維的含量為40～70％；所述的百分比為質量百分比。本實施例中，所述碳盤的密度為1.60g/cm3；得到的碳/碳粉中，碳纖維的含量為70％。
製備所述用於地鐵製動閘瓦的摩擦材料的具體過程是：
步驟1，按所述質量百分比稱量KEVLAR纖維、陶瓷纖維、硫酸鋇粉和碳/碳粉。將稱量的KEVLAR纖維、陶瓷纖維、硫酸鋇粉和碳/碳粉投入高速混料機中進行開松預混，得到預混料。所述高速混料機的轉速2500rpm，時間1分鐘；得到預混料。
步驟2，按所述質量百分比稱量改性酚醛樹脂粉、氧化鐵粉、丁腈膠粉、二硫化鉬粉、氧化鎂粉、氧化鋁粉和紫銅纖維。將稱量的改性酚醛樹脂粉、氧化鐵粉、丁腈膠粉、二硫化鉬粉、氧化鎂粉、氧化鋁粉和紫銅纖維投入高速混料機中，與步驟1得到的預混料混合均勻。高速混料機的轉速為1500rpm，混料時間6min；得到混合料。
步驟3，烘乾。將得到的混合料放入烘箱內烘乾。烘乾時，烘箱溫度為80～85℃，烘乾時間為1.0～2.0h。本實施例中，烘箱溫度為82℃，烘乾時間為1.8h，得到用於地鐵製動閘瓦的摩擦材料。
步驟4，製作地鐵製動閘瓦。將得到的摩擦材料放入閘瓦的模具中熱壓成型。熱壓成型的溫度為155～175℃，壓力為5～15MPa，時間為1.5min/mm；得到地鐵製動閘瓦的預製件。本實施例中，熱壓成型的溫度為155℃，壓力為15MPa。
步驟5，將得到的預製件放入烘箱內，160℃條件下熱處理6～8h。得到地鐵製動閘瓦。本實施例中，熱處理時間為7h。
對本實施例得到的地鐵製動閘瓦進行摩擦性能試驗和洛氏硬度檢測。所述的摩擦性能試驗是在XD-MSM型定速摩擦試驗機上，按GB5763-2008進行；所述洛氏硬度檢測，按GB/T 5766-2007執行。得到試驗結果如下：
由試驗結果可以看出摩擦係數和洛氏硬度均符合制動閘瓦的技術要求。
實施例三
本實施例提出了一種地鐵製動閘瓦。所述地鐵製動閘瓦的結構與現有技術中地鐵製動閘瓦結構相同。
所述地鐵製動閘瓦由14％的改性酚醛樹脂粉、8％的KEVLAR纖維、15％的陶瓷纖維、7％的紫銅纖維、9％的碳/碳粉、3％的氧化鐵粉、5％的丁腈膠粉、5％的二硫化鉬粉、9％的氧化鎂粉、7％的氧化鋁粉和18％的硫酸鋇粉組成。所述的百分比為質量百分比。
所述0的碳/碳粉是將經過2000～2500℃的高溫熱處理的碳盤車削加工成為小於60目的顆粒得到的。所述碳盤的密度為1.60-1.75g/cm3。得到的碳/碳粉中，碳纖維的含量為40～70％；所述的百分比為質量百分比。本實施例中，所述碳盤的密度為1.75g/cm3；得到的碳/碳粉中，碳纖維的含量為40％。
製備所述用於地鐵製動閘瓦的摩擦材料的具體過程是：
步驟1，按所述質量百分比稱量KEVLAR纖維、陶瓷纖維、硫酸鋇粉和碳/碳粉。將稱量的KEVLAR纖維、陶瓷纖維、硫酸鋇粉和碳/碳粉投入高速混料機中進行開松預混，得到預混料。所述高速混料機的轉速2500rpm，時間1分鐘；得到預混料。
步驟2，按所述質量百分比稱量改性酚醛樹脂粉、氧化鐵粉、丁腈膠粉、二硫化鉬粉、氧化鎂粉、氧化鋁粉和紫銅纖維。將稱量的改性酚醛樹脂粉、氧化鐵粉、丁腈膠粉、二硫化鉬粉、氧化鎂粉、氧化鋁粉和紫銅纖維投入高速混料機中，與步驟1得到的預混料混合均勻。高速混料機的轉速為1500rpm，混料時間6min；得到混合料。
步驟3，烘乾。將得到的混合料放入烘箱內烘乾。烘乾時，烘箱溫度為80～85℃，烘乾時間為1.0～2.0h。本實施例中，烘箱溫度為85℃，烘乾時間為1h得到用於地鐵製動閘瓦的摩擦材料。
步驟4，製作地鐵製動閘瓦。將得到的摩擦材料放入閘瓦的模具中熱壓成型。熱壓成型的溫度為155～175℃，壓力為5～15MPa，時間為1.5min/mm；得到地鐵製動閘瓦的預製件。本實施例中，熱壓成型的溫度為175℃，壓力為5MPa。
步驟5，將得到的預製件放入烘箱內，160℃條件下熱處理6～8h。得到地鐵製動閘瓦。本實施例中，熱處理時間為7.5h
對本實施例得到的地鐵製動閘瓦進行摩擦性能試驗和洛氏硬度檢測。所述的摩擦性能試驗是在XD-MSM型定速摩擦試驗機上，按GB5763-2008進行；所述洛氏硬度檢測，按GB/T 5766-2007執行。得到試驗結果如下：
由試驗結果可以看出摩擦係數和洛氏硬度均符合制動閘瓦的技術要求。
實施例四
本實施例提出了一種地鐵製動閘瓦。所述地鐵製動閘瓦的結構與現有技術中地鐵製動閘瓦結構相同。
所述地鐵製動閘瓦由15％的改性酚醛樹脂粉、5％的KEVLAR纖維、18％的陶瓷纖維、10％的紫銅纖維、12％的碳/碳粉、7％的氧化鐵粉、6％的丁腈膠粉、3％的二硫化鉬粉、6％的氧化鎂粉、6％的氧化鋁粉和12％的硫酸鋇粉組成。所述的百分比為質量百分比。
所述碳/碳粉是將經過2000～2500℃的高溫熱處理的碳盤車削加工成為小於60目的顆粒得到的。所述碳盤的密度為1.60-1.75g/cm3。得到的碳/碳粉中，碳纖維的含量為40～70％；所述的百分比為質量百分比。本實施例中，所述碳盤的密度為1.68g/cm3；得到的碳/碳粉中，碳纖維的含量為50％。
製備所述用於地鐵製動閘瓦的摩擦材料的具體過程是：
步驟1，按所述質量百分比稱量KEVLAR纖維、陶瓷纖維、硫酸鋇粉和碳/碳粉。將稱量的KEVLAR纖維、陶瓷纖維、硫酸鋇粉和碳/碳粉投入高速混料機中進行開松預混，得到預混料。所述高速混料機的轉速2500rpm，時間1分鐘；得到預混料。
步驟2，按所述質量百分比稱量改性酚醛樹脂粉、氧化鐵粉、丁腈膠粉、二硫化鉬粉、氧化鎂粉、氧化鋁粉和紫銅纖維。將稱量的改性酚醛樹脂粉、氧化鐵粉、丁腈膠粉、二硫化鉬粉、氧化鎂粉、氧化鋁粉和紫銅纖維投入高速混料機中，與步驟1得到的預混料混合均勻。高速混料機的轉速為1500rpm，混料時間6min；得到混合料。
步驟3，烘乾。將得到的混料放入烘箱內烘乾。烘乾時，烘箱溫度為80～85℃，烘乾時間為1.0～2.0h。本實施例中，烘箱溫度瓦80℃，烘乾時間為2h得到用於地鐵製動閘瓦的摩擦材料。
步驟4，製作地鐵製動閘瓦。將得到的摩擦材料放入閘瓦的模具中熱壓成型。熱壓成型的溫度為155～175℃，壓力為5～15MPa，時間為1.5min/mm；得到地鐵製動閘瓦的預製件。本實施例中，熱壓成型的溫度為170℃，壓力為10MPa。
步驟5，將得到的預製件放入烘箱內，160℃條件下熱處理6～8h。得到地鐵製動閘瓦。本實施例中，熱處理時間為6.0h
對本實施例得到的地鐵製動閘瓦進行摩擦性能試驗和洛氏硬度檢測。所述的摩擦性能試驗是在XD-MSM型定速摩擦試驗機上，按GB5763-2008進行；所述洛氏硬度檢測，按GB/T 5766-2007執行。得到試驗結果如下：
由試驗結果可以看出摩擦係數和洛氏硬度均符合制動閘瓦的技術要求。