一种双层结构金属基烧结制动块及其制法 技术领域：
本发明属于摩擦材料制造技术领域，特别涉及金属基烧结制动块制造工艺，尤其适用于制造铁路车辆制动闸片和闸瓦。
背景技术：
摩擦制动产品是制动器、离合器的关键部件，广泛用于汽车、摩托车、列车、飞机等运输工具及石油钻井、风力发电等运动机械中。在制动中，摩擦制动部件构成的摩擦副通过相互摩擦消耗运动车辆或设备的能量，达到使运动车辆和设备停止的目的。随着运动车辆和设备的动能提高，摩擦制动部件的使用条件愈发苛刻，尤其在高速列车制造领域，制动摩擦副需要在高温高速条件下实现制动功能，因此，摩擦部件的工作环境随列车的速度提高而恶化。另一方面，为了提高列车的制动力而减少制动距离，人们又不断提高摩擦副的压力、摩擦系数以及闸片的面积，同时，为提高摩擦部件(制动闸瓦或制动闸片)的使用寿命，选用的材料的耐磨性不断提高。在这种情况下，一些新的矛盾又显现出来，如，随摩擦副面积的增加，两个大面积的平面完全接触啮合的难度增加，这往往需要摩擦副相互磨合一段时间才可实现。因此，在磨合过程中，摩擦面的啮合面积经历了一个由局部小区域到逐渐扩大的过程。在摩擦过程处于啮合面积较小的期间，施加的制动负荷完全作用在面积较小的区域，使接触啮合区域的压力处于远高于设计压力的状态，当材料的耐磨性增加，这个磨合过程随之增加，当制动负荷高，摩擦副的接触啮合区域的压力增加。这样，在这个磨合过程中，局部接触区域处于高压摩擦状态，形成局部高温状态，局部高温造成了这个区域的膨胀，又加剧了高温高压状态，从而在这一个区域形成了“热斑”。热斑是造成摩擦副出现龟裂而损坏的重要原因，因此，随材料的耐磨性提高，热斑问题日益突出。为解决这一问题，美国专利5,934,418和欧洲专利EP1318321均通过在闸片的底板上增加球形机构或弹性垫片的方法来调节接触面积，起到减少热斑的作用，从而达到改善制动力、提高摩擦副寿命的目的。然而，这种方法带来的问题是大大增加了制动闸片底板机构的复杂性，使制造成本显著增加，并且增加了制动闸片的重量，这对降低车辆重量是不利的。同时，这种在底板上增加调节机构的方式仅能实现对单个制动块的调节，而当接触面积的差别出现在不同的制动块间时，则调节作用不大，实际上，接触面积的最大差别往往表现在不相邻的制动块间。
发明内容：
本发明的目的是提出一种双层结构金属基烧结制动块及制造工艺，这种制动块具有双层结构，两层结构是由组份不同的两种材料组成，是在摩擦片表面制造一层转移性好的摩擦材料，通过这层材料的转移，快速实现摩擦面的大面积接触啮合，从而避免局部高应力区的长期存在，大大减少热斑现象，达到改善制动力，增加摩擦副寿命的目的。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种双层结构金属基烧结制动块，制动块为双层结构，一层为表层，由低耐磨材料制造，另一层为基层，由高耐磨材料制造；表层的顶面为摩擦面，另一个面与基层地一个面相连接，基层的另一个面与底板或底板附件相连接；表层和基层材料的成分有差别，但均为金属基烧结摩擦材料，金属基烧结摩擦材料采用铜基或者铁基金属为基体，含有摩擦组元和润滑组元。
所述表层与基层的摩擦系数均处于同一波动范围内，表层在磨合期间能实现材料在摩擦表面的转移，使摩擦副间实现快速大面积啮合，基层的摩擦性能满足制动性能要求。
所述构成制动块表层和基层的金属基烧结摩擦材料，其金属基体的成分含量为50-85％wt，摩擦组元的成分含量为4-20％wt，润滑组元的成分含量为5-20％wt。
所述铜基烧结摩擦材料中，铜基为铜或铜合金，含有铁、锡、铝、铬元素中的至少一种；铁基烧结摩擦材料中，铁基为铁或低碳铁合金，含有铜、镍、锡、铝、铬、锰元素中的至少一种。
所述摩擦组元是从Al2O3、SiO2、SiC、铬铁合金、硬质合金、莫来石、硼酸铝、硫酸钡、天然硅石、碳酸钙中选择至少一种。
所述润滑组元石墨或二硫化钼或二者的组合。
所述表层与基层相比，表层中基体金属含量低1-50％wt，润滑组元含量高1-40％wt。
所述由表层向基层的成分过渡呈剃度分布，或者呈跳跃式变化。
所述表层与基层存在结合面，在结合面上，两层材料的金属基体的连接是冶金结合。
所述表层材料与基层材料根据各自成分比例分别进行配制和混合，表层材料可分成1-3组，各组中的成分有差别。
所述表层的厚度为1-5mm，基层的厚度为10-30mm。
所述双层结构制动块制法，混合均匀的具有不同成分的各组粉末分先后次序装入模具中压制成具有双层结构的一个整体毛坯；
压制成的整体毛坯置入模具内进行加压烧结，烧结在还原性气氛或真空条件下进行，烧结压力为2-50MPa，烧结可在电阻加热炉中进行，也可采用电流直加热模压烧结成型方法。
所述模压烧结在电阻加热炉中进行时，对于铜基烧结材料，烧结温度为780-1000℃，保温时间为30-100分钟，对于铁基烧结材料，烧结温度为900-1500℃，保温时间为30-120分钟。
所述模压烧结在电流直加热模压烧结炉中进行时，对毛坯施加压力，压力随毛坯温度升高而逐渐增加。对于铜基烧结材料，烧结温度为700-900℃，保温时间为1-20分钟，对于铁基烧结材料，烧结温度为900-1500℃，保温时间为2-20分钟。
本发明双层结构制动块的制造工艺为粉末原料混合、压制成型、模压烧结成型。表层(低耐磨层材料)与基层(高耐磨层材料)根据各自成分比例分别进行配制和混合。混合后，首先将高耐磨层粉末原料置入模具中压制平整，再将低耐磨层粉末原料装入模具中，继续压制，使两种原料粉末压制成一个整体，压制好的坯料进行模压烧结，形成双层结构的制动块。
本发明制动块为双层结构，一层为表层，由低耐磨性材料组成，可实现材料的快速转移，起到削减高点填补低点而使摩擦副实现快速大面积啮合的作用。另一层为基层，由高耐磨性材料组成，具有满足制动要求的摩擦磨损性能。这种双层结构摩擦片具有如下优点：1.摩擦片结构简单，制造成本低；2.接触面积的调整范围大，不受制动块数量的限制；3.磨合时间短，局部高压时间短，可显著减少热斑出现；4.底板占用空间小，可允许增加制动块高度，这增加了制动块的允许磨损高度，从而延长了摩擦片的使用时间。
本发明尤其适用于制造铁路车辆制动闸片或闸瓦，可明显减少磨合过程，提高制动性能，增加闸片或闸瓦的使用寿命，降低制动盘的磨损程度。下文给出针对制造制动闸片，本发明提出的具有双层结构的制动块和制造工艺。
附图说明：
图1是铁路车辆制动闸片的主视图。
图2是闸片上制动块的剖面图。
图3是双层结构制动块的制造工艺流程图。
图4是双层结构和单层结构制动块摩擦面积的变化。
图5是双层结构和单层结构制动块温度的变化。
图6是双层结构和单层结构制动块摩擦系数的变化。
具体实施方式：
结合上图1-6，详细介绍本发明。
实施例1
如图1，铁路车辆制动闸片由底板1和固定在底板1上的一个或数个制动块2构成。制动块2由表层3和基层4组成双层结构，表层3的厚度为1-5mm，基层4为10-30mm。表层3由低耐磨性材料制成，基层4由高耐磨性材料制成。两层间的结合面为冶金结合。表层3的上表面为摩擦面，基层4的下表面与底板或底板附件(图中没标出)相连接。
双层材料的成分有差别，但摩擦系数均处于同一波动范围内。
由表层3和基层4组成的制动块的材料为金属基烧结摩擦材料。金属基烧结摩擦材料可以是铜基，也可以是铁基。它是以金属为基体，添加摩擦组元和润滑组元，其中金属基体的成分含量为50-85％wt，摩擦组元的成分含量为4-20％wt，润滑组元的成分含量为5-20％wt。铜基摩擦材料中，铜基为铜或铜合金，可含有铁、锡、铬、铝等。铁基摩擦材料中，铁基为铁或低碳铁合金，可含有铜、镍、锡、铝、铬、锰等。摩擦组元为Al2O3、SiO2、SiC、铬铁合金、硬质合金、莫来石、硼酸铝、硫酸钡、天然硅石、碳酸钙等。润滑组元为石墨、二硫化钼等。表层(低耐磨层材料)3与基层(高耐磨层材料)4相比，表层基体金属含量低1-50％wt，润滑组元含量高1-40％wt。两层材料间的成分变化可以成剃度分布，也可以成跳跃式变化。
图3说明了制动块的制造工艺流程图：将原材料粉末分别进行混合，混合好的粉末原料依次放入模具内压制成型，随后进行模压烧结成型，从而得到制动块产品。
第一步：成分配制：对于表层3，根据其成分，可分成1-3组，若配制1组以上，不同组间的成分差别为：基体金属具有1-30％的差别，润滑组元具有1-20％的差别。对于基层4，根据其成分，配制成一组原料。
第二步：混合：对依据表层3成分所配制的各组原料，分别进行混合，得到各组的混合粉末；对配制的基层4的粉末进行混合，得到基层4的混合粉末。
第三步：压制：首先将基层4的混合粉末加入模具中，压制平整，再将表层3的各组混合粉末依据其中摩擦组元的含量由高到低分先后次序加入模具中，即先加入高摩擦组元含量的混合粉末，压制平整后，再依次加入摩擦组元含量较低的混合粉末，压制后，基层4和表层3的两种粉末原料形成一个整体坯料。
第四步：压制好的坯料置入烧结炉中进行模压烧结，模压烧结在还原性气氛或真空条件下进行，烧结压力为2-50MPa，烧结可在电阻加热炉中进行，也可采用电流直加热模压烧结成型方法。
在电阻加热炉中烧结，将冷压制成型毛坯连同模具置入炉中，炉内通入氢气和氮气，或启动真空系统，并对毛坯施加压力2-5MPa。对于铜基烧结材料，烧结温度为780-1000℃，保温时间为30-100分钟，对于铁基烧结材料，烧结温度为900-1500℃，保温时间为30-120分钟。
在电流直加热模压烧结炉中，将模具连同毛坯置入炉中，炉内通入氢气和氮气，或启动真空系统，然后，对毛坯施加低电压(电压3-15V)、大电流(10-200A)，同时，对毛坯施加压力4-50MPa，压力随毛坯温度升高而逐渐增加。对于铜基烧结材料，烧结温度为700-900℃，保温时间为1-20分钟，对于铁基烧结材料，烧结温度为800-1500℃，保温时间为2-20分钟。烧结后得到双层结构的制动块。
实施例2：
配制表层3的成分，将表层3分为两组，第一组的成分为：铜粉55％，铁粉21％，SiO27％，石墨17％。第二组的成分为：铜粉58％，铝粉2％，铁粉17％，Al2O31％，SiO27％，石墨15％。基层4的成分，铜粉58％，铝粉3％，铁粉16％，锡粉3％，Al2O32％，SiO210％，石墨8％。
将所配制的三组成分，分别进行混合，得到各组的混合粉末。
首先将基层4的混合粉末放入模具中，在100MPa的压力下压制5-10秒，将压制凸模从模具中退出，再将表层3的第二组混合粉末放入模具中，进行第二次压制，随后，将表层3的第一组混合粉末放入模具中，进行第三次压制，得到冷压制毛坯。
将冷压制毛坯置入模具中，放入电阻加热炉中，通入保护性气氛，烧结压力为3MPa，烧结温度为820℃，保温1小时。随炉冷却至100℃出炉，制成制动块。
同样条件下，采用基层4的混合粉末，通过压制、烧结制成单一结构的制动块。将两种制动块在GF150D型定速摩擦试验机上，进行摩擦测试，测试结果如图4、图5、图6所示，可见，随摩擦时间的增加，本发明提出的双层结构制动块的摩擦面积快速增加，摩擦温度有所降低，摩擦系数快速达到稳定。
实施例3
配制表层3的成分，将表层3分为三组，第一组的成分为：铜粉55％，铁粉20％，SiO24％，莫来石3％，二硫化钼3％，石墨15％。第二组的成分为：铜粉57％，锡粉5％，铁粉15％，Al2O31％，SiO24％，莫来石3％，二硫化钼1％，石墨14％。第三组的成分为：铜粉60％，铝粉5％，铁粉15％，铁铬合金2％，莫来石2％，石墨16％。基层4的成分，铜粉65％，铝粉3％，铁粉10％，锡粉3％，铁铬合金4％，莫来石2％，石墨13％。
实施例4
将表层3为一组，其成分为：铜粉50％，铁粉25％，碳酸钙7％，莫来石2％，二硫化钼1％，石墨15％。基层4的成分，铜粉65％，铬粉2％，铁粉10％，锡粉1％，硬质合金3％，莫来石2％，铁铬合金2％，石墨15％。
实施例5
配制表层3的成分，将表层3分为一组，其成分为：铁粉50％，铜粉24％，莫来石10％，二硫化钼1％，石墨15％。基层4的成分，铁粉63％，铬粉2％，铜粉20％，硬质合金2％，莫来石3％，铁铬合金2％，石墨8％。
经实验，以上实施例所制得双层结构制动块的摩擦面积快速增加，摩擦温度有所降低，摩擦系数快速达到稳定。