本发明属于连接料制备技术领域，具体涉及一种耐高温的连接层底料及其制备方法和应用。
背景技术：
随着国家科技水平的发展，高速列车运行速度大幅度增加，但随之而来的是，制动负荷也越来越大，制动系统中的关键部位——制动闸片的要求也越来越高。随着制动功率的增加，制动闸片在制动过程中将承受更高的热载荷，当制动初速度达到450km/h时，闸片的瞬时闪点温度高达1000℃以上。因此，不仅对闸片中摩擦材料的高温性能提出了更高的要求，也对摩擦材料与小钢背在高温下的粘接强度也提出了更高的要求。
大部分粉末冶金闸片中，在制动过程中，摩擦块主体与制动盘产生摩擦进行减速制动，摩擦块主体为摩擦材料，底部为钢制背板，通常通过钢制背板将摩擦块安装到闸片上，因此，需要通过焊接将摩擦材料与钢制背板进行连接。摩擦材料与钢制背板的连接层底料为铜合金焊料，利用烧结时产生的液相将摩擦材料与钢制背板连接，连接层底料起到焊接两种不同材料的作用，同时实现焊料中合金元素的扩均匀化。
目前，对连接层底料的要求为粘接强度大于7mpa，连接层底料厚度不超过1mm，连接层底料中的合金元素扩散距离不超过1mm，对摩擦材料的影响小，不影响摩擦材料的摩擦磨损性能。在现有技术中，铜合金焊料的熔点均在500℃以下，铜自身熔点为1083℃，当制动过程中瞬时闪点温度在1000℃以上时，摩擦材料与钢制背板连接层底料易发生高温失效，导致摩擦材料与钢制背板脱落，损坏铁路沿线周围设施，危害高速列车的列车安全。因此，研制一种耐高温、满足450km/h高速列车的制动要求的连接层底料对社会具有重大意义。
技术实现要素：
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的摩擦材料与钢制背板连接层底料不能满足450km/h高速列车的制动要求以及耐高温差缺陷，从而提供了一种耐高温的连接层底料及其制备方法和应用。
为此，本发明提供了以下技术方案。
本发明提供了一种耐高温的连接层底料，以质量分数计，所述连接层底料的组分包括15-25％ni、15-25％fe、0.5-5％mo、0-2％nb、1-3％cr，余量为cu。
以质量分数计，所述连接层底料的组分包括18-22％ni、18-22％fe、1-3％mo、0.5-1.5％nb、1.5-2.5％cr，余量为cu。
所述连接层底料的原料包括铜块、铁块、镍块、镍-钼中间合金、镍-铌中间合金、石墨、铬块；
其中，以连接层底料原料总量质量分数100wt％计，所述连接层底料的原料包括15-25％ni、15-25％fe、0.5-5％mo、0-2％nb、1-3％cr、0.3-0.5wt％石墨，在制备连接层底料时，铜的用量是过量的，要保证连接层底料各组分含量满足连接层底料组分包括15-25％ni、15-25％fe、0.5-5％mo、0-2％nb、1-3％cr，余量为cu。这是因为，在冶炼过程中加入石墨的目的是脱氧，降低底料氧含量，连接层底料中不会含有石墨。因此，在制备连接层底料时，原料铜的用量是过量的。
所述连接层底料的目数不超过300目。
本发明提供了一种上述连接层底料的制备方法，包括以下步骤，
(1)按照特定的顺序将镍源、钼源、铌源、铬源、铁源和铜源加入到冶炼炉中，采用感应熔炼工艺得到母合金自耗电极；其中，按照自下至上的顺序，依次为镍-钼、镍-铌、铬、镍、铁和铜；
(2)母合金自耗电极经旋转电极雾化后，得到合金粉末，即连接层底料。
所述步骤(1)具体包括，
按照特定的顺序将镍源、钼源、铌源、铬源、铁源和铜源加入到冶炼炉，熔融，升温至1400-1600℃后加入石墨块，冶炼25-33min，降温至950-1050℃后充入氩气，浇筑得到母合金自耗电极。
所述升温的速率为9-11℃/min；
所述降温的速率为3-5℃/min。
本发明还提供了一种上述连接层底料或上述方法制备得到的连接层底料在连接闸片中摩擦块和钢制背板的应用。
所述应用的步骤包括，
将连接层底料置于钢制背板上，将摩擦块置于连接层底料上方压制成型；
再在900-1000℃、30-50mpa的氢气气氛下烧结0.3-0.6h。
所述连接层底料置于钢制背板的厚度为0.5-1mm。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的耐高温的连接层底料，该连接层底料的组分包括15-25％ni、15-25％fe、0.5-5％mo、0-2％nb、1-3％cr，余量为cu。本发明提供的连接层底料的液相线温度在1100℃以上，熔点在1300℃左右，能够有效承受450km/h制动过程中的热载荷。本发明提供的连接层底料为fcc结构，与铜基摩擦块具有基体结构一致性，相容性强，与大部分闸片中的摩擦块的匹配性好。镍元素可以在铜基体中无限互溶，扩散性良好，本发明采用特定用量的镍，可以大幅度提高底料与摩擦材料的粘接强度。特定的铁-镍比例稳定了底料的晶体结构，避免了因铁素体→奥氏体转变带来的失效风险。特定的钼、铌含量有效提高了底料合金的液相线温度和熔点，同时作为固溶强化元素提高了底料层的高温强度，使底料能够承受高速下紧急制动产生的热载荷。本发明的连接层底料中加入铬，能够提高底料的抗氧化性和耐蚀性，避免底料层长时间服役后的腐蚀失效。
本发明提供的连接层底料可以用于连接粉末冶金闸片中的摩擦块和钢制背板，粘接强度好，能够承受高速(最高450km/h)下紧急制动产生的热载荷。本发明提供的连接层底料的使用方法简单、便捷，无需增加额外的工装或设备，且烧结后无需额外热处理。
2.本发明提供的连接层底料的制备方法，该方法按照特定顺序将镍源、钼源、铌源、铁源、铬源和铜源加入到冶炼炉，采用感应熔炼工艺得到母合金自耗电极，经旋转电极雾化后得到连接层底料。本发明在得到母合金自耗电极时，对原料的装炉顺序进行限定，将高熔点原料置于熔炼炉下方，低熔点原料置于熔炼炉上方，可以缩短母合金自耗电极制备时间，并且在熔炼过程中，低熔点原料先熔化，流动至下方的过程中与下方原料发生溶解和扩散，同时杂质与炉渣上浮，降低了母合金自耗电极中元素偏析与氧含量，减少了成品粉末中的氧含量与夹杂物含量，进而提高连接层底料的抗热蠕变性。
本发明提供的连接层底料的制备方法，在得到母合金自耗电极前，控制升温速率和降温速率，可以有效减少母合金自耗电极中的孔隙与元素偏析，降温速率过高或过低会导致电极在凝固过程中出现孔洞等缺陷。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或者条件，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供了一种耐高温的连接层底料，其组分包括15wt％ni、15wt％fe、0.5wt％mo、0.2wt％nb、1wt％cr，余量为铜。
上述连接层底料的制备方法包括以下步骤，
在冶炼前，所有原料通过酸洗去除表面氧化物，置于50℃的条件下30min，烘干。按照自下至上的顺序，依次将ni-mo中间合金、ni-nb中间合金、cr块、ni块、fe块、cu块加入到冶炼炉中，待所有原料熔融后，将温度升高至1500℃，加入石墨块，保温30min，同时采用电磁搅拌器进行搅拌，实现合金化的同时充分脱氧，然后降温至1000℃，充入氩气，浇筑后得到母合金自耗电极棒。其中，石墨块的加入量为连接层原料总量的0.3wt％。
母合金自耗电极棒经旋转电极雾化后得到合金粉末，合金粉末氧含量小于100ppm，形貌为规则的球形，将合金粉末置于氩气中进行气流筛选，获得300目以下的合金粉末，即得到连接层底料。
实施例2
本实施例提供了一种耐高温的连接层底料，其组分包括24wt％ni、24wt％fe、0.5wt％mo、0.1wt％nb、3wt％cr，余量为铜。
上述连接层底料的制备方法包括以下步骤，
在冶炼前，所有原料通过酸洗去除表面氧化物，置于50℃的条件下30min，烘干。按照自下至上的顺序，依次将ni-mo中间合金、ni-nb中间合金、cr块、ni块、fe块、cu块加入到冶炼炉中，待所有原料熔融后，将温度升高至1500℃，加入石墨块，保温30min，同时采用电磁搅拌器进行搅拌，实现合金化的同时充分脱氧，然后降温至1000℃，充入氩气，浇筑后得到母合金自耗电极棒。其中，石墨块的加入量为连接层原料总量的0.3wt％。
母合金自耗电极棒经旋转电极雾化后得到合金粉末，合金粉末氧含量小于100ppm，形貌为规则的球形，将合金粉末置于氩气中进行气流筛选，获得300目以下的合金粉末，即得到连接层底料。
实施例3
本实施例提供了一种耐高温的连接层底料，其组分包括20wt％ni、20wt％fe、1wt％mo、1wt％nb、1.5wt％cr，余量为铜。
上述连接层底料的制备方法包括以下步骤，
在冶炼前，所有原料通过酸洗去除表面氧化物，置于50℃的条件下30min，烘干。按照自下至上的顺序，依次将ni-mo中间合金、ni-nb中间合金、cr块、ni块、fe块、cu块加入到冶炼炉中，待所有原料熔融后，将温度升高至1500℃，加入石墨块，保温30min，同时采用电磁搅拌器进行搅拌，实现合金化的同时充分脱氧，然后降温至1000℃，充入氩气，浇筑后得到母合金自耗电极棒。其中，石墨块的加入量为连接层原料总量的0.4wt％。
母合金自耗电极棒经旋转电极雾化后得到合金粉末，合金粉末氧含量小于100ppm，形貌为规则的球形，将合金粉末置于氩气中进行气流筛选，获得300目以下的合金粉末，即得到连接层底料。
实施例4
本实施例提供了一种耐高温的连接层底料，其组分包括20wt％ni、20wt％fe、2wt％mo、1wt％nb、2wt％cr，余量为铜。
上述连接层底料的制备方法包括以下步骤，
在冶炼前，所有原料通过酸洗去除表面氧化物，置于50℃的条件下30min，烘干。按照自下至上的顺序，依次将ni-mo中间合金、ni-nb中间合金、cr块、ni块、fe块、cu块加入到冶炼炉中，待所有原料熔融后，将温度升高至1500℃，加入石墨块，保温30min，同时采用电磁搅拌器进行搅拌，实现合金化的同时充分脱氧，然后降温至1000℃，充入氩气，浇筑后得到母合金自耗电极棒。其中，石墨块的加入量为连接层原料总量的0.4wt％。
母合金自耗电极棒经旋转电极雾化后得到合金粉末，合金粉末氧含量小于100ppm，形貌为规则的球形，将合金粉末置于氩气中进行气流筛选，获得300目以下的合金粉末，即得到连接层底料。
对比例1
本对比例提供了一种耐高温的连接层底料，其组分包括10wt％ni、10wt％fe、0.1wt％mo、5wt％nb、5wt％cr，余量为铜。
上述连接层底料的制备方法包括以下步骤，
在冶炼前，所有原料通过酸洗去除表面氧化物，置于50℃的条件下30min，烘干。按照自下至上的顺序，依次将ni-mo中间合金、ni-nb中间合金、cr块、ni块、fe块、cu块加入到冶炼炉中，待所有原料熔融后，将温度升高至1500℃，加入石墨块，保温30min，同时采用电磁搅拌器进行搅拌，实现合金化的同时充分脱氧，然后降温至1000℃，充入氩气，浇筑后得到母合金自耗电极棒。其中，石墨块的加入量为连接层原料总量的0.3wt％。
母合金自耗电极棒经旋转电极雾化后得到合金粉末，合金粉末氧含量小于100ppm，形貌为规则的球形，将合金粉末置于氩气中进行气流筛选，获得300目以下的合金粉末，即得到连接层底料。
对比例2
本对比例提供了一种耐高温的连接层底料，其组分包括15wt％ni、15wt％fe、2wt％nb、2wt％cr，余量为铜。
上述连接层底料的制备方法包括以下步骤，
在冶炼前，所有原料通过酸洗去除表面氧化物，置于50℃的条件下30min，烘干。按照自下至上的顺序，依次将ni-nb中间合金、ni块、cr块、fe块、cu块加入到冶炼炉中，待所有原料熔融后，将温度升高至1500℃，加入石墨块，保温30min，同时采用电磁搅拌器进行搅拌，实现合金化的同时充分脱氧，然后降温至1000℃，充入氩气，浇筑后得到母合金自耗电极棒。其中，石墨块的加入量为连接层原料总量的0.3wt％。
母合金自耗电极棒经旋转电极雾化后得到合金粉末，合金粉末氧含量小于100ppm，形貌为规则的球形，将合金粉末置于氩气中进行气流筛选，获得300目以下的合金粉末，即得到连接层底料。
对比例3
本对比例提供了一种耐高温的连接层底料，其组分包括20wt％ni、10wt％cu、2wt％mo、1wt％nb、2wt％cr，余量为铁。
上述连接层底料的制备方法包括以下步骤，
在冶炼前，所有原料通过酸洗去除表面氧化物，置于50℃的条件下30min，烘干。按照自下至上的顺序，依次将ni-mo中间合金、ni-nb中间合金、ni块、cr块、fe块、cu块加入到冶炼炉中，待所有原料熔融后，将温度升高至1500℃，加入石墨块，保温30min，同时采用电磁搅拌器进行搅拌，实现合金化的同时充分脱氧，然后降温至1000℃，充入氩气，浇筑后得到母合金自耗电极棒。其中，石墨块的加入量为连接层原料总量的0.3wt％。
母合金自耗电极棒经旋转电极雾化后得到合金粉末，合金粉末氧含量小于100ppm，形貌为规则的球形，将合金粉末置于氩气中进行气流筛选，获得300目以下的合金粉末，即得到连接层底料。
对比例4
本对比例提供了一种耐高温的连接层底料，其组分包括15wt％ni、15wt％fe、0.5wt％mo、0.2wt％nb、1wt％cr，余量为铜。
上述连接层底料的制备方法包括以下步骤，
在冶炼前，所有原料通过酸洗去除表面氧化物，置于50℃的条件下30min，烘干。按照自下至上的顺序，依次将fe块、cu块、ni-nb中间合金、cr块、ni块和ni-mo中间合金加入到冶炼炉中，待所有原料熔融后，将温度升高至1500℃，加入石墨块，保温30min，同时采用电磁搅拌器进行搅拌，实现合金化的同时充分脱氧，然后降温至1000℃，充入氩气，浇筑后得到母合金自耗电极棒。其中，石墨块的加入量为连接层原料总量的0.3wt％。
母合金自耗电极棒经旋转电极雾化后得到合金粉末，合金粉末氧含量小于150ppm，形貌为规则的球形，将合金粉末置于氩气中进行气流筛选，获得300目以下的合金粉末，即得到连接层底料。
试验例
本试验例提供了实施例1-4和对比例1-4得到的连接层底料的性能测试及测试结果，测试结果见表1。
连接层底料的氧含量的测试方法：采用氢还原法进行测试，参照gb/t4164-2008。
连接层底料的球形度测试方法：采用金相观察法，将粉末均匀撒在玻璃片上，用光学显微镜测试其投影面上粉末颗粒投影轮廓在两平行线切线间的最长距离和最短距离，颗粒长短度为最长距离和最短距离的比值，将所测量的一定数量粉末颗粒的长短度值取平均值获得长短度平均值，参照jb/t6649-2010。
将实施例1-4和对比例1-4得到的连接层底料用于闸片中摩擦块和钢制背板的连接，测试粘接强度和剪切强度，具体应用步骤包括，
将连接层底料置于钢制背板上，均匀铺洒，铺洒的连接层底料的厚度为0.5-0.7mm，然后将摩擦块置于连接层底料上，压制成型，然后在高纯氢气、1000℃、40mpa的气氛下热压烧结0.5h，完成应用步骤。其中，在本试验例中，摩擦块为铜基摩擦块。
烧结后摩擦块粘结强度与剪切强度测试方法参照tj/cl307-2019标准，在进行高温粘接与剪切强度测试前需在规定温度下保温10min。
表1实施例1-4和对比例1-4制得的连接层底料的性能测试结果
通过实验结果的记载可以知道的是，本发明得到的连接层底料的氧含量低、粘结强度和剪切强度好，能够承受高速下紧急制动产生的热载荷，通过对各组分含量进行优选，可以进一步提高粘结强度和剪切强度。通过对比例2的记载，去掉钼后，降低了连接层底料的强度。对比例3的记载说明，以铁作为底料的主要成分，烧结后的底料中存在较多的bcc结构铁素体，在高温下出现铁素体-奥氏体相变，降低了材料的高温稳定性。对比例4的记载说明，本发明在制备连接层底料时，采用特定的装料顺序有助于降低氧含量，减少夹杂物含量，提高连接层底料的抗蠕变性以及粘结强度。同时，本发明得到的连基层底料的球形度好，成形性好。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。