CN101876011B - 一种大功率风电机组用铜基粉末冶金制动闸片的制备工艺 - Google Patents

一种大功率风电机组用铜基粉末冶金制动闸片的制备工艺 Download PDF

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Abstract

一种大功率风电机组用铜基粉末冶金制动闸片，由下述组分组成：铜、石墨、海砂、铬铁、锡、硅铁；其制备工艺，包括以下步骤：首先，按组分配比称取各组分的粉末，掺入硬脂酸锌和航空煤油，混合均匀；然后，压制成压坯；将压坯置于表面电镀铜的钢背上，在压坯表面覆盖石墨板盖，置入烧结炉中进行梯温梯压加压烧结后加水冷罩冷却至常温，出炉，即得到本发明的铜基粉末冶金制动闸片坯。本发明组分配比合理、加工制造方便、耐磨性好、使用寿命长；其使用寿命和制动性能能满足功率大于2.5MW风电机组高速轴制动要求，可实现工业化生产，产业化前景良好。

Description

一种大功率风电机组用铜基粉末冶金制动闸片的制备工艺
技术领域：
本发明涉及一种粉末冶金制动闸片及制备工艺，特别是指一种大功率风电机组用铜基粉末冶金制动闸片及其制备工艺；具体说是一种应用于大功率风电机组的高性能长寿命铜基粉末冶金制动闸片及制备工艺，属于粉末冶金技术领域。 
背景技术：
风能号称“蓝天白煤”，是全世界瞩目的可再生能源之一。大功率国产风力发电机组(2.5MW以上)的研制和使用被列为“十一五”国家科技支撑计划重大项目，是我国实现2050年风电占全国总电量10％的跨越式发展计划实现的重要保障。风电机组中的高速轴制动用摩擦副具有“三高(高速、高力矩与高压力)一特殊(特殊风沙环境)”的突出特点，在摩擦副材料的应用选择上采用粉末冶金摩擦材料配对合金结构钢配副，是大功率风电机组的安全性和可靠性的重要保障***。制动闸片是大功率风电机组制动装置中的易耗件，需定期更换。粉末冶金制动闸片材料是大功率风电机组制动装置中的关键材料之一，利用制动闸片材料与配对制动盘材料的摩擦力使大功率风电机组的动能转变为热能和其它形式的能量，散发到空气中，从而使制动装置达到制动的效果。 
目前大功率风电机组制动主要使用粉末冶金闸片。现有粉末冶金由于在材料设计方面，没有考虑风电制动的苛刻要求和高的摩擦系数，一般没有设计专门的耐磨擦组分。存在制动力不足、可靠性差、使用寿命短和对制动盘损伤大等技术缺陷。 
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种组分配比合理、加工制造方便、耐磨性好、使用寿命长的大功率风电机组用铜基粉末冶金制动闸片及其制备工艺。 
本发明一种大功率风电机组用铜基粉末冶金制动闸片，由下述组分按重量百分组成： 
铜      65～75 
石墨    10～15 
海砂    1～3 
铬铁    10～15 
锡      1～3 
硅铁    1～3。 
本发明一种大功率风电机组用铜基粉末冶金制动闸片制备工艺，包括一下步骤： 
第一步：制备制动闸片材料混合料 
根据混合料的总质量按具体组分配比称取各组分的粉末，掺入混合料总质量1~2％的硬脂酸锌和航空煤油，混合均匀； 
第二步：制取粉末压坯 
将第一步所得混合料倒入压模的模腔内，以350～600MPa压力压制，制得压坯； 
第三步：支撑钢背准备 
采用钢板加工支撑钢背，在支撑钢背表面电镀铜，电镀层厚度10～20μm； 
第四步：粉末压坯的加压烧结 
将第二步所得粉末压坯放置于钢背的规定位置上，将石墨板盖在所述粉末压坯上，置入烧结炉中进行加压烧结；加压烧结工艺如下：炉压：炉温700℃以下，控制炉压为1.0～2MPa，炉温700℃至950℃，控制炉压为：2～3MPa；炉内气氛：氢气保护气氛；升温制度：以5～10℃/分钟的速度升温至600～620℃，然后，以2～5℃/分钟的速度升温至850～950℃，保温2～4小时后加水冷罩冷却至常温，出炉，即得到本发明的铜基粉末冶金制动闸片坯。 
本发明通过材料设计和制造工艺研究，采用上述组分配方及加工工艺，相对于现有粉末冶金闸片材料和制备技术，具有以下优点： 
1、采用航空煤油和硬脂酸锌作为混合粘结剂，一方面，航空煤油可以有效改善石墨混合的均匀性，另一方面，硬脂酸锌可以提高材料的粘结性能，保证材料压制过程不开裂； 
2、在材料设计方面，采用了高含量大颗粒铬铁作为摩擦组元，大颗粒铬铁的掺入，可以有效提高材料的耐磨性，获得了足够而稳定的摩擦系数，克服了以往采用小颗粒低含量铬铁，材料不能满足使用要求的弊端，使本发明所获得的材料具有高的、稳定的摩擦系数和高的制动力矩； 
3、为了采用梯度升温及分级加压烧结工艺，可保证各成分组元在烧结过程中反应充分及保证制动闸片在厚度方向保持均匀变形，避免发生鼓胀现象，有效保证闸片材料的致密化和材料各组元充分反应；所制备的产物性能参数达到：密度(g/cm3)：4.8-6.8；布氏硬度(HB)：0-50；抗压强度(MPa)：≥80；孔隙度(％)＜2.0；完全满足功率大于2.5MW风电机组高速轴制动要求。 
综上所述，本发明组分配比合理、加工制造方便、耐磨性好、使用寿命长；其使用寿命和制动性能能满足功率大于2.5MW风电机组高速轴制动要求，可实现工业化生产，产业化前景良好。 
具体实施方式
本发明的具体实施方式，下面结合实施例详细说明， 
实施例1 
刹车材料组元为(重量百分比)：铜70、石墨11、海砂2、锡3、铬铁11、硅铁3。 
制造工艺如下： 
各组分按配比混合均匀后掺入混合料总质量1~2％的航空煤油和硬脂酸锌(航空煤油∶硬脂酸锌＝1∶1)并采用三维混料器混合均匀；混合料以600MPa压力压制成粉末压坯；采用厚度2.5mm的45号钢板加工成钢背，镀铜，镀层厚度10～20μm；压坯加压烧结工艺如下：炉压为：炉温700℃以下，控制炉压为1.0MPa，炉温700℃至850℃，控制炉压为：2MPa；炉内气氛：氢气保护气氛；升温制度为：以5℃/分钟的速度升温至600℃，然后，以2℃/分钟的速度升温至850℃，保温2小时后加水冷罩冷却至常温，出炉；所得到的铜基粉末冶金制动闸片坯，性能参数为：密度(g/cm3)：6.1～6.3；布氏硬度(HB)：20～40；抗压强度(MPa)∶100～120；孔隙度(％)：1.6～1.8；在转速n＝6500rpm，惯量J＝1.0kg.cm.s2，刹车压力P＝1.0MPa，刹车10次，平均摩擦系数为：μ＝0.40～0.45； 
将本实施例制备的铜基粉末冶金制动闸片坯按产品尺寸要求加工后，应用于2.5MW风电机组高速轴制动，经过实际装机应用试验，完全满足设计要求。 
实施例2： 
刹车材料组元为(重量百分比)：铜75、石墨10、海砂3、锡1、铬铁10、硅铁1。 
制造工艺如下： 
各组分按配比混合均匀后掺入混合料总质量1~2％的航空煤油和硬脂酸锌(航空煤油∶硬脂酸锌＝1∶1)并采用三维混料器混合均匀；混合料以压制压力500MPa成形粉末压坯；采用厚度2.5mm的45号钢板加工成钢背，镀铜，镀层厚度10～20μm；压坯加压烧结工艺如下：炉压为：炉温700℃以下，控制炉压为1.5MPa，炉温700℃至850℃，控制炉压为：2.5MPa；炉内气氛：氢气保护气氛；升温制度为：以7℃/分钟的速度升温至610℃，然后，以3℃/分钟的速度升温至900℃，保温3小时后加水冷罩冷却至常温，出炉；所得到的铜基粉末冶金制动闸片坯，性能参数为：密度(g/cm3)：6.3～6.7；布氏硬度(HB)：20～40；抗压强度(MPa)：100～120；孔隙度(％)：1.5～1.7.在转速n＝6500rpm，惯量J＝1.0kg.cm.s2，刹车压力P＝1.0MPa，刹车10次，平均摩擦系数为：μ＝0.38～0.43； 
将本实施例制备的铜基粉末冶金制动闸片坯按产品尺寸要求加工后，应用于2.5MW风电机组高速轴制动，经过实际装机应用试验，完全满足设计要求。 
实施例3： 
刹车材料组元为(重量百分比)：65铜、15石墨、1海砂、2锡、15铬铁、2硅铁。 
制造工艺如下： 
各组分按配比混合均匀后掺入掺入混合料总质量1~2％的航空煤油和硬脂酸锌(航空煤油∶硬脂酸锌＝1∶1)并采用三维混料器混合均匀；混合料以压制压力350MPa成形粉末压坯；采用厚度2.5mm的45号钢板加工成钢背，镀铜，镀层厚度10～20μm；压坯加压烧结工艺如下：炉压为：炉温700℃以下，控制炉压为2MPa，炉温700℃至850℃，控制炉压为：3MPa；炉内气氛：氢气保护气氛；升温制度为：以10℃/分钟的速度升温至620℃，然后，以5℃/分钟的速度升温至950℃，保温3小时后加水冷罩冷却至常温，出炉；所得到的铜基粉末冶金制动闸片坯，性能参数为：密度(g/cm3)：5.2～6.0；布氏硬度(HB)：30～50；抗压强度(MPa)：110～130；孔隙度(％)：1.5～1.8；在转速n＝6500rpm，惯量J＝1.0kg.cm.s2，刹车压力P＝1.0MPa，刹车10次，平均摩擦系数为：μ＝0.36～0.40； 
将本实施例制备的铜基粉末冶金制动闸片坯按产品尺寸要求加工后，应用于2.5MW风电机组高速轴制动，经过实际装机应用试验，完全满足设计要求。 

Claims (1)

1.一种大功率风电机组用铜基粉末冶金制动闸片的制备工艺，包括以下步骤：
  第一步：制备制动闸片材料混合料
     根据混合料的总质量按具体组分配比称取各组分的粉末，掺入混合料总质量1～2%的硬脂酸锌和航空煤油，混合均匀；所述混合料由下述组分按重量百分比组成：铜65～75，石墨10～15，海砂1～3，铬铁10～15，锡1～3，硅铁1～3；
 第二步：制取粉末压坯
    将第一步所得混合料倒入压模的模腔内，以350～600MPa压力压制，制得压坯；
第三步：支撑钢背准备
采用钢板加工支撑钢背，在支撑钢背表面电镀铜，电镀层厚度10～20μm；
 第四步：粉末压坯的加压烧结
     将第二步所得粉末压坯放置于钢背的规定位置上，将石墨板盖在所述粉末压坯上，置入烧结炉中进行加压烧结；加压烧结工艺如下：炉压：炉温700℃以下，控制炉压为1.0～2MPa，炉温700℃至950℃，控制炉压为：2～3 MPa；炉内气氛：氢气保护气氛；升温制度：以5～10℃/分钟的速度升温至600～620℃，然后，以2～5℃/分钟的速度升温至850～950℃，保温2～4小时后加水冷罩冷却至常温，出炉，即得到铜基粉末冶金制动闸片。
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