CN102002609A - 海基风电机组用铜基粉末冶金制动闸片材料及制备工艺 - Google Patents

Abstract

海基风电机组用铜基粉末冶金制动闸片材料，由下述组分按重量百分比组成：铜、FWCuZn30黄铜、石墨、海砂、碳化硅、铬铁、锡，其制备工艺，包括配料、压坯、制作支撑钢背、分段加压烧结、机加工成型五个步骤。本发明采用耐海水腐蚀的黄铜作为材料基体及超过30％重量比的高含量非金属组元，可获得优异的耐腐蚀性能及高的摩擦系数和高的制动力矩，且摩擦系数稳定性好，所制备的粉末冶金制动闸片材料符合海基大功率风电机组高速轴制动装置使用性能要求，且组份配比合理，加工工艺简单，制备的粉末冶金制动闸片材料耐腐蚀性能好、摩擦系数高、摩擦系数稳定性好、强度高，适于工业化生产，适于作为功率大于3.5MW海基风电机组高速轴制动材料。

Description

海基风电机组用铜基粉末冶金制动闸片材料及制备工艺 

技术领域：

本发明涉及一种风电机组用制动闸片材料及制备工艺，特别是指一种海基风电机组用铜基粉末冶金制动闸片材料及制备工艺，属于冶金材料制备技术领域。 

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。陆基风电机组目前在中国的可能风场均开始应用，但由于陆基风电离我国电力主要使用的沿海发达地区远，不利于风电电力上网，因此，根据有关调查发现，陆基风电机组目前的发电利用率低于30％。而海基风电由于风力大、利用时间长、离电力需求的发达城市近等优点，海基大功率国产风力发电机组的研制和使用成为绿色能源发展的新高潮。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。应用于海基风电机组的粉末冶金制动闸片与陆基风电机组应用的闸片的最大区别在于：海基风电机组处于腐蚀气氛中，要求摩擦片具有耐腐蚀性能；此外海基风电机组的功率一般大于3.5MW，大于陆基的2.5MW现状，因此，制动闸片所承受的制动力矩更大。 

目前海基大功率风电机组制动使用的粉末冶金闸片存在耐腐蚀性能差、使用可靠性差等技术缺陷。本发明通过材料设计和制造工艺研究及实际应用等方 面的研究工作和验证工作，获得了一种新型耐腐蚀铜基粉末冶金制动闸片材料及其制备工艺。 

发明内容；

本发明的目的在于提供一种组份配比合理，加工工艺简单、制备的材料耐腐蚀性能好、摩擦系数高、摩擦系数稳定性好、强度高的海基风电机组用铜基粉末冶金制动闸片材料及制备工艺。 

本发明海基风电机组用铜基粉末冶金制动闸片材料，由下述组分按重量百分比组成： 

铜                      10～20

FWCuZn30黄铜            30～40

石墨                    10～16

海砂                    8～14

碳化硅                  5～8 

铬铁                    5～10

锡                      1～3 

本发明中，所述铜的粒度为25～75um，FWCuZn30黄铜的粒度为25～75um、石墨的粒度为50～300um、海砂的粒度为50～300um、碳化硅的粒度为25～150um、铬铁的粒度为25～75um、锡的粒度为25～75um。 

本发明海基风电机组用铜基粉末冶金制动闸片材料的制备工艺，包括下述步骤： 

第一步：配料 

根据设计的闸片材料组分配比称取各组份，混合均匀后，掺入硬脂酸锌和航空煤油，混合均匀；所述硬脂酸锌占各组分重量总和0.2％～0.8％；所述航空煤 油占各组分重量总和0.5％～1.0％； 

第二步：压坯 

将第一步所得混合料在350～600MPa压力下模压制得压坯； 

第三步：制作支撑钢背 

采用45号钢板按所述压坯尺寸制作支撑钢背，所述支撑钢背表面电镀铜，电镀层厚度10～20μm； 

第四步：加压烧结 

将第二步所得压坯放置于支撑钢背上，支撑钢背平放在石墨板上，加压烧结后随炉冷却；加压烧结工艺如下：氢气气氛保护，控制炉压1.0～2.0Mpa，按3～8℃/分钟的加热速度升温至380～420℃后，调整炉压至2.0～3.0Mpa，继续加热至800～870℃；保温2～3小时； 

第五步：机加工成型 

将第四步所得烧结坯经机械强度、摩擦磨损性能检测合格后，机加工至产品要求的尺寸，即得到风电机组用铜基粉末冶金制动闸片。 

本发明由于采用上述组份配比及制备工艺，采用耐海水腐蚀的黄铜作为材料基体及超过30％重量比的高含量非金属组元，在获得优异的耐腐蚀性能的情况下，同时获得了高的摩擦系数和高的制动力矩，且摩擦系数稳定性好，所制备的粉末冶金制动闸片材料符合海基大功率风电机组高速轴制动装置使用性能要求。本发明获得的制动闸片材料主要物理机械性能指标见表1。可满足功率大于3.5MW海基风电机组高速轴制动要求，具体性能见实施例。 

表1 

密度(g/cm3)	孔隙度(％)	表观硬度(HB)	抗压强度(MPa)
				4.0～6.2	＜2.0	5～30	≥100

本发明相对于现有粉末冶金闸片材料和制备技术，其优点如下： 

1)创新性采用耐海水腐蚀的黄铜作为材料基体；有效提高材料的耐腐蚀性能；适应于海基风电机组所处的墙腐蚀环境使用。 

2)采用了超过30％重量比的高含量非金属组元，获得了制动需要的高摩擦系数及摩擦系数稳定性和高的制动力矩及良好的耐腐蚀性能；适应于大功率海基风电机组使用。 

3)采用梯度升温和分阶段加压的加压烧结工艺，保证闸片材料的致密化和材料各组元反应充分； 

综上所述，本发明组份配比合理，加工工艺简单，制备的粉末冶金制动闸片材料耐腐蚀性能好、摩擦系数高、摩擦系数稳定性好、强度高，适于工业化生产，适于作为功率大于3.5MW海基风电机组高速轴制动材料。 

具体实施方式

实施例1：5MW海基大功率风电机组高速轴用制动闸片 

制动闸片材料组元为：15％的铜、40％的FWCuZn30黄铜、14％的石墨、14％的海砂、7％的碳化硅、8％的铬铁、2％的锡。 

制动闸片材料组元粒度为：所述铜的粒度为55～75um，FWCuZn30黄铜的粒度为55～75um、石墨的粒度为200～300um、海砂的粒度为200～300um、碳化硅的粒度为100～150um、铬铁的粒度为55～75um、锡的粒度为55～75um。 

制造工艺如下：各组分按配比混合均匀后掺入占各组分总重量0.5％的航空煤油和0.8％的硬脂酸锌，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：氢气气氛保护，控制炉压1.0Mpa，按3～5℃/分钟的加热速度升温至380～420℃后，调整炉压至2.0Mpa，继续加热至860～ 870℃；保温2小时； 

摩擦磨损性能：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μ＝0.45～0.50 

对采用新型耐腐蚀铜基粉末冶金制动材料制造的海基大功率风电机组用制动闸片在5MW风机上进行了应用试验，满足制动要求和人造海水加速腐蚀200H要求。 

实施例2： 

3.5MW海基大功率风电机组高速轴用制动闸片 

制动闸片材料组元为：18％的铜、39％的FWCuZn30黄铜、12％的石墨、12％的海砂、8％的碳化硅、9％的铬铁、2％的锡。 

制动闸片材料组元粒度为：所述铜的粒度为25～55um，FWCuZn30黄铜的粒度为25～55um、石墨的粒度为50～150um、海砂的粒度为50～150um、碳化硅的粒度为25～100um、铬铁的粒度为25～55um、锡的粒度为25～55um。 

制造工艺如下： 

各组分按配比混合均匀后掺入占各组分总重量1％的航空煤油和0.2％的硬脂酸锌，并采用三维混料器混合均匀；混合料以压制压力600MPa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：氢气气氛保护，控制炉压2.0Mpa，按6～8℃/分钟的加热速度升温至380～420℃后，调整炉压至3.0Mpa，继续加热至800～830℃；保温3小时； 

对采用新型耐腐蚀铜基粉末冶金制动闸片材料制造的3.5MW海基大功率风电机组用闸片进行了装机应用试验。试验结果表明，闸片的各项性能均符合海基大功率风电机组高速轴制动要求和耐腐蚀要求。 

摩擦磨损性能：转速n＝6500rpm，惯量J＝1.0kg.cm.s²，刹车压力P＝1.0MPa；平均摩擦系数μ＝0.39～0.45。 

Claims (3)

1.海基风电机组用铜基粉末冶金制动闸片材料，由下述组分按重量百分比组成：

铜                        10～20

FWCuZn30黄铜              30～40

石墨                      10～16

海砂                      8～14

碳化硅                    5～8

铬铁                      5～10

锡                        1～3。

2.根据权利要求1所述的海基风电机组用铜基粉末冶金制动闸片材料，其特征在于：所述铜的粒度为25～75um，FWCuZn30黄铜的粒度为25～75um、石墨的粒度为50～300um、海砂的粒度为50～300um、碳化硅的粒度为25～150um、铬铁的粒度为25～75um、锡的粒度为25～75um。

3.制备如权利要求1所述的海基风电机组用铜基粉末冶金制动闸片材料工艺，包括下述步骤：

第一步：配料

根据设计的闸片材料组分配比称取各组份，混合均匀后，掺入硬脂酸锌和航空煤油，混合均匀；所述硬脂酸锌占各组分重量总和0.2％～0.8％；所述航空煤油占各组分重量总和0.5％～1.0％；

第二步：压坯

将第一步所得混合料在350～600MPa压力下模压制得压坯；

第三步：制作支撑钢背

采用45号钢板按所述压坯尺寸制作支撑钢背，所述支撑钢背表面电镀铜，电镀层厚度10～20μm；

第四步：加压烧结

将第二步所得压坯放置于支撑钢背上，支撑钢背平放在石墨板上，加压烧结后随炉冷却；加压烧结工艺如下：氢气气氛保护，控制炉压1.0～2.0Mpa，按3～8℃/分钟的加热速度升温至380～420℃后，调整炉压至2.0～3.0Mpa，继续加热至800～870℃；保温2～3小时；

第五步：机加工成型

将第四步所得烧结坯经机械强度、摩擦磨损性能检测合格后，机加工至产品要求的尺寸，即得到风电机组用铜基粉末冶金制动闸片。