CN103639404B - 一种大功率风电机组用制动闸片材料及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率风电机组用制动闸片材料及其制备工艺，材料主要成分包括Cu、Fe、Fe2B、FeB、Al2O3、SiO2、石墨、玻璃纤维、玻璃粉、微细SiO2；采用原料电解铜粉、还原铁粉、人造刚玉、天然石英砂、200目硼铁、鳞片石墨、玻璃纤维、玻璃粉、微细SiO2颗粒制成生坯后，在840~890℃、9~12MPa保温保压2.5~3.5h，再通过气体烧嘴加热，950~1000℃保温10min；所得材料具有稳定适宜的摩擦因数，强度高，耐磨性好，材料的比热容和密度大，能够有效承担运行工况中的尖峰负荷，导热性能好，工作可靠性高，使用寿命长，显著提高了风机的发电效率。
Description
技术领域
本发明属于风电机组用制动材料制备技术领域，具体涉及一种大功率风电机组用制动闸片材料及其制备工艺。
背景技术
随着风电产业的快速发展，风电机组向着高速、高载的方向发展，风电机组制动***闸片损坏是风电机组产生故障的主要原因之一，由于一般闸片材料的摩擦系数低且摩擦性能不稳定，工作时的耐热温度低，使用周期短，工作效率低，严重制约风电机组的发电效率的提高。
申请号为200910311183.8的专利《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》，原料中含有航空煤油和石墨，常规情况下航空煤油辅助石墨能起到良好的润滑效果，但在大功率风电机组的高温高速工作下进行制动时，石墨由于本身晶格缺陷引入的杂质会使闸片在制动时产生大量摩擦热，导致油膜减薄，影响摩擦系数，降低了闸片制动性能；该工艺对石墨纯度要求较高，而且高纯度石墨和航空煤油大大增加了生产成本；工艺虽然采用加压烧结，使材料具有较高的耐热性，但材料经烧结后，退火严重，材料的硬度和强度都降低，加压既增加能耗，低熔点的锡也易被挤压出来，降低了材料性能。
发明内容
本发明是为了弥补现有技术的不足，提供一种大功率风电机组用制动闸片材料及其制备工艺，该材料具有稳定适宜的摩擦因数，强度高，耐磨性好，材料的比热容和密度大，能够有效承担运行工况中的尖峰负荷，导热性能好，工作可靠性高，使用寿命长，显著提高了风机的发电效率。
一种大功率风电机组用制动闸片材料，其成分及其质量百分含量为：Cu：39.8~41.5%、Fe：6.6~8.2%、Fe2B：3.3~3.5%、FeB：1.5~1.9%、Al2O3：6.4~6.6%、SiO2：6.4~6.6%、石墨：17.5~18.8%、玻璃纤维：4.8~5.7%、玻璃粉：4~4.5%、微细SiO2：2.4~2.9%、剩余：其它。
所述大功率风电机组用制动闸片材料，其所用原料包括：200目电解铜粉100份、还原铁粉24~27份、200目人造刚玉16份、天然石英砂16份、200目硼铁12~13份、50目鳞片石墨43~45份、玻璃纤维12~14份、600目玻璃粉10~11份、微细SiO2颗粒6~7份，所述份是指质量份。
所述大功率风电机组用制动闸片材料的制备工艺，包括以下步骤：
①生坯制备：按比例混合均匀后加入模具中，压制成生坯；
②烧结：将生坯叠放在镀铜处理后的钢背上，进行真空热压烧结，压力为9~12MPa，烧结温度840~890℃，保温保压2.5~3.5h随炉冷却；
③后续处理：在材料表面通过气体烧嘴加热，温度在950~1000℃，保温10min，室温冷却后加工成所需形状。
由于闸片材料的强度和耐磨性很大程度上取决与基体的结构与理化特性，故本发明电解铜粉中加入还原铁粉组合，烧结过程中能够形成固溶体强化合金，具有连续且牢固的金属连接相，有效提高铜基体的强度。加入人造刚玉（Al2O3≥99.5%）和天然石英砂（SiO2≥97%）进行1:1复合作为摩擦质点，摩擦因数稳定度较高，在高温时有效防止基体流动，减小表面的粘结和卡滞，赋予基体合适的机械强度和硬度。加入硼铁能够增加稳定系数，减少对偶的磨损，满足高温大功率条件下的工作，硼铁与还原铁粉在烧结时产生极细的高硬度间隙化合物，弥散在基体中，对基体进行弥散强化作用的同时，细颗粒的反应物降低摩擦材料磨损作用。
鳞片石墨层内原子结合力很强，而层与层之间结合很弱，很容易沿层间解离，分离出薄层，故具有良好的润滑性能，能够提高基体的耐磨性，而玻璃纤维与基体具有良好的润湿性及牢固的结合性，可以增强石墨晶体相邻晶面间的结合力，防止摩擦滑动中纵向压弯或凹陷。因为玻璃纤维具有较高的熔点和离散热，在烧结过程和使用时也不发生晶型转变，故可以提高材料的稳定性，减少或消除开裂，大大增强材料的耐摩擦性及耐热性，使材料获得较好的力学强度与高的硬度，提高其物理力学性能。玻璃粉在未软化时，具有硬度高耐磨性好的特点，软化后形成表面膜填充表面凹坑，在摩擦表面起到润滑以及稳定摩擦因数的作用，能够有效调节粘结程度；当加入10~11份时，在基体中分散均匀，无聚集现象，不影响基体材料的连续性，能够获得最佳的润滑效果。再填充微细SiO2颗粒，使材料表面固体润滑膜的完整性以及强度得到进一步提高，提高复合材料的减摩耐磨性能以及耐高温性能。
发明中所用原料均采用适宜目数的细粉粒，提高压制时接触表面大，收缩量大，便于压制成生坯，粉体具有较大的表面能，在烧结过程中具有更高活性，烧结中扩散速度快，能够获得较大的晶格畸变，使制得的材料具有较高的强度。生坯叠放在镀铜处理后的钢背上，进行真空热压烧结，采用9~12MPa、840~890℃下保温2.5~3.5h的处理工艺，能够形成（FeB+Fe2B）双相型渗硼层，提高材料的硬度和耐磨性，后续的气体烧嘴的加热处理，在能够确保材料的热变形量小的情况下，使材料表面形成50~80um的氧化膜，随着材料的冷却，奥氏体转变为马氏体，使材料表面硬化，同时硬化层内残留一定的压应力，从而提高材料的耐磨性和抗疲劳性。
本发明风电机组用制动闸片材料，通过研究各组分的作用机理，进行合理配比，优化工艺参数，调节控制各组分的含量及存在形式，使闸片承载合理、散热性能好，所得制动闸片用材料具有稳定适宜的摩擦因数，强度高，耐磨性好，材料的比热容和密度大，单位体积内能吸收较多的摩擦热量，能够有效承担运行工况中的尖峰负荷，导热性能好，服役时耐高温，工作可靠性高，材料使用寿命长，减少了维修次数，显著提高了风机的发电效率。
具体实施例
实施例一
一种大功率风电机组用制动闸片材料的制备工艺，包括以下步骤：
①生坯制备：将100份200目电解铜粉、24份还原铁粉、16份200目人造刚玉、16份天然石英砂、12份200目硼铁、43份50目鳞片石墨、12份玻璃纤维、10份600目玻璃粉、6份微细SiO2颗粒，按比例混合均匀后加入模具中，压制成生坯；
②烧结：将生坯叠放在镀铜处理后的钢背上，进行真空热压烧结，压力为9MPa，烧结温度840℃，保温保压2.5h随炉冷却；
③后续处理：在材料表面通过气体烧嘴加热，温度在950℃，保温10min，室温冷却后加工成所需形状。
经检测，该材料的成分及其质量百分含量为：39.8%Cu、7.5%Fe、3.3%Fe2B、1.9%FeB、6.4%Al2O3、6.4%SiO2、18.8%石墨、5.2%玻璃纤维、4.3%玻璃粉、2.9%微细SiO2、剩余：其它。
实施例二
一种大功率风电机组用制动闸片材料的制备工艺，包括以下步骤：
①生坯制备：将100份200目电解铜粉、26份还原铁粉、16份200目人造刚玉、16份天然石英砂、13份200目硼铁、44份50目鳞片石墨、13份玻璃纤维、10份600目玻璃粉、7份微细SiO2颗粒，按比例混合均匀后加入模具中，压制成生坯；
②烧结：将生坯叠放在镀铜处理后的钢背上，进行真空热压烧结，压力为10.5MPa，烧结温度865℃，保温保压3.0h随炉冷却；
③后续处理：在材料表面通过气体烧嘴加热，温度在980℃，保温10min，室温冷却后加工成所需形状。
经检测，该材料的成分及其质量百分含量为：40.7%Cu、8.2%Fe、3.5%Fe2B、1.7%FeB、6.5%Al2O3、6.5%SiO2、17.5%石墨、5.3%玻璃纤维、4.5%玻璃粉、2.7%微细SiO2、剩余：其它。
实施例三
一种大功率风电机组用制动闸片材料的制备工艺，包括以下步骤：
①生坯制备：将100份200目电解铜粉、27份还原铁粉、16份200目人造刚玉、16份天然石英砂、13份200目硼铁、45份50目鳞片石墨、14份玻璃纤维、11份600目玻璃粉、7份微细SiO2颗粒，按比例混合均匀后加入模具中，压制成生坯；
②烧结：将生坯叠放在镀铜处理后的钢背上，进行真空热压烧结，压力为12MPa，烧结温度890℃，保温保压3.5h随炉冷却；
③后续处理：在材料表面通过气体烧嘴加热，温度在1000℃，保温10min，室温冷却后加工成所需形状。
经检测，材料的成分及其质量百分含量为：41.5%Cu、6.6%Fe、3.4%Fe2B、1.5%FeB、6.6%Al2O3、6.6%SiO2、17.9%石墨、5.7%玻璃纤维、4%玻璃粉、2.4%微细SiO2、剩余：其它。
检测上述三个实施例所得材料的性能，检测结果如下表所示：
| 检测项目 | 实施例一 | 实施例二 | 实施例三 |
| 摩擦系数 | 0.39 | 0.42 | 0.41 |
| 磨损率（mm/面次） | 0.0092 | 0.0087 | 0.0089 |
| 磨损量（cm3/GJ） | 65 | 63 | 66 |
| 比热容:J/(kg·℃） | 193 | 196 | 197 |
| 密度（10e-6kg/mm3） | 1.17 | 1.19 | 1.17 |
| 热传导系数（W/m·k） | 2.80 | 2.79 | 2.83 |
由上表可知，本方法所得制动闸片用材料具有稳定适宜的摩擦因数，材料的比热容和密度大，单位体积内能吸收较多的摩擦热量，有效承担运行工况中的尖峰负荷，导热性能好，服役时耐高温，提高工作效率，延长了使用寿命。
Claims (2)
1.一种大功率风电机组用制动闸片材料，其特征在于：其成分及其质量百分含量为：Cu：39.8~41.5%、Fe：6.6~8.2%、Fe2B：3.3~3.5%、FeB：1.5~1.9%、Al2O3：6.4~6.6%、SiO2：6.4~6.6%、石墨：17.5~18.8%、玻璃纤维：4.8~5.7%、玻璃粉：4~4.5%、微细SiO2：2.4~2.9%、剩余：其他不可避免的杂质。
2.一种制备如权利要求1所述的大功率风电机组用制动闸片材料的工艺，其特征在于，所述制备工艺包括以下步骤：
①生坯制备：将原料按比例混合均匀后加入模具中，压制成生坯，其所用原料包括：200目电解铜粉100份、还原铁粉24~27份、200目人造刚玉16份、天然石英砂16份、200目硼铁12~13份、50目鳞片石墨43~45份、玻璃纤维12~14份、600目玻璃粉10~11份、微细SiO2颗粒6~7份，所述份是指质量份；
②烧结：将生坯叠放在镀铜处理后的钢背上，进行真空热压烧结，压力为9~12MPa，烧结温度840~890℃，保温保压2.5~3.5h随炉冷却；
③后续处理：在材料表面通过气体烧嘴加热，温度在950~1000℃，保温10min，室温冷却后加工成所需形状。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Limiao Inventor after: Zhang Weijie Inventor after: Chen Zhuo Inventor before: Zhang Weijie |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20160226 Address after: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Applicant after: State Grid Corporation of China Applicant after: Pingdingshan Power Supply Company, State Grid Henan Electric Power Co., Ltd. Address before: Pingdingshan City, Henan Province, the southern section of Xinhua Road 467001 Applicant before: Pingdingshan Power Supply Company, State Grid Henan Electric Power Co., Ltd. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |