CN109468493A - 一种粉末冶金Ni-Al基高温摩擦材料的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种粉末冶金Ni‑Al基高温摩擦材料的制备工艺。将Ni粉与Al粉按照一定的比例混合均匀，再添加少量的润滑组元MoS2粉和石墨粉，强化组元Cr粉和Mn粉，摩擦组元SiC和CeO2，利用粉末冶金的热压烧结方法制备Ni‑Al基摩擦材料。获得具有良好综合性能，同时价格又相对低廉的摩擦材料，使其在室温至1000℃范围内具有稳定摩擦系数和较低磨损率，将其用于高温摩擦材料领域，不仅能满足国内市场的需求，同时也降低生产成本、进一步拓宽了Ni‑Al高温合金的应用范围，具有非常好的社会价值和经济价值。本发明制备方法简单、成本低廉、可控性强。
Description
技术领域
本发明属于摩擦材料领域，具体涉及一种粉末冶金Ni-Al基高温摩擦材料的制备工艺。
背景技术
在现代社会中，很多动力设备与交通工具的减速和止步都需要用制动来实现，如火车、汽车、电动车等减速和止步，飞机的着陆等等。动力设备和交通工具的制动主要包括动力制动和摩擦制动两种方式，大多数机械设备都采用摩擦制动的方式。因此，摩擦材料是各种交通运输工具和动力机器的制动器、离合器及摩擦传动装置中的重要部件，在减速、制动、停止、传动、和转向等过程中起关键作用。摩擦材料的主要的功能是通过摩擦来传递动力，利用其摩擦性能，将动力转化为热能以及其它形式的能量，从而使动力装置实现制动、减速或停止的目的，确保安全停车，如刹车片，因此摩擦材料也称为制动材料或刹车材料。
粉末冶金摩擦材料是伴随着粉末冶金技术发展起来的，至今已有80多年的发展历史。在18～19世纪，欧洲就采用了粉末冶金技术制备了铂，这是近代粉末冶金技术复兴和发展的开端。随着粉末冶金技术的革新，进入二十世纪后，烧结金属摩擦材料开始了迅速发展，各种新材料层出不穷。在1929年美国人P.Schwarzkopf首先提出用粉末冶金的方法制备摩擦材料，并开始了制备烧结金属摩擦材料研究工作，在1932年美国通用公司制备的铜基烧结金属摩擦材料应用于航空工业中，这是烧结金属摩擦材料的第一个用户。上个世纪30年代末，烧结金属摩擦材料应用在D-7、D-8铲运机中的离合器上。1938年，烧结金属摩擦材料开始应用于制动装置和汽车传动中。1937年到1941年间，美国威尔曼及同事获得了烧结金属摩擦材料烧结工艺的专利。进入40年代，烧结金属摩擦材料逐步应用于重卡车、客车、拖拉机、坦克等机械中。50年代以前，烧结金属摩擦材料主要应用于干摩擦条件。
近些年随着航空、航天和军事工业的进一步发展，使得材料在高温条件下的摩擦、磨损和润滑问题日益受到重视，迫切需要运用高温润滑技术发展新一代耐高温润滑抗磨材料，而研究从室温到高温下均具有良好摩擦学性能的固体润滑材料，是高温摩擦学材料领域一个重要的研究方向。镍基高温合金具备工作温度高、组织稳定、有害相少、抗氧化、抗热腐蚀能力强等优点，因而作为基体材料被广泛应用于制备金属基高温自润滑复合材料。
发明内容
传统的铁基和铜基合金具有强度不高，纯度较差等自身缺点，基于以上现状，本发明采用粉末冶金的制备工艺，利用固-固反应和固-液反应合成法制备Ni-Al基高性能摩擦材料，最终需要设计的是一种耐高温自润滑的高性能摩擦材料。将一定比例Ni粉与Al粉中添加润滑组元MoS2粉和石墨粉，强化组元Cr粉和Mn粉，摩擦组元SiC和CeO2，均匀混合后热压烧结制成Ni-Al基摩擦材料，期望获得具有良好综合性能，同时价格又相对低廉的摩擦材料，使其在室温至1000℃具有连续、稳定且较低的摩擦系数和磨损率，将其应用于高温摩擦材料中，不仅能满足国内市场的需求，同时也降低生产成本、进一步拓宽了Ni-Al基材料的应用范围，具有非常好的社会价值和经济价值。
本发明的粉末冶金Ni-Al基摩擦材料制备步骤如下：
(1)选择原料粉末；
(2)按照配方设计的质量配比配制摩擦材料试样粉料；
(3)JF801S型号混料机混合试样；
(4)将混合均匀的粉料压成圆柱形压坯，并复压一次，每次压制时间为5分钟；
(5)将压坯放入真空电阻炉装置中，当温度达到1000℃后，加热保温120min，后停止加热；随炉冷却至室温；
(6)取出试样超声清洗后风干；
(7)检测试样摩擦性能。
本发明另一个目的是请求保护上述方法制备的Ni-Al基高性能摩擦材料在摩擦材料领域上的应用。
本发明通过粉末冶金方法，制备Ni-Al基高性能摩擦材料，此类摩擦材料具有以下优点：
(1)采用了传统的粉末冶金工艺，考虑多方面的影响，制备出具有均匀性好、纯度高、结合力强、硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀的摩擦材料。
(2)本实验掺杂基体强化元素Cr、Mn，具有细晶强化和固溶强化作用，改善基体的孔隙率、强度硬度，提高耐磨性。
(3)掺杂的石墨和MoS2为润滑组元，可以提高基体的自润滑性能，从而降低摩擦系数，减少磨损率。
(4)掺杂SiC和CeO2为耐磨组元，可以与润滑组元配合调节摩擦系数，可以提高材料的耐磨损性能，改善材料制动平稳性。
附图说明
图1为本发明Ni-Al基摩擦材料，其中1-45号钢钢背，2-Ni-Al基摩擦材料。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。本实验所涉及的实验仪器如下：电子天平秤，YLJ-303微型压力机、真空电阻炉、摩擦磨损试验机。实例中所涉及的方法若无特殊的说明，均为本领域中普通技术人员所熟知的技术方法。
具体实验步骤如下:
(1)选择原料粉末(Ni、Al、MoS2、SiC、石墨粉、Cr、Mn、CeO2)
铝粉(粒径＜100μm，WAl＞99.9％)；
镍粉(粒径＜100μm，Wni＞99.9％)；
二硫化钼粉(MoS2)粒径＜100μm，WMoS2＞99.9％)；
碳化硅粉(粒径＜75μm，WSiC＞99.9％)；
石墨粉(粒径＜100μm，WC＞99.9％)；
锰粉(粒径＜100μm，WMn＞99.9％)；
铬粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)；
二氧化铈粉(CeO2粉)(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)
(2)按照配方设计的质量配比配制摩擦材料试样粉料，工艺参数(wt％)：碳化硅粉1-3％，二硫化钼粉(MoS2)0.5-1.5％，石墨粉1-5％，锰粉0.5-1.5％，铬粉0.1-0.5％，CeO2粉0.1-0.5％，余量为镍粉和铝粉(其中镍粉和铝粉质量比为(2.7-6.5)：1)；
(3)混料机混合料粉5-6h；
(4)将混合均匀的粉料在1500-2000MPa压力下压成直径为30mm、厚度为1mm圆柱形坯料，并在1500MPa压力下复压一次，每次压制时间为5分钟；
(5)将坯料放在35×35×2mm的45号钢钢背上，放在不锈钢夹具内，施加夹紧力为10MPa，然后放入真空电阻炉中加热，当温度达到1000℃后，加热保温1-2h，后停止加热；随炉冷却至室温；
(6)取出试样超声清洗后风干；
(7)检测试样的硬度及摩擦学性能；
(8)利用洛氏硬度计、摩擦磨损实验机和电子天平测定硬度和摩擦系数及磨损率：硬度(HRC)50-80，摩擦系数0.40-0.65，磨损率(×10-10kg/N.m)4.0-6.0；
实施例1：
具体实验步骤如下:
(2)选择原料粉末(Ni、Al、MoS2、Cr、Mn、SiC、石墨粉、CeO2)
铝粉(粒径＜100μm，WAl＞99.9％)；
镍粉(粒径＜100μm，Wni＞99.9％)；
二硫化钼粉(MoS2)粒径＜100μm，WMoS2＞99.9％)；
碳化硅粉(粒径＜75μm，WSiC＞99.9％)；
石墨粉(粒径＜100μm，WC＞99.9％)；
锰粉(粒径＜100μm，WMn＞99.9％)；
铬粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)；
二氧化铈粉(CeO2粉)(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)
(2)按照配方设计的质量配比配制摩擦材料试样粉料，工艺参数(wt％)：碳化硅粉1％，二硫化钼粉(MoS2)0.5％，石墨粉1％，锰粉0.5％，铬粉0.1％，CeO2粉0.1％，余量为镍粉和铝粉(其中镍粉和铝粉质量比为2.7：1)；
(3)混料机混合料粉5h；
(4)将混合均匀的粉料在1500MPa压力下压成直径为30mm、厚度为1mm圆柱形坯料，并在1500MPa压力下复压一次，每次压制时间为5分钟；
(5)将坯料放在35×35×2mm的45号钢片钢背上，一起放在不锈钢夹具内，施加夹紧力为10MPa，然后放入真空电阻炉中加热，当温度达到1000℃后，加热保温1h，后停止加热；随炉冷却至室温；
(6)取出试样超声清洗后风干；
(7)检测试样的硬度和摩擦学性能；
(8)利用洛氏硬度计、摩擦磨损实验机和电子天平测定硬度和摩擦系数及磨损率：硬度(HRC)50，摩擦系数0.40，磨损率(×10-10kg/N.m)6.0。
实施例2：
具体实验步骤如下:
(3)选择原料粉末(Ni、Al、MoS2、Cr、Mn、SiC、石墨粉、CeO2)
铝粉(粒径＜100μm，WAl＞99.9％)；
镍粉(粒径＜100μm，Wni＞99.9％)；
二硫化钼粉(MoS2)粒径＜100μm，WMoS2＞99.9％)；
碳化硅粉(粒径＜75μm，WSiC＞99.9％)；
石墨粉(粒径＜100μm，WC＞99.9％)；
锰粉(粒径＜100μm，WMn＞99.9％)；
铬粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)；
二氧化铈粉(CeO2粉)(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)
(2)按照配方设计的质量配比配制摩擦材料试样粉料，工艺参数(wt％)：碳化硅粉3％，二硫化钼粉(MoS2)1％，石墨粉5％，锰粉1.5％，铬粉0.5％，CeO2粉0.5％，余量为镍粉和铝粉(其中镍粉和铝粉质量比为6.5：1)；
(3)混料机混合料粉6h；
(4)将混合均匀的粉料在2000MPa压力下压成直径为30mm、厚度为1mm圆柱形坯料，并在1500MPa压力下复压一次，每次压制时间为5分钟；
(5)将坯料放在35×35×2mm的45号钢钢背上，一起放在不锈钢夹具内，施加夹紧力为10MPa，然后放入真空电阻炉中加热，当温度达到1000℃后，加热保温2h，后停止加热；随炉冷却至室温；
(6)取出试样超声清洗后风干；
(7)检测试样的硬度及摩擦学性能；
(8)利用洛氏硬度计、摩擦磨损实验机和电子天平测定硬度和摩擦系数及磨损率：硬度(HRC)80，摩擦系数0.5，磨损率(×10-10kg/N.m)4.0。
实施例3：
(4)选择原料粉末(Ni、Al、MoS2、Cr、Mn、SiC、石墨粉、CeO2)
铝粉(粒径＜100μm，WAl＞99.9％)；
镍粉(粒径＜100μm，Wni＞99.9％)；
二硫化钼粉(MoS2)粒径＜100μm，WMoS2＞99.9％)；
碳化硅粉(粒径＜75μm，WSiC＞99.9％)；
石墨粉(粒径＜100μm，WC＞99.9％)；
锰粉(粒径＜100μm，WMn＞99.9％)；
铬粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)；
二氧化铈粉(CeO2粉)(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)
(2)按照配方设计的质量配比配制摩擦材料试样粉料，工艺参数(wt％)：碳化硅粉2％，二硫化钼粉(MoS2)1.5％，石墨粉3％，锰粉1％，铬粉0.3％，CeO2粉0.3％，余量为镍粉和铝粉(其中镍粉和铝粉质量比为4：1)；
(3)混料机混合料粉6h；
(4)将混合均匀的粉料在1800MPa压力下压成直径为30mm、厚度为1mm圆柱形坯料，并在1500MPa压力下复压一次，每次压制时间为5分钟；
(5)将坯料放在35×35×2mm的45号钢钢背上，一起放在不锈钢夹具内，施加夹紧力为10MPa，然后放入真空电阻炉中加热，当温度达到1000℃后，加热保温1.5h，后停止加热；随炉冷却至室温；
(6)取出试样超声清洗后风干；
(7)检测试样的硬度及摩擦学性能；
(8)利用洛氏硬度计、摩擦磨损实验机和电子天平测定硬度和摩擦系数及磨损率：硬度(HRC)70，摩擦系数0.55，磨损率(×10-10kg/N.m)5.0。
Claims (5)
1.一种粉末冶金Ni-Al基高温摩擦材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选择原料粉末Ni、Al、MoS2、SiC、石墨粉、Cr、Mn、CeO2；
(2)按照配方设计的质量配比配制摩擦材料试样粉料：SiC粉1-3wt％，MoS2，0.5-1.5wt％，石墨粉1-5wt％，Mn粉0.5-1.5wt％，Cr粉0.1-0.5wt％，CeO2粉0.1-0.5wt％，余量为Ni粉和Al粉，其中Ni粉质量比为(2.7-6.5):1；
(3)混料机混合料粉5-6h；
(4)将混合均匀的粉料在1500-2000MPa压力下压成圆柱形坯料，并复压一次，每次压制时间为5分钟；
(5)将坯料放在45号钢钢背上于不锈钢夹具内夹紧，然后放入真空电阻炉中，当温度达到1000℃后，加热保温1-2h，后停止加热；随炉冷却至室温；
(6)取出试样超声清洗后风干。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤：
(7)检测试样的硬度及摩擦学性能；
(8)利用洛氏硬度计、摩擦磨损实验机和电子天平测定硬度和摩擦系数及磨损率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
Al粉(粒径＜100μm，WAl＞99.9％)；
Ni粉(粒径＜100μm，Wni＞99.9％)；
MoS2粉(粒径＜100μm，WMoS2＞99.9％)；
SiC粉(粒径＜75μm，WSiC＞99.9％)；
石墨粉(粒径＜100μm，WC＞99.9％)；
Mn粉(粒径＜100μm，WMn＞99.9％)；
Cr粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)；
CeO2粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)在1500MPa压力下复压。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)将坯料放在35mm×35mm×2mm的45号钢钢背上，于不锈钢夹具内，施加夹紧力为10MPa，然后放入真空电阻炉中。
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