CN112553534B - 一种铜铁基摩擦材料的制备方法 - Google Patents

一种铜铁基摩擦材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种铜铁基摩擦材料的制备方法，属于制动摩擦复合材料制备技术领域。在铜包铁粉基体中添加强化组元Ni 1wt％‑3wt％，合金组元Mn和Cr 0.5wt％‑1wt％，摩擦组元WC 2wt％‑6wt％，润滑组元铜包石墨4wt％‑10wt％，利用粉末冶金方法制备出了制动低磨损铜铁基摩擦材料。本发明以铜包石墨代替石墨粉末作为润滑组元，在烧结过程中有效改善了铜与石墨润湿性较差的缺点，使得石墨能均匀分布在整个摩擦材料中，并通过组分优化设计和工艺探索，所得粉末冶金铜铁摩擦材料孔隙率低且分布均匀，使得摩擦材料具有高强度、低磨损率、稳定摩擦系数的特点。

Description

一种铜铁基摩擦材料的制备方法
技术领域
本发明涉及制动摩擦材料制备技术领域，特别提供了一种铜铁基摩擦材料的制备方法。
背景技术
摩擦材料的工作原理是在各种制动装置中，利用摩擦材料的摩擦学性能将动能化为热能或其它形式的能量，从而使转动装置制动。粉末冶金摩擦材料是指以金属或合金为基体，添加强化组元，润滑组元，摩擦组元，运用粉末冶金技术制成的摩擦材料。广泛用于摩擦式离合器和摩擦式制动器的摩擦片的制作。运用粉末冶金技术制成的摩擦材料具有孔隙度相对容易控制、基本上一次成型、摩擦系数稳定、导热性优良、磨合性能好、环境污染小、使用寿命长等优点。
现阶段，粉末冶金铜基摩擦材料以其导热系数高、摩擦稳定和磨损量低等优点在交通运输、航天航空和军工国防等领域有广泛的应用前景。然而，在铜基粉末冶金摩擦材料仍存在造价较高，硬度低，烧结后的致密度不高和磨损率高等一些问题，尤其是在高速轨道列车制动材料方面的应用。目前粉末冶金铜铁基摩擦材料含碳量较低，摩擦材料的摩擦学性能和润滑性能差，同时因为铜与碳互不润湿，两种材料界面结合较差，使得基体连续性下降，强度降低，磨损加大。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种铜铁基摩擦材料的制备方法。
本发明的发明构思是：发明人从调节原料粉末的性质入手来改善粉末的润湿性，通常情况下碳以石墨形式直接添加到基体材料中，过多的石墨会分割合金基体，使得材料孔隙率增高，因此当润滑组元采用铜包石墨代替与铜润湿性能较差的石墨，能够提高摩擦材料的基体强度，进而有效提高铜铁基摩擦材料的摩擦磨损性能。
本发明所述的制动铜铁基复合摩擦材料的制备方法，是以电镀铜包铁粉为基体，添加强化组元Ni、摩擦组元WC、润滑组元电镀铜包石墨(鳞片状石墨)和合金组元Mn和Cr，利用铜包石墨与铜包铁在烧结过程中的较好润湿性制备出了铜铁复合摩擦材料；其中，铜包铁粉采用电镀的方式制得，铜元素质量分数为25％，铁的质量分数为75％；强化组元Ni与基体铜包铁基体形成耐高温、高强度铜镍和铁镍金属间化合物，提高基体强度；合金组元Mn和Cr与基体形成高强度固溶体强化基体；铜包石墨采用电镀方式制得，鳞片状石墨表面的镀铜层具有三维网状结构，铜元素质量分数为50％，石墨质量分数为50％。本发明以铜包石墨代替石墨粉末作为润滑组元，在烧结过程中有效改善了铜与石墨润湿性较差的缺点，使得石墨能均匀分布在整个摩擦材料中，并通过组分优化设计和工艺探索，所得粉末冶金铜铁摩擦材料孔隙率低且分布均匀，使得摩擦材料具有高强度、低磨损率、稳定摩擦系数的特点。
制备制动铜铁复合摩擦材料的具体工艺步骤如下：
第一步、选择原辅粉料；
铜包铁粉(Fe-25Cu)(粒径＜75μm，WCu＝25％)；
Ni粉(粒径＜75μm，WNi＞99.9％)；
Mn粉(粒径＜100μm，WMn＞99.9％)；
Cr粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)；
WC粉(粒径＜50μm，WWC＞99.9％)；
铜包石墨粉(粒径＜75μm，WCu＝50％)；
第二步、设计质量配比，WC粉:2wt％-6wt％；Ni粉：1wt％-3wt％；Mn粉和Cr粉：0.5wt％-1wt％；铜包石墨粉：4wt％-10wt％，铜包铁粉取余量；其中铜包石墨粉石墨为鳞片状石墨。
第三步、按上述原料配比称取各原料，先将铜包铁粉、Ni粉、WC粉、Mn粉和Cr粉放入行星式高能球磨机中混合5-8小时后，再将铜包石墨粉放入行星式高能球磨机中混合5小时；
第四步、在800MPa-1000MPa压力下将粉末冷压成直径为20mm，厚度为2mm的圆柱形压坯；
第五步、将冷坯体放入热真空热压烧结炉中烧结，压力为200MPa；加热速度为50℃/min-100℃/min，当温度达到1100℃后，加热保温2h后停止加热；随炉冷却至室温；
第六步、取出试样超声清洗后风干；
第七步、检测试样性能。
进一步的，步骤二中锰粉与铬粉质量比为1:1。
本发明所述的制动铜铁复合摩擦材料的制备方法的优点是：采用铜包石墨粉末替代传统石墨粉末，改善了铜包铁粉与石墨粉末的润湿性，制备得到的摩擦材料镀铜层中具有细小的空间三维网络结构，与强化组元Ni一同提高了铜铁摩擦材料的整体强度，并且在摩擦磨损过程中，包覆在铜里面的石墨会被剥离出来并在摩擦表面形成润滑膜，防止与对偶件之间发生严重的磨损。摩擦材料孔隙的数量较少且较小，孔隙分布更加均匀。本发明制备的制动铜铁复合摩擦材料硬度(HRC)60-90，摩擦系数0.30-0.45，磨损率(×10-10g/N.m)2.5-5.0，具有高强度、低磨损率、稳定摩擦系数的特点。
附图说明
图1为本发明铜铁复合摩擦材料表面形貌图。
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。下述实施例中，铜包铁粉(Fe-25Cu)中Fe含量75wt％，Cu含量25wt％；铜包石墨粉中Cu含量50wt％，石墨含量50wt％。
实施例1
⑴制造工艺：
铜包铁粉(Fe-25Cu)(粒径＜75μm，WCu＝25％)；
Ni粉(粒径＜75μm，WNi＞99.9％)；
Mn粉(粒径＜100μm，WMn＞99.9％)；
Cr粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)；
WC粉(粒径＜50μm，WWC＞99.9％)；
铜包石墨粉(鳞片状石墨)(粒径＜75μm，WCu＝50％)；
第二步、设计质量配比，WC:2wt％,Ni：1wt％；Mn粉和Cr粉(Mn粉和Cr粉质量比为1:1)：0.5wt％；铜包石墨：4wt％，Fe-25Cu：92.5wt％。
第三步、按上述原料配比称取各原料，先将铜包铁粉、Ni粉、WC粉、Mn粉和Cr粉放入行星式高能球磨机中混合5-8小时后，再将铜包石墨粉放入行星式高能球磨机中混合5小时；
第四步、在800MPa-1000MPa压力下将粉末冷压成直径为20mm，厚度为2mm的圆柱形压坯；
第五步、将冷坯体放入热真空热压烧结炉中烧结，压力为200MPa；加热速度为50℃/min-100℃/min，当温度达到1100℃后，加热保温2h后停止加热；随炉冷却至室温；
第六步、取出试样超声清洗后风干；
⑵检测结果：硬度HRC70、摩擦系数0.50、磨损率5.5×10-10g/N.m。
如图1所示为本实施例铜铁复合摩擦材料表面形貌图，由图可知，铜铁摩擦材料孔隙率低且分布均匀，摩擦材料石墨表面的镀铜层中具有细小的空间三维网络结构。
实施例2
⑴制造工艺：
铜包铁粉(Fe-25Cu)(粒径＜75μm，WCu＝25％)；
Ni粉(粒径＜75μm，WNi＞99.9％)；
Mn粉(粒径＜100μm，WMn＞99.9％)；
Cr粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)；
WC粉(粒径＜50μm，WWC＞99.9％)；
铜包石墨粉(鳞片状石墨)(粒径＜75μm，WCu＝50％)；
第二步、设计质量配比，WC:6wt％,Ni：3wt％；Mn粉和Cr粉(Mn粉和Cr粉质量比为1:1)：1wt％；铜包石墨：10wt％，Fe-25Cu：80wt％。
第三步、按上述原料配比称取各原料，先将铜包铁粉、Ni粉、WC粉、Mn粉和Cr粉放入行星式高能球磨机中混合5-8小时后，再将铜包石墨粉放入行星式高能球磨机中混合5小时；
第四步、在800MPa-1000MPa压力下将粉末冷压成直径为20mm，厚度为2mm的圆柱形压坯；
第五步、将冷坯体放入热真空热压烧结炉中烧结，压力为200MPa；加热速度为50℃/min-100℃/min，当温度达到1100℃后，加热保温2h后停止加热；随炉冷却至室温；
第六步、取出试样超声清洗后风干；
⑵检测结果：硬度HRC80、摩擦系数0.55、磨损率4.5×10-10g/N.m。
实施例3
⑴制造工艺：
铜包铁粉(Fe-25Cu)(粒径＜75μm，WCu＝25％)；
Ni粉(粒径＜75μm，WNi＞99.9％)；
Mn粉(粒径＜100μm，WMn＞99.9％)；
Cr粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)；
WC粉(粒径＜50μm，WWC＞99.9％)；
铜包石墨粉(鳞片状石墨)(粒径＜75μm，WCu＝50％)；
第二步、设计质量配比，WC:4wt％,Ni：2wt％；Mn粉和Cr粉(Mn粉和Cr粉质量比为1:1)：0.5wt％；铜包石墨：6wt％，Fe-25Cu：87.5wt％。
第三步、按上述原料配比称取各原料，先将铜包铁粉、Ni粉、WC粉、Mn粉和Cr粉放入行星式高能球磨机中混合5-8小时后，再将铜包石墨粉放入行星式高能球磨机中混合5小时；
第四步、在800MPa-1000MPa压力下将粉末冷压成直径为20mm，厚度为2mm的圆柱形压坯；
第五步、将冷坯体放入热真空热压烧结炉中烧结，压力为200MPa；加热速度为50℃/min-100℃/min，当温度达到1100℃后，加热保温2h后停止加热；随炉冷却至室温；
第六步、取出试样超声清洗后风干；
⑵检测结果：硬度HRC90、摩擦系数0.45、磨损率4.0×10-10g/N.m。
实施例4
⑴制造工艺：
铜包铁粉(Fe-25Cu)(粒径＜75μm，WCu＝25％)；
Ni粉(粒径＜75μm，WNi＞99.9％)；
Mn粉(粒径＜100μm，WMn＞99.9％)；
Cr粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)；
WC粉(粒径＜50μm，WWC＞99.9％)；
铜包石墨粉(鳞片状石墨)(粒径＜75μm，WCu＝50％)；
第二步、设计质量配比，WC:3wt％,Ni：3wt％；Mn粉和Cr粉(Mn粉和Cr粉质量比为1:1)：0.75wt％；铜包石墨：8wt％，Fe-25Cu：85.25wt％。
第三步、按上述原料配比称取各原料，先将铜包铁粉、Ni粉、WC粉、Mn粉和Cr粉放入行星式高能球磨机中混合5-8小时后，再将铜包石墨粉放入行星式高能球磨机中混合5小时；
第四步、在800MPa-1000MPa压力下将粉末冷压成直径为20mm，厚度为2mm的圆柱形压坯；
第五步、将冷坯体放入热真空热压烧结炉中烧结，压力为200MPa；加热速度为50℃/min-100℃/min，当温度达到1100℃后，加热保温2h后停止加热；随炉冷却至室温；
第六步、取出试样超声清洗后风干；
⑵检测结果：硬度HRC60、摩擦系数0.65、磨损率6.0×10-10g/N.m。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种铜铁基摩擦材料的制备方法，其特征在于：
第一步、选择原辅粉料；
铜包铁粉，粒径＜75μm，WCu=25%；
Ni粉，粒径＜75μm，WNi＞99.9%；
锰粉，粒径＜100μm，WMn＞99.9%；
铬粉，粒径＜100μm，WCr＞99.9%；
WC粉，粒径＜50μm，WWC＞99.9%；
铜包石墨粉，粒径＜75μm，WCu=50%；
第二步、设计质量配比，WC粉:2wt%-6wt%；Ni粉：1wt%-3wt%；Mn粉和Cr粉：0.5wt%-1wt%；铜包石墨粉：4wt%-10wt%，铜包铁粉取余量；
第三步、按上述原料配比称取各原料，先将铜包铁粉、Ni粉、WC粉、Mn粉和Cr粉放入行星式高能球磨机中混合5-8小时后，再将铜包石墨粉放入行星式高能球磨机中混合5小时；
第四步、在800MPa-1000MPa压力下将粉末冷压成直径为20mm，厚度为2mm的圆柱形压坯；
第五步、将冷坯体放入热真空热压烧结炉中烧结，压力为200MPa；加热速度为50℃/min-100℃/min，当温度达到1100℃后，加热保温2h后停止加热；随炉冷却至室温；
第六步、取出试样超声清洗后风干；
第七步、检测试样性能；
所述铜包铁粉和铜包石墨粉均为采用电镀的方式制得。
2.根据权利要求1所述的一种铜铁基摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述的铜包石墨粉中，石墨为鳞片状。
3.根据权利要求1所述的一种铜铁基摩擦材料的制备方法，其特征在于：步骤二中锰粉与铬粉质量比为1:1。
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Application publication date: 20210326

Assignee: Dalian Zhongtian locomotive parts manufacturing Co.,Ltd.

Assignor: DALIAN University

Contract record no.: X2023210000257

Denomination of invention: A preparation method for copper iron based friction materials

Granted publication date: 20211019

License type: Common License

Record date: 20231129

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