CN112899520A - 一种粉末冶金摩擦材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及摩擦材料技术领域，公开了一种粉末冶金摩擦材料及其制备方法和应用，该粉末冶金摩擦材料按照重量份数计，包括如下原料组分：鳞片状的石墨5～7份和颗粒状的石墨4～6份。本发明粉末冶金摩擦材料含有特定比例的鳞片状的石墨和颗粒状的石墨，鳞片状的石墨和颗粒状的石墨相结合，提高了材料力学性能，摩擦和磨耗性能，避免了现有技术中因单一使用鳞片状的石墨造成的搭桥效应，造成材料易脱落、掉块、加剧磨损的问题。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦材料技术领域，特别涉及一种粉末冶金摩擦材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着我国铁路运输行业技术的迅猛发展，城际列车、动车及高铁列车运行列数逐年增多，相应的中、高载荷列车制动装置及制动闸片摩擦材料的应用也越来越多，同时制动装置的安全性及稳定性也变得极其重要。其制动闸片摩擦材料必须达到相应的力学性能及摩擦磨耗性能要求才能保证其制动的可靠性和稳定性。
粉末冶金摩擦材料是在基体中添加润滑组元和摩擦组元，采用粉末冶金工艺制备而成的复合材料。该材料具有摩擦系数高且稳定、耐磨性好、导热性优良、强度高、使用在中、高负荷运载设备下，工作平稳可靠。
目前，传统的粉末冶金摩擦材料，所使用石墨为鳞片状的石墨，其粒度为100～200目，由于其含量较高，易造成材料颗粒间的搭桥效应，与基体之间的界面结合强度低，导致颗粒易在摩擦过程中由于剪切力作用而脱落，产生掉块、加剧磨损及性能不稳定等。
发明内容
本发明目的在于提供一种粉末冶金摩擦材料，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为解决上述技术问题所采用的技术方案：
一种粉末冶金摩擦材料，按照重量份数计，包括如下原料组分：鳞片状的石墨5～7份和颗粒状的石墨4～6份。
优选地，按照重量份数计，还包括如下原料组分：铜粉51～63份、铁粉10～17份、锡粉1～3份、二硫化钼0.5～1份、三氧化二铝2～3份、锆英石3～5份、碳化硼0.5～1.5份和铬铁7～10份。
优选地，所述原料组分的尺寸规格分别为：铜粉：50～200目、铁粉：50～200目、锡粉：50～200目、鳞片状的石墨：30～80目、颗粒状的石墨：30～100目、锆英石：40～70目、铬铁：60～120目。
本发明的第二个目的在于提供上述所述的粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将铜粉、铁粉、锡粉、二硫化钼、三氧化二铝、锆英石、碳化硼、铬铁以及润滑油人工初步混匀后，再放入V型混料机中混合1～3小时，得混料A，然后往混料A中加入鳞片状的石墨和颗粒状的石墨继续混合8～10小时，得到混料B；
S2、将所述混料B进行压制，得到压坯；
S3、将所述压坯装入石墨模具内固定好形状，并于钟罩式加压烧结炉内进行烧结，冷却后，即得所述粉末冶金摩擦材料。将压坯装于石墨模具内予以加压烧结，使产品在烧结过程中受到全方位加压，即横向与纵向同时受压，而传统烧结工艺未对压坯的形状进行限位，受压方式为纵向受压，相对于传统烧结工艺，提高了产品整体强度。
优选地，S1中，所述润滑油占所述混料A的质量百分比为0.5～0.7％。
优选地，S2中，所述压制的压力为300～500MPa。
优选地，S3中，所述烧结的条件为：烧结温度为870～900℃，保温时间为1～3小时，烧结压力为1.5～2Mpa。
优选地，S3中，所述烧结过程中，所用的气氛为液氨分解气体或纯氢气。
优选地，S3中，所述冷却的具体过程为：烧结保温结束后，仍保持压力随炉降温至600～650℃，然后移除烧结炉罩，加上冷却水套进行水冷，直至温度降至80℃以下出炉。
本发明的第三个目的在于提供上述所述的粉末冶金摩擦材料在制备高速列车制动闸片中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明粉末冶金摩擦材料含有特定比例的鳞片状的石墨和颗粒状的石墨，鳞片状的石墨和颗粒状的石墨相结合，提高了材料力学性能，摩擦和磨耗性能，避免了现有技术中因单一使用鳞片状的石墨造成的搭桥效应，造成材料易脱落、掉块、加剧磨损的问题。
2、本发明粉末冶金摩擦材料中采用碳化硼和铬铁替代了部分三氧化二铝以及二氧化硅，较传统的粉末冶金摩擦材料减少了三氧化二铝以及二氧化硅的用量，降低了成本，同时能够满足力学性能要求。
3、本发明粉末冶金摩擦材料的制备方法简单，生产成本低，适合工业化生产。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
一种粉末冶金摩擦材料，按照重量份数计，包括如下原料组分：铜粉55份、铁粉15份、鳞片状的石墨6份、颗粒状的石墨5份、锡粉2份、二硫化钼0.8份、三氧化二铝2.5份、锆英石4份、碳化硼1份和铬铁8份。
上述各原料组分的规格分别为：铜粉：180目、铁粉：180目、锡粉：180目、鳞片状的石墨：55目、颗粒状的石墨：65目、锆英石：55目、铬铁：90目、三氧化二铝70#、碳化硼60#。
上述粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将铜粉、铁粉、锡粉、二硫化钼、三氧化二铝、锆英石、碳化硼、铬铁以及润滑油人工初步混匀后，再放入V型混料机中混合2小时，得混料A，然后往混料A中加入鳞片状的石墨和颗粒状的石墨继续混合9小时，得到混料B；所述润滑油占所述混料A的质量百分比为0.6％；
S2、将所述混料B在单位压制压力400MPa下进行压制，得到压坯；
S3、将所述压坯装入石墨模具内，并于钟罩式加压烧结炉内进行烧结，烧结温度为880℃，保温时间为2小时，烧结压力为单位压力1.8Mpa，烧结气氛为液氨分解气体，烧结保温结束后，仍保持压力随炉降温至620℃，然后移除烧结炉罩，加上冷却水套进行水冷，直至温度降至70℃出炉，即得所述粉末冶金摩擦材料。
实施例2
一种粉末冶金摩擦材料，按照重量份数计，包括如下原料组分：铜粉51份、铁粉10份、鳞片状的石墨5份、颗粒状的石墨4份、锡粉1份、二硫化钼0.5份、三氧化二铝2份、锆英石3份、碳化硼0.5份和铬铁7份。
上述各原料组分的规格分别为：铜粉：50目、铁粉：50目、锡粉：50目、鳞片状的石墨：30目、颗粒状的石墨：30目、锆英石：40目、铬铁：60目、三氧化二铝70#、碳化硼60#。
上述粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将铜粉、铁粉、锡粉、二硫化钼、三氧化二铝、锆英石、碳化硼、铬铁以及润滑油人工初步混匀后，再放入V型混料机中混合1小时，得混料A，然后往混料A中加入鳞片状的石墨和颗粒状的石墨继续混合8小时，得到混料B；所述润滑油占所述混料A的质量百分比为0.5％；
S2、将所述混料B在单位压制压力300MPa下进行压制，得到压坯；
S3、将所述压坯装入石墨模具内，并于钟罩式加压烧结炉内进行烧结，烧结温度为870℃，保温时间为1小时，烧结压力为单位压力1.5Mpa，烧结气氛为纯氢气，烧结保温结束后，仍保持压力随炉降温至600℃，然后移除烧结炉罩，加上冷却水套进行水冷，直至温度降至60℃出炉，即得所述粉末冶金摩擦材料。
实施例3
一种粉末冶金摩擦材料，按照重量份数计，包括如下原料组分：铜粉63份、铁粉17份、鳞片状的石墨7份、颗粒状的石墨6份、锡粉3份、二硫化钼1份、三氧化二铝3份、锆英石5份、碳化硼1.5份和铬铁10份。
上述各原料组分的规格分别为：铜粉：200目、铁粉：200目、锡粉：200目、鳞片状的石墨：80目、颗粒状的石墨：100目、锆英石：70目、铬铁：120目、三氧化二铝70#、碳化硼60#。
上述粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将铜粉、铁粉、锡粉、二硫化钼、三氧化二铝、锆英石、碳化硼、铬铁以及润滑油人工初步混匀后，再放入V型混料机中混合3小时，得混料A，然后往混料A中加入鳞片状的石墨和颗粒状的石墨继续混合10小时，得到混料B；所述润滑油占所述混料A的质量百分比为0.7％；
S2、将所述混料B在单位压制压力500MPa下进行压制，得到压坯；
S3、将所述压坯装入石墨模具内，并于钟罩式加压烧结炉内进行烧结，烧结温度为900℃，保温时间为3小时，烧结压力为单位压力2Mpa，烧结气氛为液氨分解气体，烧结保温结束后，仍保持压力随炉降温至650℃，然后移除烧结炉罩，加上冷却水套进行水冷，直至温度降至50℃出炉，即得所述粉末冶金摩擦材料。
对比例1(与实施例1的区别在于不含有颗粒状的石墨)
一种粉末冶金摩擦材料，按照重量份数计，包括如下原料组分：铜粉55份、铁粉15份、鳞片状的石墨6份、锡粉2份、二硫化钼0.8份、三氧化二铝2.5份、锆英石4份、碳化硼1份和铬铁8份。
上述各原料组分的规格分别为：铜粉：180目、铁粉：180目、锡粉：180目、鳞片状的石墨：55目、锆英石：55目、铬铁：90目、三氧化二铝70#、碳化硼60#。
上述粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将铜粉、铁粉、锡粉、二硫化钼、三氧化二铝、锆英石、碳化硼、铬铁以及润滑油人工初步混匀后，再放入V型混料机中混合2小时，得混料A，然后往混料A中加入鳞片状的石墨继续混合9小时，得到混料B；所述润滑油占所述混料A的质量百分比为0.6％；
S2、将所述混料B在单位压制压力400MPa下进行压制，得到压坯；
S3、将所述压坯装入石墨模具内，并于钟罩式加压烧结炉内进行烧结，烧结温度为880℃，保温时间为2小时，烧结压力为单位压力1.8Mpa，烧结气氛为液氨分解气体，烧结保温结束后，仍保持压力随炉降温至620℃，然后移除烧结炉罩，加上冷却水套进行水冷，直至温度降至70℃出炉，即得所述粉末冶金摩擦材料。
对比例2(与实施例1的区别在于采用传统烧结工艺)
一种粉末冶金摩擦材料，按照重量份数计，包括如下原料组分：铜粉55份、铁粉15份、鳞片状的石墨6份、颗粒状的石墨5份、锡粉2份、二硫化钼0.8份、三氧化二铝2.5份、锆英石4份、碳化硼1份和铬铁8份。
上述各原料组分的规格分别为：铜粉：180目、铁粉：180目、锡粉：180目、鳞片状的石墨：55目、颗粒状的石墨：65目、锆英石：55目、铬铁：90目、三氧化二铝70#、碳化硼60#。
上述粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将铜粉、铁粉、锡粉、二硫化钼、三氧化二铝、锆英石、碳化硼、铬铁以及润滑油人工初步混匀后，再放入V型混料机中混合2小时，得混料A，然后往混料A中加入鳞片状的石墨和颗粒状的石墨继续混合9小时，得到混料B；所述润滑油占所述混料A的质量百分比为0.6％；
S2、将所述混料B在单位压制压力400MPa下进行压制，得到压坯；
S3、将所述压坯置于加压烧结炉内进行自由状态下(即压坯的形状未进行固定)烧结，烧结温度为880℃，保温时间为2小时，烧结压力为单位压力1.8Mpa，烧结气氛为液氨分解气体，烧结保温结束后，仍保持压力随炉降温至620℃，然后移除烧结炉罩，加上冷却水套进行水冷，直至温度降至70℃出炉，即得所述粉末冶金摩擦材料。
对比例3(与实施例1的区别在于鳞片状的石墨与颗粒状的石墨未按照特定比例复配使用)
一种粉末冶金摩擦材料，按照重量份数计，包括如下原料组分：铜粉55份、铁粉15份、鳞片状的石墨7份、颗粒状的石墨3份、锡粉2份、二硫化钼0.8份、三氧化二铝2.5份、锆英石4份、碳化硼1份和铬铁8份。
上述各原料组分的规格分别为：铜粉：180目、铁粉：180目、锡粉：180目、鳞片状的石墨：55目、颗粒状的石墨：65目、锆英石：55目、铬铁：90目、三氧化二铝70#、碳化硼60#。
上述粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将铜粉、铁粉、锡粉、二硫化钼、三氧化二铝、锆英石、碳化硼、铬铁以及润滑油人工初步混匀后，再放入V型混料机中混合2小时，得混料A，然后往混料A中加入鳞片状的石墨和颗粒状的石墨继续混合9小时，得到混料B；所述润滑油占所述混料A的质量百分比为0.6％；
S2、将所述混料B在单位压制压力400MPa下进行压制，得到压坯；
S3、将所述压坯置于加压烧结炉内进行自由状态下(即压坯的形状未进行固定)烧结，烧结温度为880℃，保温时间为2小时，烧结压力为单位压力1.8Mpa，烧结气氛为液氨分解气体，烧结保温结束后，仍保持压力随炉降温至620℃，然后移除烧结炉罩，加上冷却水套进行水冷，直至温度降至70℃出炉，即得所述粉末冶金摩擦材料。
将上述实施例1-3及对比例1-3得到的摩擦材料均在万能材料试验机及MM-1000摩擦试验机上进行试验：剪切试验试样尺寸为：15±0.1*15±0.1*20(高度)；抗压试验试样为：10±0.1*10±0.1*10±0.1(高度)；摩擦试验试环：外径φ160mm，内径φ53mm，厚度18mm，摩擦面积5.4cm2，转速7300r/min，单位压力1.57MPa，惯量0.8kg·m2，对偶材料300CrSiMoV，试验结果见表1：
表1
由表1数据可以看出，实施例1-3相比对比例1-3，实施例1-3同时兼具了较高的摩擦系数和较低的摩擦磨耗，同时还具备了较高的力学性能，具有较优异的综合性能。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种粉末冶金摩擦材料，其特征在于，按照重量份数计，包括如下原料组分：鳞片状的石墨5～7份和颗粒状的石墨4～6份。
2.根据权利要求1所述的粉末冶金摩擦材料，其特征在于，按照重量份数计，还包括如下原料组分：铜粉51～63份、铁粉10～17份、锡粉1～3份、二硫化钼0.5～1份、三氧化二铝2～3份、锆英石3～5份、碳化硼0.5～1.5份和铬铁7～10份。
3.根据权利要求2所述的粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述原料组分的尺寸规格分别为：铜粉：50～200目、铁粉：50～200目、锡粉：50～200目、鳞片状的石墨：30～80目、颗粒状的石墨：30～100目、锆英石：40～70目、铬铁：60～120目。
4.权利要求2或3所述的粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将所述铜粉、铁粉、锡粉、二硫化钼、三氧化二铝、锆英石、碳化硼、铬铁以及润滑油进行混合，得混料A，往混料A中再加入鳞片状的石墨和颗粒状的石墨进行混合，得到混料B；
S2、将所述混料B进行压制，得到压坯；
S3、将所述压坯依次经过烧结、冷却，即得所述粉末冶金摩擦材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S1中，所述润滑油占所述混料A的质量百分比为0.5～0.7％。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S2中，所述压制的压力为300～500MPa。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S3中，所述烧结的条件为：烧结温度为870～900℃，保温时间为1～3小时，烧结压力为1.5～2Mpa。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S3中，所述烧结过程中，所用的气氛为液氨分解气体或纯氢气。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S3中，所述冷却的具体过程为：待温度自然冷却至600～650℃，然后进行水冷，直至温度降至80℃以下。
10.权利要求1-3任一项所述的粉末冶金摩擦材料在制备制动闸片中的应用。
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