CN100465470C - 一种泡沫碳化硅陶瓷增强铜基复合材料摩擦片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及摩擦材料制备技术，具体地说是一种泡沫碳化硅陶瓷、铜合金两相复合的泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片及其制备方法。按体积分数计，泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片成份由15%～50%的泡沫碳化硅陶瓷和85%～50%的铜合金组成。制备方法由高强度致密泡沫碳化硅陶瓷制备、与铜合金复合两个关键工艺步骤组成。先制备高强度致密泡沫碳化硅陶瓷，然后通过挤压铸造的方法使液态铜合金进入泡沫碳化硅陶瓷的三维连通孔空隙中并凝固而实现的。用本发明方法制备的泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片具有耐热性能好、摩擦性能优良、机械强度高、工艺性能好的特点。本发明摩擦片可以作为新型高性能摩擦制动和传动材料。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦材料制备技术，具体地说是一种泡沫碳化硅陶瓷、铜合金两相复合的泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片及其制备方法。
背景技术
摩擦片是飞机、履带车辆和重载车辆等动力传动和制动系统中用量很大的关键部件。飞机和车辆不断向大功率、高速度、高机动方向发展，给传动和制动装置的性能提出了越来越高的要求。
先进的摩擦片材料必须具有稳定的摩擦系数、低的磨损率、高的弹性模量、足够的机械强度、高的耐热性(包括高的熔点和高的抗变形温度)、高的导热性和热容量，才能保证使用寿命达到设计要求、实现传动和制动系统小型化和轻量化，进而提高车辆的机动性和可靠性，飞机制动系统的使用寿命和可靠性。而这些性能的同时获得必须依靠复合材料摩擦性能的提高。
迄今为止，国内外的摩擦传动和制动系统采用的大都是铁基或铜基粉末冶金摩擦片(以下简称粉末冶金摩擦片)，这是一类典型的1-3(一维摩擦组元和三维基体)连接型复合材料。多年的使用损伤研究发现，粘连、点蚀、过量磨损、收缩、翘曲变形和疲劳损坏是这种摩擦片最为典型的故障，而这些故障主要是由于摩擦元件在摩擦过程中摩擦发热所致。因此，同时提高摩擦片材料耐磨性和耐热性，以增加摩擦片对热损坏的抗力，一直是摩擦片材料研究工作的核心，也是摩擦片材料发展的方向。
通过调整材料组成、优化成型烧结工艺、采用先进的表面后处理技术是提高粉末冶金摩擦片性能的主要途径。但由于这类复合材料中增强相与基体之间的1-3型连接关系，弥散在铜合金基体中的增强颗粒无法有效抑制大量摩擦热导致的摩擦片高温变形和粘着磨损，使摩擦片耐热性的提高幅度受到限制；即便对摩擦片表面进行功能化处理(如陶瓷化)，表面抗粘着磨损和抗热变形能力可以得到明显改善，但大量摩擦热导致的层间热应力仍将导致摩擦片整体变形和破损，耐热性的提高也将因此而受到限制。
粉末冶金摩擦传动片和制动片的摩擦性能和耐热性能要同时得到大幅度提高还有很大难度，要满足飞机和重型履带车辆对摩擦传动和制动系统对摩擦材料的需求将面临很大的困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片及其制备方法，用本发明提供的泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片具有耐热性能好、摩擦性能优良、机械强度高、工艺性能好的特点。
本发明的技术方案是：
一种泡沫碳化硅陶瓷增强铜基复合材料摩擦片，按体积分数计，其成份由15％～50％的泡沫碳化硅陶瓷和85％～50％的铜合金组成。
所述的泡沫碳化硅陶瓷增强铜基复合材料摩擦片，其结构为：泡沫碳化硅陶瓷的孔径为：0.1mm～3mm，泡沫碳化硅陶瓷增强相为三维网络化的整体分布，陶瓷与铜合金基体之间形成相互贯通的三维网络结构，具备三维的泡沫陶瓷与三维的铜合金复合构成的3-3型连接特征。
所述的泡沫碳化硅陶瓷增强铜基复合材料摩擦片的制备方法，先制备高强度泡沫碳化硅陶瓷，再利用挤压铸造的方法将液态铜合金压入泡沫碳化硅陶瓷的三维连通孔隙中并凝固，实现泡沫碳化硅陶瓷与铜合金的复合；然后，将泡沫碳化硅陶瓷铜基复合材料出模后机加工到需要的尺寸，即获得泡沫碳化硅陶瓷铜基复合材料摩擦片。
所述的泡沫碳化硅陶瓷增强铜基复合材料摩擦片的制备方法，泡沫碳化硅陶瓷、钢背与铜合金的复合是通过挤压铸造方法实现的，具体步骤如下：
(1)将泡沫碳化硅陶瓷与钢背固定后，然后将泡沫碳化硅陶瓷骨架钢背预热到300℃～800℃，铜合金加热到熔点以上50℃～300℃；
(2)将预热后的陶瓷骨架钢背放入模具中，倒入熔化的铜合金，加压：50～200MPa，保压：20秒～2分钟，得到泡沫碳化硅陶瓷铜基复合材料。
本发明铜合金选用黄铜或青铜中的耐磨铜合金；钢背选用65Mn钢、不锈钢或45#钢。
中国科学院金属研究所在长期从事复合材料研究过程中提出了泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强复合摩擦材料的新概念。这种新概念将陶瓷增强相由传统的在金属基体中的离散分布变为高强度的三维网络化的整体分布，陶瓷与金属基体之间形成相互贯通的三维网络结构，具备3-3型(三维泡沫碳化硅陶瓷和三维基体铜合金复合)连接特征。这种新的连接关系使复合材料中的增强体与基体材料之间产生很强的相互制约关系，进而使复合材料的性能发生重大变化。由此出发，我们采用自有专利技术制备出高强度致密的泡沫碳化硅陶瓷骨架，进而利用压铸工艺将铜合金熔液铸入陶瓷骨架中获得高强度泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合摩擦材料。已有研究结果表明：这种新型的复合材料具有十分稳定的摩擦系数、高的抗热变形和磨损能力、以及良好的成形加工性能，可实现摩擦性能和耐热性能的同时提高，是一种性能优良的摩擦传动和制动材料。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明泡沫碳化硅陶瓷与合金铜复合后形成陶瓷与金属相互贯通的三维连通网络，使陶瓷和金属之间形成很强的相互约束，即紧约束关系。正是这种紧约束关系使复合材料同时具备高的刚性、硬度和冲击韧性，从而表现出优良的摩擦性能和耐热性能。
2、本发明泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片作为新型高性能摩擦制动和传动材料：需求量大、军民两用，产生可观的经济效益和社会效益。它作为摩擦制动片可以应用到飞机的制动系统—航空刹车盘、重载交通车辆和高速列车刹车制动系统；作为摩擦传动材料可以应用到主战坦克、重型履带车辆和重型机械装备的摩擦传动系统。
3、本发明泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片具有耐热性能好、十分稳定的摩擦性能、极低的磨损率和摩擦性能的可调性(见图5～7)、机械强度高，因而可以作为新型高性能摩擦制动和摩擦传动材料在以下几个方面获得广泛应用：
(1)用于民用飞机和军用飞机的刹车盘，具有刹车响应速度快、刹车平稳、磨损率低寿命长、在保证达到需要的刹车力矩条件下，可以降低机轮压力，具有潜在的减重优势。作为军用飞机刹车盘可以为我军战机缩短降落距离、降低维护费用、提高在海上、沙漠地区等恶劣环境下使用能力提供一种新型航空的刹车制动材料。
(2)作为摩擦传动材料，用于军用履带车辆，提高摩擦片使用寿命和动力传动系统的整体效能.摩擦性能和耐热性得到大幅度提高，不仅可以使摩擦片寿命得到提高，还能在保证传动效能得以充分发挥的前提下，实现传动系统小型化和轻量化。
(3)用于民用重型履带车辆(如吊车、推土机、清障车等)，提高传动片的使用寿命，减少故障率，提高安全性。
(4)替代陶瓷颗粒增强铝基复合材料刹车片，用于高速列车、起重车等重型交通工具的制动，提高制动可靠性，延长使用寿命。
(5)替代传动的半金属摩擦刹车片，用于高级轿车制动系统，减小噪音，提高制动性能，延长使用寿命。
附图说明
图1为摩擦片制备工艺流程。
图2a-c为泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片复合示意图；其中，图2a为泡沫碳化硅陶瓷骨架；图2b为复合材料摩擦片复合过程示意图，1为金属合金溶液，2为泡沫碳化硅陶瓷；图2c为复合材料摩擦片。
图3a-d为泡沫碳化硅陶瓷骨架及复合材料摩擦片；其中，图3a、图3b为泡沫碳化硅陶瓷骨架；图3c、图3d为复合材料摩擦片。
图4为泡沫碳化硅陶瓷复合材料航空刹车片结构示意图。
图5a-b为复合材料摩擦片的摩擦系数、磨损率随温度的变化；其中，图5a：铜合金及其复合材料的摩擦系数随温度的变化；图5b:铜合金及其复合材料的磨损率随温度的变化。
图6a-b复合材料摩擦片的摩擦系数、磨损率随载荷的变化。其中，图6a:铜合金及其复合材料的摩擦系数随载荷的变化；图6b:铜合金及其复合材料的磨损率随载荷的变化。
图7a-b复合材料摩擦片的摩擦系数、磨损率随速度的变化。其中，图7a:铜合金及其复合材料的摩擦系数随速度的变化；图7b:铜合金及其复合材料的磨损率随速度的变化。
具体实施方式
本发明涉及的高强度泡沫碳化硅陶瓷的特征和制备方法与专利申请03134039.3中提供的方法一致。
本发明泡沫碳化硅陶瓷整体增强铜基复合材料摩擦片，按体积分数计，其成份由15％～50％的泡沫碳化硅陶瓷和85％～50％的铜合金组成，其中泡沫碳化硅陶瓷的孔径为：0.1mm～3mm。陶瓷增强相由传统的在金属基体中的离散分布变为高强度的三维网络化的整体分布，陶瓷与金属基体之间形成相互贯通的三维网络结构，具备3-3型连接特征。
上述泡沫碳化硅陶瓷整体增强铜基复合材料摩擦片的制备方法，采用挤压铸造的方法将熔融的铜合金压注到泡沫碳化硅陶瓷网孔内，经机加工到需要尺寸即获得泡沫碳化硅陶瓷整体增强铜基复合材料摩擦片，制备过程如图1。
(1)高强度致密泡沫碳化硅陶瓷制备
按专利申请号为：03134039.3(公开号CN1600742A)提供的方法制备高强度致密泡沫碳化硅陶瓷。
(2)泡沫碳化硅陶瓷与钢背的连接
采用卡装或螺钉固定的方式将泡沫碳化硅陶瓷与钢背连接在一起。
(3)泡沫碳化硅陶瓷骨架钢背的预热与铜合金的熔化
将泡沫碳化硅陶瓷骨架钢背预热到300℃～800℃，铜合金加热到熔点以上50℃～300℃。
(4)复合
将预热后的陶瓷骨架钢背放入模具(材质可以为45#钢或耐热钢等)中，倒入熔化的铜合金，加压：50～200MPa，保压：20秒～2分钟，使熔融的铜合金充满泡沫碳化硅陶瓷中的所有空隙、原位凝固并不出现缩孔，得到泡沫碳化硅陶瓷铜基复合材料。
如图2a-c所示，泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片复合示意图；其中，图2a为泡沫碳化硅陶瓷骨架；图2b为复合材料摩擦片复合过程示意图，1为金属合金溶液，2为泡沫碳化硅陶瓷；图2c为复合材料摩擦片。
(5)出模与机加工
将泡沫碳化硅陶瓷铜基复合材料出模后机加工到需要的尺寸，即获得泡沫碳化硅陶瓷铜基复合材料摩擦片。
(6)摩擦传动或制动盘的装配
按要求将泡沫碳化硅陶瓷铜基复合材料摩擦片与背板铆接或焊接在一起，即获得飞机或车辆使用的摩擦制动或传动盘。
采用本发明制备的摩擦制动或传动盘工作温度为：室温～800℃；制动或传动力矩平稳、摩擦系数稳定、磨损率低(见图5a-b、图6a-b、图7a-b)；力学性能为：冲击功在38.3～89.7kJ/m-2、压缩强度在：400～560MPa、弯曲强度在：260～370MPa范围内变化；泡沫碳化硅陶瓷的制备工艺完善可靠、复合是在空气气氛中一步完成、适合于批量生产。
下面通过实施例详述本发明。
实施例1
先按专利申请号为03134039.3提供的方法分别制备泡沫碳化硅陶瓷，泡沫碳化硅陶瓷骨架见图3a。其中泡沫碳化硅陶瓷的尺寸为：外径为Φ85mm、内径为Φ75mm、厚为3mm的圆环，网孔(泡沫碳化硅陶瓷的孔径)大小0.5mm，体积分数是15％，用螺钉固定在外径为Φ97mm、内径为Φ75mm、厚10mm的45#钢环上，加热到300℃后放入Φ100mm的模具内。
采用压铸法，将铁黄铜Hfe59—1—1加热到熔点温度(901℃)100℃以上，采用压力为50MPa，保压时间20秒，压入到泡沫碳化硅陶瓷骨架内，机加工到需要尺寸，即可获得泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片(见图3c)。该摩擦片具有耐热性能好、摩擦性能优良、机械强度高、工艺性能好的特点。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
先按专利申请号为03134039.3提供的方法分别制备泡沫碳化硅陶瓷。其中泡沫碳化硅陶瓷的尺寸为：外径为Φ90、内径为Φ75、厚为3mm的圆环，网孔大小0.2mm，体积分数是20％，用螺钉固定在外径为Φ97、内径为Φ75、厚10mm的65锰钢环上，加热到500℃后放入Φ100的模具内。
采用压铸法，将硅黄铜Hsi80—3加热到熔点温度(900℃)150℃以上，采用压力为80MPa，保压时间30秒，压入到泡沫碳化硅陶瓷骨架内，机加工到需要尺寸，即可获得泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片。该摩擦片具有耐热性能好、摩擦性能优良、机械强度高、工艺性能好的特点。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
先按专利申请号为03134039.3提供的方法分别制备泡沫碳化硅陶瓷。其中泡沫碳化硅陶瓷的尺寸为：外径为Φ200、内径为Φ160、厚为3mm的圆环，网孔大小1mm，体积分数是30％，用螺钉固定在外径为Φ210、内径为Φ160、厚10mm的不锈钢环上，加热到800℃后放入Φ220的模具内。
采用压铸法，将锡青铜QSn6—6—3加热到熔点温度(1019℃)200℃以上，采用压力为100MPa，保压时间40秒，压入到泡沫碳化硅陶瓷骨架内，机加工到需要尺寸，即可获得泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片。该摩擦片具有耐热性能好、摩擦性能优良、机械强度高、工艺性能好的特点。
实施例4
与实施例1不同之处在于：
先按专利申请号为03134039.3提供的方法分别制备泡沫碳化硅陶瓷，泡沫碳化硅陶瓷骨架见图3b。网孔大小1mm，体积分数是40％，利用四个中心孔用螺钉固定在相同尺寸的不锈钢网上，加热到800℃后放入模具内。
采用压铸法，将铬青铜(0.8Cr)加热到1380℃后倒入模具内，采用压力为120MPa，保压时间2min，压入到泡沫碳化硅陶瓷骨架内，机加工到需要尺寸，即可获得泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片(图3d、图4)。该摩擦片具有耐热性能好、摩擦性能优良、机械强度高、工艺性能好的特点。
实施例5
与实施例4不同之处在于：
先按专利申请号为03134039.3提供的方法分别制备泡沫碳化硅陶瓷。网孔大小0.5mm，体积分数是40％，利用四个中心孔用螺钉固定在相同尺寸的不锈钢网上，加热到800℃后放入模具内。
采用压铸法，将铬青铜(1.2Cr)加热到1380℃后倒入模具内，采用压力为100MPa，保压时间1.5min，压入到泡沫碳化硅陶瓷骨架内，机加工到需要尺寸，即可获得泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片。该摩擦片具有耐热性能好、摩擦性能优良、机械强度高、工艺性能好的特点。
实施例6
与实施例4不同之处在于：
先按专利申请号为03134039.3提供的方法分别制备泡沫碳化硅陶瓷。网孔大小2mm，体积分数是50％，利用四个中心孔用螺钉固定在相同尺寸的45#钢板上，加热到800℃后放入模具内。
采用压铸法，将锡青铜QSn5—4—4加热到1280℃后倒入模具内，采用压力为120MPa，保压时间30Sec，压入到泡沫碳化硅陶瓷骨架内，机加工到需要尺寸，即可获得泡沫碳化硅陶瓷骨架整体增强铜基复合材料摩擦片。该摩擦片具有耐热性能好、摩擦性能优良、机械强度高、工艺性能好的特点。
实施例7
与实施例1的不同之处在于铜合金选用铅青铜ZQPb17—4—4。
实施例8
与实施例2的不同之处在于铜合金选用铝青铜QAl11—6—6。
实施例9
与实施例3的不同之处在于：采用压力为80MPa。
实施例10
与实施例4的不同之处在于：铜合金选用铬青铜(0.5Cr)。
实施例11
与实施例5的不同之处在于：保压时间为0.5min。
实施例12
与实施例6的不同之处在于：选用的泡沫碳化硅陶瓷的孔径为0.5mm，体积分数是40％。
实施例13
与实施例4的不同之处在于：铜合金的加热温度到1300℃后倒入模具内。
实施例14
与实施例2的不同之处在于：铜合金选用铅黄铜ZHPb59—1。
实施例15
与实施例6的不同之处在于：钢背选用65Mn钢。
实施例16
与实施例4不同之处是：
增强体泡沫碳化硅陶瓷骨架的孔径分别为：2mm(大孔)、1.4mm(中孔)、0.8mm(小孔)，基体材料选用85Cu-6Sn-6Zn-3Pb合金。在1200℃、120MPa条件压铸成泡沫碳化硅陶瓷整体增强铜基复合材料，对摩副选用Φ6的Si3N4陶瓷球。
图5a-b为复合材料摩擦片的摩擦系数、磨损率随温度的变化，增强体泡沫碳化硅陶瓷骨架的孔径为：2mm；其中，图5a:铜合金及其复合材料的摩擦系数随温度的变化；图5b:铜合金及其复合材料的磨损率随温度的变化。
图6a-b复合材料摩擦片的摩擦系数、磨损率随载荷的变化，增强体泡沫碳化硅陶瓷骨架的孔径为：1.4mm；其中，图6a:铜合金及其复合材料的摩擦系数随载荷的变化；图6b:铜合金及其复合材料的磨损率随载荷的变化。
图7a-b复合材料摩擦片的摩擦系数、磨损率随速度的变化，增强体泡沫碳化硅陶瓷骨架的孔径为：0.8mm；其中，图7a:铜合金及其复合材料的摩擦系数随速度的变化；图7b:铜合金及其复合材料的磨损率随速度的变化。
图5a-b、图6a-b、图7a-b中，Cu代表85Cu-6Sn-6Zn-3Pb合金，10％、20％、30％分别代表泡沫碳化硅陶瓷骨架的体积分数。
Claims (3)
1、一种泡沫碳化硅陶瓷增强铜基复合材料摩擦片的制备方法，其特征在于：按体积分数计，摩擦片成份由15％～50％的泡沫碳化硅陶瓷和85％～50％的铜合金组成；先制备高强度泡沫碳化硅陶瓷，再利用挤压铸造的方法将液态铜合金压入泡沫碳化硅陶瓷的三维连通孔隙中并凝固，实现泡沫碳化硅陶瓷与铜合金的复合；然后，将泡沫碳化硅陶瓷铜基复合材料出模后机加工到需要的尺寸，即获得泡沫碳化硅陶瓷铜基复合材料摩擦片；
泡沫碳化硅陶瓷、钢背与铜合金的复合是通过挤压铸造方法实现的，具体步骤如下：
(1)将泡沫碳化硅陶瓷与钢背固定后，然后将泡沫碳化硅陶瓷骨架钢背预热到300℃～800℃，铜合金加热到熔点以上50℃～300℃；
(2)将预热后的泡沫碳化硅陶瓷骨架钢背放入模具中，倒入熔化的铜合金，加压：50～200MPa，保压：20秒～2分钟，得到泡沫碳化硅陶瓷铜基复合材料。
2、按权利要求1所述的泡沫碳化硅陶瓷增强铜基复合材料摩擦片的制备方法，其特征在于：铜合金选用黄铜或青铜中的耐磨铜合金。
3、按权利要求1所述的泡沫碳化硅陶瓷增强铜基复合材料摩擦片的制备方法，其特征在于摩擦片的结构为：泡沫碳化硅陶瓷的孔径为：0.1mm～3mm，泡沫碳化硅陶瓷增强相为三维网络化的整体分布，泡沫碳化硅陶瓷与铜合金基体之间形成相互贯通的三维网络结构，具备三维的泡沫碳化硅陶瓷与三维的铜合金复合构成的3-3型连接特征。
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