CN101109421A - 一种粉末冶金刹车片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车辆用刹车片，特别指一种粉末冶金刹车片及其制备方法。本发明的刹车片采用以下配方：铜3－7％、石墨11－15％、石墨粒度11－15％、二硫化钼2－4％、氧化铅3－5％、三氧化二铝1－2％、硫磺0－0.8％、铁(基体)64－78％；其中：石墨中粗晶为－50目、－80目含量比例为1∶1，石墨粒度中细晶为－50目、－80目、－200目含量比例为9∶9∶2。本发明较好的配方为：铜3％、石墨11％、石墨粒度11％、二硫化钼2％、氧化铅3％、三氧化二铝1％、硫磺不加、铁69％。本发明的制备方法是：1.混料；2.压型；3.烧结。本发明安全、寿命长、耐磨损、经济效益好。

Description

一种粉末冶金刹车片及其制备方法

技术领域

本发明涉及车辆用刹车片，特别指一种粉末冶金刹车片及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，车速与之相应的制动安全要求也越来越高，自1975年美国的“105号联帮汽车安全标准”规定了严格的制动距离要求后，我国也制订了相应的汽车安全标准，对汽车制动材料提出了更高的要求，在此情况下，传统的石棉刹车片往往由于烧焦碎裂而发生制动失灵，另外，在国际上，自从1972年国际肿瘤医学讨论会确认石棉是影响人体健康的致癌物质以来，一些西方工业国家如美国、英国、联邦德国等已对石棉粉末规定了严格的控制标准，一些国家为适应汽车市场竞争的需要，大力开发无石棉磨擦材料，美国环境保护局(EBA)于1983年已提出了禁止使用石棉的建议。粉末冶金制动材料则可以克服以上缺点，它具有制动灵敏可靠，耐高温，寿命长，对油和水敏感性低等特点，同时，适应性好，不但适用于平地，更适用于山区，因此，社会效益显著，是一种很有前途的制动材料。最近几年，粉末冶金制动片在E6 140、CA-10、JH-150等车型中得到了广泛的应用，深受用户欢迎。但是，弗须讳言，粉末冶金汽车刹车材料也有它的不足之处，其一是单付成本高，虽然粉末冶金汽车刹车片的寿命是石棉的3-4倍，但售价也达到石棉的1.5-2倍，一次性投资高，影响产品的普及推广，尤其是影响产品的配套，其次是对偶的磨损偏大，尤其是在对偶材料的强度和硬度不符合要求的情况下，另外，材料配方中的贵重组元不但价格上涨，而且采购困难，影响生产的发展，所以研制新材料配方，在保证质量的前提下努力降低成本，已经刻不容缓。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中存在的缺点和问题加以改进、创新，提供一种制动灵敏可靠、安全、不怕水、不怕油、耐高温、使用寿命长、不伤对偶的一种粉末冶金刹车片及其制备方法。

本发明的刹车片采用以下配方：

铜3-7％、石墨11-5％、石墨粒度11-5％、二硫化钼2-4％、氧化铅3-5％、三氧化二铝1-2％、硫磺0-0.8％、铁(基体)64-78％；

其中：石墨中粗晶为-50目、-80目含量比例为1∶1，石墨粒度中细晶为-50目、-80目、-200目含量比例为9∶9∶2。

本发明较好的配方为：

铜3％、石墨11％、石墨粒度11％、二硫化钼2％、氧化铅3％、三氧化二铝1％、硫磺不加、铁69％。

本发明的制备方法是：

1)混料：先将铁粉用80目筛过滤，将机油与铁粉混合，然后加入-200目石墨混匀，再加入铜粉、二硫化钼、氧化铅、三氧化二铝、硫磺装机搅拌两小时，再称取-50目、-80目石墨装机搅拌三小时；

2)压型：磨擦片厚10-4毫米，分上下两层，上层为磨擦粉，底层为钢背粉，采用冲压或液压成型，压制力为50-60T/cm²；

3)烧结：将压制好的坯片采用钢背向下，磨擦层向上的装舟形式装入推杆式烧结炉，烧结温度为1000-1100℃，保温时间为2-4小时。

本发明有以下有益效果和优点：

1、安全。制动的问题，首先必须制动可靠和安全，从用户意见来看，本发明比石棉制动灵敏可靠，如甘肃省定西汽车运输公司反映“粉末冶金片制动可靠，40Km/h，有效制动距离6.5m，不跑偏”，而铜川汽车运输公司反映“粉末冶金刹车片安全性能好，不易烧坏，不脱落，不掉块，温度越高，刹车越灵”，另外，河南省灵宝县第一运输公司则反映：“YE-02的安全性较有进步”，总之，本发明能满足汽车制动安全性的要求。

2、寿命长。制动材料的寿命直接反映用户的经济效益，从用户调查来看，普遍反映制动材料的寿命较前提高，提高幅度一倍以上。如甘肃省定西汽车运输公司反映“石棉片大约为一万公里，粉末冶金片大约可行驶两万公里”，包头市第三运输公司则说“使用铁片上算”，铜川汽车运输公司反映“石棉片在铜川地区平均使用寿命4500公里，一个多月时间，粉末冶金片平均寿命在20000公里以后，半年多时间”，使用寿命达到了6倍左右。

3、耐磨损。本发明在研制配方时进行了中掉探讨，并进行了用户调查，如铜川汽车运输公司反映“使用情况比以前的磨损小”，包头市第三运输公司来函说“代表团铁片大伙反映讲制动好、效果好，铁片与轮鼓同时磨损，但还是使用铁片好”。从用户使用情况来看，本发明材料对轮鼓的磨损比以前要小。

4、经济效益好。

附图说明

图1-7为各组元含量变化对磨擦系数影响

图8为各组元含量变化对材料对成本影响

图9-10为各组元含量变化对材料对偶磨擦率的影响

具体实施方式

本发明试验组份因素表：

组份因素	铜	石墨	石墨粒度	二硫化钼	三氧化二铝	氧化铅	硫磺
								位极I(下限)	3％	11％	粗品	4％	1％	3％	0
位极II(上限)	7％	15％	细品	2％	2％	5％	0.8％

注：石墨粒度中的粗晶表示-50目、-80目含量的比例为1∶1

细晶表示-50、-80、-200目的含量比例为9∶9∶2

本发明为了减少试验次数，只选择了材料含量的变化，而其他工艺参数如混料方法，压制压力，烧结温度等则固定不变，从以上之参数范围的确定和因素位极表可知，主参数有七个因素，二个位极，故采用正交表Lg(2⁷)，通过正交原理排列实施例共8个如下：

(单位：公斤)

*1、硫磺按外加成份计。

*2、铁的含量是按100％减去各组元含量之和所出。

本发明的制备方法：

1)混料：先将铁粉用80目筛过滤，将机油与铁粉混合，然后加入-200目石墨混匀，再加入铜粉、二硫化钼、氧化铅、三氧化二铝、硫磺装机搅拌两小时，再称取-50目、-80目石墨装机搅拌三小时；

2)压型：磨擦片厚10-14毫米，分上下两层，上层为磨擦粉，底层为钢背粉，采用冲压或液压成型，压制力为50-60T/cm²；

3)烧结：将压制好的坯片采用钢背向下，磨擦层向上的装舟形式装入推杆式烧结炉，烧结温度为1000-1100℃，保温时间为2-4小时。

本发明的试验结果及分析：

试样在MM-1000试验机上试验，试验规范如下：

工作压力0.98MPa，转动惯量I＝2Kg.cm².S²

2500r/min 3000r/min，对偶，材料HT20-40

试验结果如下：

试验结果如表所示，根据正交原理，利用正交表计算，并进行定量分析，包括以下几个方面：

(1)各组元含量变化[1000、1500、2000、3000转/分工况下]对磨擦系统的影响，如图1？所示。

(2)各组元含量变化对材料及对偶磨擦率的影响，如图9、10。

(3)各组元含量变化对材料相对成本影响，如图8。

本发明各组份综合定性分析：

从以上实验结果和图1-10可知，各组含量的变化对磨擦、磨损性能和经济性均产生一定的影响。

(1)铜的加入主要是活化烧结，增加材料的机械强度，提高材料的耐磨性能等。

A、铜含量变化对磨擦系数的影响：

从图1中可以看出，铜含量的变化对磨擦的影响不大，且均随着转速的提高，磨擦系数都均匀下降，但下降幅度不同，3％含量时，下降幅度较大，7％含量时，下降幅度较小，说明铜含量的增加，磨擦系数的相对稳定有所提高，其机理由文献推论如下：由于铜含量的变化，加快了石墨的析出，而游离石墨的增加，则可以稳定磨擦系数。总之，铜含量变化对产品的磨擦性能影响不大，就此而言，可取3％，亦可取7％。

B、铜含量的变化对磨损性能的影响：

C、石墨含量的变化对相对成本的影响：

图8反映了石墨含量的变化对相对成本的影响，位极I(11％)之和为443.07，位极II(15％)之和为462.53，极差19.45，说明位极I优于位极II，即减少石墨含量可以降低相对成本，另外从图8中可以看出，石墨含量的变化对成本的影响比铜、二硫化钼的影响要少得多，故此，石墨的配比应以满足性能为主，相对成本为次。

综上所述，石墨含量的变化对磨擦、磨损性能入经济效益是有一定影响的。由于以上实验的最低含量已达11％，故对经济技术指标，影响不很显著，考虑产品的工艺性，采用含量为11％要比采用含量15％更加合理。

(2)石墨粒度组成(粗品、细品)对磨擦、磨损性能及相对成本的影响：

文献认为，石墨粒度的组成对磨擦、磨损的性能影响比其纯度更为重要，采取适当的粒度组成，降低石墨纯度，达到取而代之成本的目的。

A：石墨粒度组成(粗品、细品)对磨擦性能的影响

本正交试验所采用的石墨为-50目、-80目、-200目三种规格，其中-50目、-80目按1∶1配比简称粗品，-50目、-80目、-200目按9∶9∶2配比简称细品，图3反映了石墨粒度对磨擦系统的影响，位极II(粗品)之和在相对应的工况下均大于位极I之和，说明粗片石墨可以提高材料的磨擦系数，另外图3也反映出，无论粗品或细品均随着转速的提高，磨擦系数均匀地下降，且幅度接近，从而说明粒度组成对磨擦系数的稳定性影响不大，为提高磨擦系数考虑，加入粗磷片石墨是可取的。

B：石墨粒度对磨损性能的影响

石墨粒度对材料磨损率的影响见图9，由图9可见，位极I(粗品)之和为16.58×10^-13m³/J，位极II之和为(细品)18.616.58×10^-13m³/J，位极I优于位极II，说明粗片石墨稍减少材料的磨损，而图10反映了石墨粒度对对偶磨损的影响，位极I之和为4.93×10^-13m³/J，位极II之和为2.61×10^-13m³/J，极差为2.24×10^-13m³/J，位极II优于位极I，即加入细片石墨可以对偶的磨损，另外从极差中看出，为了减少对偶的磨损，加入部分细片石墨到材料中是行之有效的。但不宜太多，否则将加大材料本身的磨损，在汽车刹车材料中宜加入0.8-1.2％的细片石墨。

C：石墨粒度组成对经济性的影响

在石墨价格体系中，不同的粗度组成，对价格的影响是比较大的，但由于本实验所采用的石墨粒度组成各位极差不大，故对成本影响不大，这可从图8中得到证实。

磨损是本发明的主要性能指标之一，包含有两个方面：一个是材料的磨损；一个是对偶的磨损；图9反映了铜的含量变化对材料本身磨损的影响。位极I(3％)之和为19.41×10^-13m³/J，位极II(7％)之和为16.45×10^-13m³/J，说明位极II优于位极I，但相对于其他组元而言，铜的影响不大，图10反映了铜含量变化对对偶磨损的影响，位极I之和为2.7×10^-13m³/J，位极II之和为5.03×10^-13m³/J，极差较大，且位极I优于位极II，说明铜含量的增加，加快了对偶的磨损，故此，就磨损性能而言，铜含量宜采用3％，而不宜采用7％。

C：铜含量的变化对相对成本的影响

图8反映了各组元含量变化对相对成本的影响，从图8中可以看出，位极I之和为433.86，位极II之和为471.73，说明位极I优于位极II，且影响较大，所以降低铜的含量是提高经济效益的有效途径之一。

综上所述，铜含量对以上三个方面都有影响，权衡利弊，以采用3％为好。

(3)石墨含量变化的影响：

石墨在磨擦材料中，主要起润滑作用，它能稳定磨擦系数，改善材料及对偶的磨损性能

A：石墨含量变化对磨擦系数的影响：

图2描述了石墨含量对磨擦系数的影响，位极I(11％)和位极II(15％)均随着转速提高，磨擦系数均平缓地下降，在各工况下，磨擦系数的极差较小(最大极差为<0.07>)，从中可以说明，当石墨含量达到一定含量比例后，在增加其含量，并不能有效地提高磨擦系数，另外从图2中曲线的斜率看出，石墨含量对磨擦系数的稳定性影响，位极II优于位极I即15％优于11％，但效果不明显，考虑到石墨的增加将影响材料的工艺性，故宜采用石墨含量为11％。

B：石墨含量变化对耐磨性能的影响

材料中加入石墨可以减少磨损，图9反应石墨含量变化对材料磨损的影响，位极II(15％)优于位极I(11％)，但效果相对来说不很明显；图10反映了石墨含量变化对对偶磨损的影响，且位极I优于位极II，为此可以看出，就材料本身磨损而言，15％的含量优于11％，而就对偶的磨损而言，11％含量优于15％。

(4)二硫化钼的含量对磨擦、磨损性能及相对成本的影响

二硫化钼是一个优良的固体润滑材料，尤其是在重负荷、高转速的工况下，更是必不可少的，但是由于价格贵，在汽车刹车片中过多地加入将大大地提高材料成本，此外，有关资料介绍，过多地加入二硫化钼对材料的磨擦、磨损性能也不利，为此，合理选择用量是十分重要的。

A：二硫化钼含量对磨擦性能的影响

在图4中可以看出，二硫化钼的含量在不同的工况下对材料磨擦性能的影响不同。在初始阶段，位极I(4％)之和为1.88，位极II(2％)之和为1.77，而当转速达到300r/min时，位极I(4％)之和为0.99，位极II(2％)之和为1.02，这种结果说明二硫化钼的有利影响，只有在高速下才较明显，此外，从图4中曲线的斜率可以看出，在1000-3000r/mim的工况下，增加其含量对磨擦系数的稳定性不利，尤其是在初始阶段，由于中载荷汽车刹车片的工作状况均在50km/h以下，所以二硫化钼在材料中的润滑性难以显示，故此而言，可以减少其含量，且含量宜在2％以下。

B：Mos₂含量对磨擦性能的影响

Mos₂对材料磨损率的影响，如图9所示，位极I(4％)之和为19.5×10^-13m³/J，位极II(2％)之和为15.69×10^-13m³/J，极差3.81×10^-13m³/J，从而说明位极II优于位极I，即增加Mos₂的含量将加快材料的磨损。同样在图10中，位极I之和为4.040×10^-13m³/J，位极II之和为3.59×10^-13m³/J，极差为0.45×10^-13m³/J，即位极II也稍优于位极I，说明二硫化钼含量的增加同样促进对偶的磨损。

由此可知，Mos₂的的润滑性只有在高速、高温下方得以显示[7]，否则所取作用甚微，所以就磨损性能而言，含量宜在2％以下。

C：Mos₂含量相对成本的影响

由于Mos₂价格贵，所以在各组元变化中对相对成本的影响也是最大的。在图8中，位极I(4％)之和为484，位极II(2％)之和为442.74，极差60.13，是同类配方中成本影响较大的铜的1.59倍，所以减少Mos₂含量是降低成本最有效的途径。

总之，相对而言，Mos₂的含量变化对相对成本影响最大，而对磨擦、磨损性能影响不大，所以减少Mos₂含量，将大大降低材料的相对成本。在汽车刹车片材料中，Mos₂含量宜在2％以下，或更低，最好能用其他材料代替。

(5)氧化铅的含量变化对磨擦、磨损性能及相对成本的影响：

A：氧化铅含量变化对磨损性能的影响

图5反应了氧化铅含量变化对磨擦系数的影响，从图5中可以看出，随着转速的提高，磨擦系数都均匀下降，且两条曲线的斜率相近，说明增加氧化铅的含量对稳定性的影响大。另外，在相应工况下，位极I之和均高于位极II之和，即参加氧化铅含量可以起到作用，其机理可以解释如下：氧化铅加入到材料中，在高温烧结时铅被还原，而铅属软质低熔金属，所以起到了减磨作用。

B：氧化铅含量变化对磨损性能的影响

对材料本身磨损，由图9可见，位极I(3％)之和为16.8×10^-13m³/J，位极II(5％)之和为18.36×10^-13m³/J，极差-1.56×10^-13m³/J，说明位极I优于位极II，即3％的含量优于5％的含量。氧化铅含量变化对对偶磨损的影响反映在图10中，位极I之和为1.79×10^-13m³/J，位极II之和5.83×10^-13m³/J，极差-4.03×10^-13m³/J，从而说明减少氧化铅含量不但可以减少材料的磨损，而且可以大大减少对偶磨损。氧化铅作为一种润滑组元加入到材料中，主要是改善材料的磨擦性能，然而它加入量是有限的，因为过量的氧化铅加入到材料中，在高温烧结时，氧化铅还原，氧则与材料中的其它组元反应，特别与基体反应，生成氧化铁。随氧化铁的增加，氧化铁的含量增加，而氧化铁既硬且脆，为此，增加氧化铅的含量，不但加快材料的磨擦，尤其加快了对偶的磨损，结果是还原出的铅的润滑性被生成氧化铁所淹没，故此而论，氧化铅含量宜在3％以下。

C：氧化铅含量变化对相对成本的影响

在材料中加入氧化铅而不加入纯铅，主要是从经济角度出发，因为纯铅的价格是氧化铅的两倍左右，而且铅有毒，另外据有关资料认为，氧化铅的加入可以提高材料的抗粘结性，图8反映了氧化铅含量变化相对成本的影响，位极I(3％)之和为451.07，位极II(5％)之和为456.73，极差5.66，说明减少氧化铅含量对降低材料成本是有利的。

综上所述，氧化铅的含量变化对磨擦性影响不大，但对磨损性影响较大。就经济性而言，以减少为宜。另外，通过平均磨擦系数稳定性的正交计算，发现氧化铅的润滑性优于石墨，所以，在材料中加入少量的氧化铅是有利，其含量宜在(3％)以下。

(6)AL₂O₃含量变化对磨擦性能的影响

在图6中，反映了AL₂O₃含量变化对材料性能的影响，在初始阶段(1000r/min)，位极在I(1％)之和为1.83，位极II(2％)之和为1.76，极差0.07，表明位极I的磨擦系数高于位极II，而在转速达到3000r/min时，位极I之和为0.99，位极II之和为1.02，极差0.03，从而说明在材料加入AL₂O₃，只有当转速达到一定时方起磨擦剂的作用。另外，从图6的曲线率来看，1％的曲线率比2％的曲线率大，说明增加AL₂O₃含量可以起到稳定磨擦系数的作用。

B：AL₂O₃对磨损性能的影响

AL₂O₃含量的变化对材料磨损性能的影响，示于图9中，位极I(1％)之和为13.45×10^-13m³/J，位极II(2％)之和为21.74×10^-13m³/J，极差8.29×10^-13m³/J，说明减少AL₂O₃减少含量可以减少材料磨损，而AL₂O₃含量变化对偶磨损的影响也较大，在图10中，位极I之和为2.69×10^-13m³/J，位极II之和为4.93×10^-13m³/J，极差-2.24×10^-13m³/J，说明在材料中增加AL₂O₃含量将加大对偶的磨损，故此AL₂O₃作为磨损剂加入到刹车材料中，其磨损性能而言，应低于1％。

C：AL₂O₃对于成本的影响

由于AL₂O₃价格低廉，在材料中含量较少，且变化不大，故对成本影响微小，故不做定量分析。

综上所述，AL₂O₃加入材料中，可以稳定磨擦系数，增加含量，在高速则可以提高磨擦系数，但同时将加快材料及对偶的磨损，所以，在其含量宜在1％以下，或用其它磨擦剂代替。

(7)加入硫磺对磨擦、磨损性能及相对成本的影响

对本发明材料中加入硫磺目的是使之与基体发生反应，生成硫化铁，其在铁基材料中有抗粘结和抗磨损作用。

A：材料中加入硫磺对磨擦性能的影响

图7中反映了加入硫磺磨擦性能的影响，在初始阶段到1500r/min之间，位极I的磨擦系数都低于位极II，而当转速加大到1500r/min以上时，位极I的磨擦系数则高于位极II，由此可以说明：硫磺既与铁反应生成了硫化铁，而硫化铁的润滑效果只达到一定的转速后才能发生小高，但从图7的曲线可知，硫磺加入对材料的磨擦性能影响而言，其含量应低于0.8％以下。

B：硫磺的加入对材料的磨损性能的影响

对材料磨损的影响，图9中位极I(0)之和为15.68×10^-13m³/J，位极II(0.8)之和为19.5×10^-13m³/J，极差-3.83×10^-13m³/J，说明位极I优于位极II，即加入硫磺将加快材料的磨损。硫磺的加入对对偶的影响反映在图10中。位极I之和为4.04×10^-13m³/J，位极II之和为0.45×10^-13m³/J，极差0.45×10^-13m³/J，即加入硫磺可以保护对偶，其机理主要是硫横铁脆性和润滑性在起作用。

C：硫磺加入对经济性的影响

由于硫磺加入量甚微，所以对材料的相对成本没有影响，故此不再阐述。

综上所述，在本发明中加入硫磺对改善磨损是有效的，尤其在基体铁含量较高时，因为硫磺的加入，在烧结时会生成硫磺铁，而硫磺铁是有一定的润滑作用的，但加过量的硫磺将增加材料的脆性，导致磨损较大，所以，硫磺的加入量控制在0.4％-0.5％。

根据三项技术经济指标通过正交实验，材料中各组元的优化成分如下，铜3％，石墨11％，墨粒度组成，细品，二硫化钼2％，氧化铅3％，三氧化二铝1％，硫磺不加或少加，在所列的材料中，二号配方占据各个成份的优化位置，而且实验结构同样表明二号配方材料性能较为理想。

本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前题下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (3)

1.一种粉末冶金刹车片，其特征在于各组分的重量百分比为：

铜3-7％、石墨11-15％、石墨粒度11-15％、二硫化钼2-4％、氧化铅3-5％、三氧化二铝1-2％、硫磺0-0.8％、铁(基体)64-78％；

其中：石墨中粗晶为-50目、-80目含量比例为1∶1，石墨粒度中细晶为-50目、-80目、-200目含量比例为9∶9∶2。

2.根据权利要求1所述的刹车片，其特征在于各组分的重量百分比为：

铜3％、石墨11％、石墨粒度11％、二硫化钼2％、氧化铅3％、三氧化二铝1％、硫磺不加、铁69％。

3.一种刹车片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)混料：先将铁粉用80目筛过滤，将机油与铁粉混合，然后加入-200目石墨混匀，再加入铜粉、二硫化钼、氧化铅、三氧化二铝、硫磺装机搅拌两小时，再称取-50目、-80目石墨装机搅拌三小时；

2)压型：磨擦片厚10-14毫米，分上下两层，上层为磨擦粉，底层为钢背粉，采用冲压或液压成型，压制力为50-60T/cm2；

3)烧结：将压制好的坯片采用钢背向下，磨擦层向上的装舟形式装入推杆式烧结炉，烧结温度为1000-1100℃，保温时间为2-4小时。

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