CN101469751B - 摩托车离合器铁基摩擦片、制备工艺、其对偶片及离合器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种摩托车湿式离合器铁基摩擦片和对偶片，以及采用该摩擦片和对偶片制作的摩托车离合器。摩擦片采用铁基粉末冶金材料烧结而成，配方按重量百分比包括锰1.0-6.0％、碳0.1-1.5％、铜1.0-5.5％，以及硅、钼、铬、镍、铅、硫化铁、钨、二氧化硅、硫化钙、石棉中的一种或几种，分别0-10.0％，其余为铁；其较优的成分按重量百分比为锰1.0-3.5％、碳0.1-0.4％、铜1.0-3.5％、镍0.5-3.5％、硅0.1-1.5％，其余为铁；摩擦片的密度范围：6.5-7.0g/cm3，工作面的硬度为HRB60-75。本摩擦片成本低，制造工艺简单。该摩擦片与其对偶片配合在湿式条件下使用，具有较高的摩擦系数和很好的耐磨性，用于摩托车离合器，具有抗过载能力强和使用寿命长等优点。
Description
技术领域：
本发明涉及摩托车行业的离合器用湿式摩擦片及其对偶片，以及采用本摩擦片和对偶片构成摩擦组件的摩托车离合器
背景技术：
摩托车发动机内离合器的摩擦片工作在油浴中，其工作油温为-40℃到+120℃，而实际上，摩擦片工作面在半离合状态下的温度根据其发动机转速和半离合时间长短远远超过+120℃。现有的湿式摩擦片采用的是橡胶软木基材料，存在不耐高温、工作寿命短、抗过载能力弱等问题。在摩托车经常出现的故障中，摩擦片烧蚀占了很大比例，特别是三轮车、沙滩车、大排量的赛车及越野车，摩擦片烧蚀失效已经严重影响其市场。目前很多摩托车发动机制造厂用过载和恶劣环境下的路试来验证其摩擦片的优劣。但无论怎样只要用橡胶软木基做的摩擦片，由于摩托车离合器的使用状况经常为半离合，摩擦片表面温度高、变化大，因此在摩托车的使用中，特别是在三轮车、沙滩车、大排量的赛车及越野车中都容易发生摩擦片烧蚀失效。
目前，也有技术在研究采用粉末冶金材料制作摩擦片。由于摩擦片是工作在油浴中，通常考虑到的是用铜基+合金元素等制成摩擦材料涂布在钢制骨架上烧结成摩擦片，或采用碳基摩擦材料+铜(15％-30％)+其它合金元素+粘接剂在200℃压制成摩擦片，这种采用大量铜基的粉末冶金摩擦材料，价格比较贵，而且工艺复杂，如需要将摩擦材料层和钢骨架组合烧结以及采用较高的压制温度等，不利于用在摩托车行业。也有技术考虑用铁基粉末冶金材料制成骨架，在其工作面上涂布摩擦材料热压成型，但是其工艺复杂，成本也较高。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提出一种高耐磨铁基粉末冶金摩擦片及其对偶片，用于摩托车湿式离合器，提高离合器的抗过载能力和使用寿命，降低成本。
本发明的技术方案如下：
本发明提出的摩托车离合器铁基摩擦片采用铁基粉末冶金材料烧结而成，其在铁基粉末冶金材料中含有按重量百分比计的锰1.0-6.0％、碳0.1-1.5％、铜1.0-5.5％，但较好的配比是锰1.5-3.5％，碳0.35-1.2％，铜1.5-3.5％。
另外，所述基粉末冶金材料中还含有以下物质中的一种或几种做辅助组分：硅、钼、铬、镍、铅、硫化铁、钨、二氧化硅、硫化钙、石棉，这几种辅助组分的添加量按重量百分比计分别为大于0并小于10.0％，总量不超过15％，较好的重量百分比是大于0并小于5.0％，总量不超过10％。
在金属基摩擦片设计中，理论上认为工作在液体状态下的摩擦材料通常应以铜基为主，因为铜基摩擦材料在液体中的摩擦系数可以达到0.1-0.12，摩擦系数较高，而铁基摩擦材料只有用于干摩擦才有较大的摩擦系数，如果用于液体介质中，摩擦系数会剧烈下降。而本发明人通过反复实践，发现用粉末冶金技术，以铁为基加入一些合金元素，合理组配这些合金元素的含量，合理控制烧结体的密度及硬度，同时考虑耐磨性、强度及不损伤对偶片也不与对偶片发生胶合等因素，在液体介质中也可获得较高的摩擦系数。通常的铁基粉末冶金材料要提高其在液体介质中的摩擦系数，需要降低硬度、减小密度、增加孔隙，但是这样摩擦片的强度又会减小，不耐磨，因此申请人通过降低碳含量、控制合理的密度范围和表面粗糙度以提高摩擦系数，同时加入适量的锰、铜、硅、镍等，提高其耐磨性和强度，并使用经氮化或软氮化处理的软钢片作对偶片，这样，摩擦片与对偶片在摩托离合器工作时的湿式摩擦条件下的摩擦系数可以达到0.09-0.13，满足摩托车离合器湿式摩擦片的设计要求。由于铁基工作面可以承受很大的载荷突变，因而非常适合摩托车离合器摩擦片的使用状态。本发明即涉及这个合理的铁基粉末冶金摩擦片配方、对偶片以及使用该摩擦片和对偶片的摩托车离合器。
然而，若要达到更优的耐磨性能，该铁基摩擦片的材料配方最好按以下重量百分比的组分进行：锰1.0-3.5％、碳0.1-0.4％、铜1.0-3.5％、镍0.5-3.5％、硅0.1-1.5％，其余为铁。采用上述组成的摩擦片的工作部位的密度范围：6.5-7.0g/cm3，摩擦片工作面的硬度为HRB60-75。
按照本发明提出的优选成分配方，将碳含量控制在0.1-0.4％，可以防止游离渗碳体的产生，以保证合适的摩擦系数，同时避免对对偶片造成严重的磨损，从而提高摩擦组件的整体寿命；添加1.0-3.5％锰和0.1-1.5％硅，以强化铁素体和增加珠光体含量；添加1.0-3.5％铜，以促进摩擦片的烧结、改善强度和提高摩擦系数；添加0.5-3.5％镍，以提高摩擦片韧性和耐磨性。从而使摩擦片的摩擦系数、耐磨性、强度及韧性等性能达到最佳组合，并与本发明提出的对偶片构成最好的配合，在摩托车的湿式离合器工作条件下发挥出理想的传递扭矩的性能和足够的工作寿命。
制备上述摩托车离合器铁基粉末冶金摩擦片的方法步骤如下：
(1)混料：先按配方比例将原料装入混料机，混合均匀。
(2)压型：将混合均匀的原料装入模具，通过压力机压制成型，压制成型的单位压力为2-7t/cm2。
(3)烧结：将压制成型的产品送入烧结炉，烧制温度为1100℃到1250℃，然后缓冷。
(4)整形：对于烧结后达不到平整度要求的产品在压机上用模具进行校平或校平机上校平。
(5)成品。
与该摩擦片配合使用的对偶片采用软钢片制作，并在表面进行氮化或软氮化热处理，其氮化层的厚度≥0.005mm，硬度为350-550HV0.2，其较好的硬度范围为350-550HV0.2。
本发明的技术效果如下：
(1)本发明采用铁基材料，按粉末冶金工艺流程生产成摩擦片，产品的金相组织主要为细片状珠光体+铁素体+孔隙。这种摩擦片与采用软钢+表面氮化或软氮化热处理制备的对偶片构成摩擦副，应用于液体工作状态中，与传统的橡胶软木基摩擦片相比，这种摩擦副具有很强的抗过载能力和很长的使用寿命。
(2)铁基材料成本低，只有铜基材料的六分之一到十分之一；并且整体采用粉末冶金工艺制造，相对于铜基摩擦片及基层+摩擦层组合摩擦片的制造工艺更为简单。
(3)使用寿命长。在屏显式PV摩擦试验机上进行湿式滑动摩擦试验，工作条件为工作温度80℃到130℃、滑摩时间60小时，摩擦片厚度磨损量＜0.1mm，并且摩擦片无烧蚀，摩擦力矩＞50N·m，满足摩托车的使用要求，可以用于现有摩托车离合器上。
(4)可根据发动机排量设计与动力矩相适应的摩擦片。
具体实施方式：
下面通过实施例对本发明的技术作进一步说明：
实施例(1)
铁基摩擦片试样由1.6％锰、0.15％硅、1.7％铜、0.8％镍、0.25％碳，其余为铁组成；按上述配方比例将原料装入混料机，将混合均匀的粉料装入模具，压制成型；将压制好的产品送入烧结炉，烧制温度为1170℃到1230℃，然后缓冷，若产品表面平整度达不到要求，需要在压机上用模具对其进行整形，最终得到成品。摩擦片工作面硬度HRB68-73，摩擦片工作部位的密度为6.9g/cm3。将上述产品在屏显式PV摩擦试验机上所测得摩擦和磨损参数为：摩擦20小时后磨损量0.025mm，摩擦40小时后磨损量0.055mm，摩擦60小时后磨损量0.068mm，动摩擦系数0.122，动力矩＞50N·m。
模拟试验条件：轴向压力1kN、主轴转速1400rpm、发动机润滑油、温度80℃-120℃；连续摩擦60小时。
与这种摩擦片试样配合使用的对偶片采用Q235软钢试样，表面进行软氮化处理制得，硬度为395HV0.2。
摩擦片与对偶片用于装配离合器后经摩托车装车强化路试5000小时，证明性能合格。
实施例(2)
铁基摩擦片试样由2.2％锰、1.9％铜、0.5％硅、1.5％镍，0.32％碳，其余为铁组成。采用实施例1的粉末冶金工艺烧结制得，摩擦片工作面硬度HRB63-69，摩擦片工作部位的密度为6.6g/cm3。将制得的产品在屏显式PV摩擦试验机上试验试验，试验试验条件、要求与实例(1)相同，试验结果为：动摩擦系数0.118，动力矩＞50N·m，前30小时磨损量0.035mm，后30小时磨损量0.030mm。
与这种摩擦片试样配合使用的对偶片采用Q235软钢试样，表面进行软氮化处理制得，硬度为420HV0.2。
摩擦片与对偶片用于装配离合器后经摩托车装车强化路试5000小时，证明性能合格。
实施例(3)
铁基摩擦片试样由1.0％锰、2.9％铜、0.35％碳、1.0％硅、1.2％镍，其余为铁组成。采用实施例(1)的粉末冶金工艺制得，摩擦片工作面硬度HRB70-74，摩擦片工作部位的密度为6.9g/cm3，在屏显式PV摩擦试验机上机上试验，试验条件与实例(1)相同，连续磨损30小时；试验结果为：动摩擦系数0.103，动力矩＞50N·m。前15小时磨损量0.021mm，后15小时磨损量0.023mm。
与这种摩擦片试样配合使用的对偶片采用Q235软钢试样，表面进行软氮化处理制得，硬度为450HV0.2。
摩擦片与对偶片用于装配离合器后经摩托车装车强化路试5000小时，证明性能合格。
实施例(4)
铁基摩擦片试样由2.5％锰、3.3％铜、0.2％碳、3.0％镍、1.3％硅，其余为铁组成。采用实施例(1)的粉末冶金工艺制得，摩擦片工作面硬度HRB65-70，摩擦片工作部位的密度为6.6g/cm3。在屏显式PV摩擦试验机上试验，试验条件与实例(1)相同，连续磨损30小时；试验结果为：动摩擦系数0.098，动力矩＞50N·m。前15小时磨损量0.020mm，后15小时磨损量0.018mm。
与这种摩擦片试样配合使用的对偶片采用Q235软钢试样，表面进行氮化处理制得，硬度为500HV0.2。
摩擦片与对偶片用于装配离合器后经摩托车装车强化路试5000小时，证明性能合格。
实施例(5)
铁基摩擦片试样由2.5％铜、0.3％碳、3.3％镍、3.2％锰、1.2％硅，其余为铁组成。采用实施例1的粉末冶金工艺制得，摩擦片工作面硬度HRB67-72，摩擦片工作部位的密度为6.8g/cm3。在屏显式PV摩擦试验机上试验，试验条件与实例(1)相同，连续磨损30小时；实验结果为：动摩擦系数0.125，动力矩＞50N·m，前15小时磨损量0.020mm，后15小时磨损量0.022mm。
与这种摩擦片试样配合使用的对偶片采用Q235软钢试样，表面进行软氮化处理制得，硬度为360HV0.2。
摩擦片与对偶片用于装配离合器后经摩托车装车强化路试5000小时，证明性能合格。
实施例(6)
铁基摩擦片试样由1.6％镍、3.2％铜、0.35％碳、2.8％锰、1.1％硅，其余为铁组成。采用实施例1的粉末冶金工艺制得，摩擦片工作面硬度HRB66-70，摩擦片工作部位的密度为6.7g/cm3。在屏显式PV摩擦试验机上试验，试验条件与实例(1)相同，连续磨损30小时；实验结果为：动摩擦系数0.109，动力矩＞50N·m，前15小时磨损量0.022mm，后15小时磨损量0.021mm。
与这种摩擦片试样配合使用的对偶片采用Q235软钢试样，表面进行软氮化处理制得，硬度为380HV0.2。
摩擦片与对偶片用于装配离合器后经摩托车装车强化路试5000小时，证明性能合格。
实施例(7)
铁基摩擦片试样由2％锰、0.21％硅、1.7％铜、0.8％镍、0.6％碳，其余为铁组成；按上述配方比例将原料装入混料机，将混合均匀的粉料装入模具，在单位压力5t/cm2下成型；将压制好的产品送入烧结炉，烧制温度为1130℃到1160℃，然后缓冷，若产品表面平整度达不到要求，需要在压机上用模具对其进行整形，最终得到成品。将上述产品在屏显式PV摩擦试验机上所测得摩擦磨损参数为：摩擦8小时后磨损量0.010mm，摩擦8-35小时磨损量0.029mm，摩擦35-55小时磨损量0.021mm，动摩擦系数0.130，动力矩＞50N·m。
模拟试验条件：轴向压力1kN、主轴转速1400rpm、发动机润滑油、温度80℃-130℃；连续摩擦55小时。
与这种摩擦片试样配合使用的对偶片采用Q235软钢试样，表面进行软氮化处理制得。
摩擦片经摩托车装车路试5000小时，证明性能合格。
实施例(8)
铁基摩擦片试样由0.5％铬、5％锰、1.5％铜、0.8％钼、1.0％碳，其余为铁组成。采用实施例1的粉末冶金工艺烧结制得。将制得的产品在屏显式PV摩擦试验机上试验试验，试验试验条件、要求与实例(1)相同，试验结果为：动摩擦系数0.118，动力矩＞50N·m，前28小时单片磨损量0.035mm，后27小时磨损量0.020mm。
与这种摩擦片试样配合使用的对偶片采用Q235软钢试样，表面进行软氮化处理制得。
摩擦片经摩托车装车路试5000小时，证明性能合格。
实施例(9)
铁基摩擦片试样由2.5％铜、0.3％碳、0.9％镍、1.8％钼、1.2％锰、2.2％铅、3.5％硫化钙，其余为铁组成。采用实施例1的粉末冶金工艺制得，在屏显式PV摩擦试验机上试验，试验条件与实例(1)相同，连续磨损20小时；实验结果为：动摩擦系数0.123，动力矩＞50N·m，前10小时磨损量0.014mm，后10小时磨损量0.012mm。
与这种摩擦片试样配合使用的对偶片采用Q235软钢试样，表面进行软氮化处理制得。
摩擦片经摩托车装车路试5000小时，证明性能合格。
实施例(10)
铁基摩擦片试样由1.6％镍、2.2％铜、0.5％碳、2.8％锰、2.8％铅、0.5％钼，其余为铁组成。采用实施例1的粉末冶金工艺制得，在屏显式PV摩擦试验机上试验，试验条件与实例(1)相同，连续磨损20小时；实验结果为：动摩擦系数0.099，动力矩＞50N·m，前10小时磨损量0.016mm，后10小时磨损量0.013mm。
与这种摩擦片试样配合使用的对偶片采用Q235软钢试样，表面进行软氮化处理制得。
摩擦片经摩托车装车路试5000小时，证明性能合格。
实施例(11)
铁基摩擦片试样由1.7％镍、2.1％铜、0.6％碳、2.9％锰、2.6％铅、0.5％钨，其余为铁组成。采用实施例1的粉末冶金工艺制得，在屏显式PV摩擦试验机上试验，试验条件与实例(1)相同，连续磨损20小时；实验结果为：动摩擦系数0.110，动力矩＞50N·m，前10小时磨损量0.017mm，后10小时磨损量0.014mm。
与这种摩擦片试样配合使用的对偶片采用Q235软钢试样，表面进行软氮化处理制得。
摩擦片经摩托车装车路试5000小时，证明性能合格。
实施例(12)
铁基摩擦片试样由2.3％铜、0.7％碳、2.1％锰、2.5％铅、0.5％铬，其余为铁组成。采用实施例1的粉末冶金工艺制得，在屏显式PV摩擦试验机上试验，试验条件与实例(1)相同，连续磨损20小时；实验结果为：动摩擦系数0.113，动力矩＞50N·m，前10小时磨损量0.018mm，后10小时磨损量0.015mm。
与这种摩擦片试样配合使用的对偶片采用Q235软钢试样，表面进行软氮化处理制得。
摩擦片经摩托车装车路试5000小时，证明性能合格。
实施例(13)
铁基摩擦片试样由1.5％镍、2.1％铜、0.5％碳、3.2％锰、2.8％铅、0.5％钼，2.1％石棉，其余为铁组成。采用实施例1的粉末冶金工艺制得，在屏显式PV摩擦试验机上试验，试验条件与实例(1)相同，连续磨损20小时；实验结果为：动摩擦系数0.126，动力矩＞50N·m，前10小时磨损量0.016mm，后10小时磨损量0.013mm。
与这种摩擦片试样配合使用的对偶片采用Q235软钢试样，表面进行软氮化处理制得。
摩擦片经摩托车装车路试5000小时，证明性能合格。
结论：上述实施例表明，根据不同型号摩托车离合器摩擦片所要求的动力矩和强度，在配方范围内调整锰、碳、铜、硅、镍等组元的百分含量即可达到要求，生产出的摩擦片均能满足摩托车离合器湿式摩擦片的性能要求。
Claims (9)
1.摩托车离合器铁基摩擦片，摩擦片采用铁基粉末冶金材料烧结而成，其特征在于：所述铁基粉末冶金材料中含有按重量百分比计的锰1.5-3.5％，碳0.2-1.0％，铜1.5-3.3％。
2.根据权利要求1所述的摩托车离合器铁基摩擦片，其特征在于：所述基粉末冶金材料中还含有以下物质中的一种或几种做辅助组分：硅、钼、铬、镍、铅、硫化铁、钨、二氧化硅、硫化钙、石棉，这几种辅助组分的添加量按重量百分比计分别为大于或等于0并小于10.0％，总量不超过15％。
3.根据权利要求1所述的摩托车离合器铁基摩擦片，其特征在于：所述基粉末冶金材料中还含有以下物质中的一种或几种做辅助组分：硅、钼、铬、镍、铅、硫化铁、钨、二氧化硅、硫化钙、石棉，这几种辅助组分的添加量按重量百分比计分别为大于或等于0并小于5.0％，总量不超过10％。
4.根据权利要求1、2或3所述的摩托车离合器铁基摩擦片，其特征在于：所述铁基粉末冶金材料的各组分按重量百分比计分别为：锰1.5-3.5％、碳0.2-1.0％、铜1.5-3.3％、镍0.8-3.3％、硅0.15-1.3％，其余为铁。
5.根据权利要求4所述的摩托车离合器铁基摩擦片，其特征在于：摩擦片的密度为6.6-6.9g/cm3，摩擦片工作面的硬度为HRB63-74。
6.权利要求5所述的摩托车离合器铁基摩擦片的制备方法，其特征在于按以下步骤制备：
(1)混料：先按配方比例将原料装入混料机，混合均匀；
(2)压型：将混合均匀的原料装入模具，通过压力机压制成型；
(3)烧结：将压制成型的产品送入烧结炉烧制，然后缓冷；
(4)整形：对于烧结后达不到平整要求的产品在校平压机上用模具进行校平；
(5)成品。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于：压制成型单位压力5t/cm2，烧制温度为1130℃到1230℃。
8.权利要求5所述摩托车离合器铁基摩擦片的对偶片，其特征在于：所述对偶片采用软钢片制作，并在表面进行氮化或软氮化热处理，氮化层厚度≥0.005mm，硬度360-500HV0.2。
9.一种摩托车离合器，采用权利要求5所述的铁基粉末冶金摩擦片和权利要求8所述的对偶片配对组成其摩擦偶件。
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