CN102329980B - 一种铜基粉末合金刹车材料及刹车片的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种铜基粉末合金刹车材料及刹车片制备方法，按重量加入铜粉40-50％，锡粉2-5％，铁粉5％-15％，锌粉3-8％，钼粉2-8％，碳化硅2-8％，鳞状石墨5-12％，蓝晶石15-20％；矿物油为上述粉末总量的0.1-0.2％，矿物油用180号汽油和N32机油按1∶1兑制。通过原材料预处理、配料、混料、压制、烧结和机械加工，形成扇形粉末合金摩擦片，能够与耐热合金钢或者耐磨铸铁配对，形成摩擦对偶，适用于飞机多盘式刹车装置，或者重型车辆制动器、离合器等用途。

Description

一种铜基粉末合金刹车材料及刹车片的制备方法

技术领域

本发明属于航空制动技术和粉末冶金技术，具体为一种铜基粉末合金刹车材料及其制备方法。

背景技术

粉末合金刹车材料是一种常用的飞机刹车材料，现在正在航空公司和部队使用的许多飞机，都在使用粉末合金刹车材料。

铁基粉末合金刹车材料基体强度较高，适用于重负荷工况条件，但是导热性差，容易与摩擦对偶粘接，拉伤对偶表面，在对偶表面形成沟槽，摩擦性能稳定性差。铜及铜合金的导热性能良好，摩擦性能稳定，适合于能载较轻的飞机制动装置。本发明提出的铜基摩擦材料，大量使用了蓝晶石原材料，既使刹车材料成本降低，又使刹车材料具有的良好的热物理性能和稳定的摩擦磨损性能，可以满足飞机的制动使用要求。在一般飞机使用条件下摩擦系数可以达到0.25～0.45范围，对摩擦对偶材料没有严格限制，低合金钢、中碳钢、铸铁等都可供选择。

检索到的相关专利文献包括：

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上述技术方案中，一般用二氧化硅或类似粉末作为摩擦剂加入，未使用或者很少使用蓝晶石粉末材料，基体铜粉含量往往较高，使得粉末合金材料与钢材的摩擦系数较低，并且摩擦性能不稳定，长期使用后会衰减。并且由于较多的使用铜粉，使原材料成本增加。

刹车材料的性能鉴定是在惯性动力试验台上进行的，可以模拟飞机着陆刹车时的能量、速度、制动压力等。将刹车材料做成刹车片，铆接成刹车盘，装在刹车装置上，再与飞机机轮配合组装于惯性动力试验台。

发明内容

为克服现有技术中存在的摩擦系数较低、摩擦性能不稳定，长期使用后会衰减，以及原材料成本较高的不足，本发明提出了一种铜基粉末合金刹车材料及刹车片的制备方法。

本发明提出的铜基粉末合金刹车材料采用铜粉为基体，加入锡、铁、锌、钼金属粉末，以及碳化硅、石墨、蓝晶石等非金属粉末，并加入矿物油；其具体配方按重量比例为：铜粉40-50％，锡粉2-5％，铁粉5％-15％，锌粉3-8％，钼粉2-8％，碳化硅2-8％，鳞状石墨5-12％，蓝晶石15-20％；矿物油为上述粉末总量的0.1-0.2％，矿物油用180号汽油和N32机油按1∶1兑制。

本发明还提出了一种采用铜基粉末合金刹车材料制备刹车片的方法，其具体过程是：

第一步，原材料预处理；对碳化硅、石墨粉料烘干；烘干温度为100-150℃，烘干时间为1小时；对蓝晶石在氢气保护热处理炉中热处理，热处理温度为800-900℃，处理时间为1小时；

第二步，配料；按比例称取各组分用量；

第三步，混料；将称量好的原材料置于混料机中搅拌混合均匀，混料机转速为30-60转/分，混料时间7-10小时；

第四步，压制成形；将得到的混合均匀的原料称量并加入模具中，在压力机上压制刹车片生坯；压制比压为340-420MPa；得到压制好的刹车片生坯；

第五步，烧结；把压制好的生坯与同形状的钢背或者钢盘叠合平放在烧结垫盘上，逐层堆垒，形成烧结料柱；把烧结柱吊入烧结箱，再把烧结箱吊入烧结炉中并输入保护气体，对烧结柱进行烧结；烧结时在压坯上施加1-2.4MPa的垂直方向比压；加热炉升温至820-950℃；对加热炉保温并同时保压；保温并保压时间为1-3小时出炉；冷却时压坯上仍然保持1-2.4MPa的垂直方向比压和烧结箱内气氛；当烧结炉的温度降至100℃以下出炉，得到铜基粉末合金刹车片；烧结炉降温中，按刹车片平面1.5MPa的比压加压。

第六步，机械加工；烧结之后根据设计精度要求对摩擦面进行磨削加工，对连接孔进行钻削加工。

所述的保护气体为氢气和氮气。

在本发明中铜、锡、铁、锌、钼粉为基体组元，压制、烧结后形成具有一定强度的材料基体。碳化硅、蓝晶石为摩擦组元，均匀混合在基体中，使材料在使用中保持一定的摩擦系数。石墨为润滑组元，均匀分布在基体中，在使用中使材料保持摩擦性能稳定并防止与对偶材料粘接。

按照上述方法形成的粉末合金摩擦件可以与多种钢材或者铸铁配对摩擦，常用的对偶件材料有30CrMnSi系列、25Cr2MoV系列、30CrSiMoV系列、耐磨铸铁等。

按本发明制造的刹车副在一般飞机使用条件下摩擦系数在0.25～0.45范围内改变。所以本发明的成本较低，摩擦系数较高。本发明的配方中使用了按重量15％以上的蓝晶石粉末，铜粉含量不超过50％，得到的粉末合金材料与钢材的摩擦系数高于其它材料，而且摩擦性能稳定，长期使用后衰减很少。蓝晶石粉末价格低廉，大量使用后材料成本降低。

本发明使用了B737飞机的刹车机轮，试验参数根据B737飞机刹车装置技术规范确定。为了方便比较，对国外某种刹车片也进行了试验，其摩擦系数在50次着陆制动后出现衰减。惯性动力台的试验参数为刹车能量33MJ、刹车速度228km/h、机轮载荷163kN、刹车压力6.9～20.7MPa；试验结果显示摩擦系数为0.25～0.45、50次着陆刹车后衰减率小于3％、磨损率小于0.003mm/面次，均优于对比样件。

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种用于飞机刹车片的铜基粉末合金，以铜粉为基体，加入锡、铁、锌和钼金属粉末，以及碳化硅、石墨和蓝晶石非金属粉末，并加入矿物油；其具体配方按重量比例为：铜粉46％，锡粉4％，铁粉8％，锌粉5％，钼粉5％，碳化硅4％，鳞状石墨8％，蓝晶石20％；矿物油为上述粉末总量的0.125％。所述的矿物油用180号汽油和N32机油按1∶1兑制而成。

本实施例还提出了一种利用上述铜基粉末合金制备飞机刹车片的方法，其具体过程是：

第一步，原材料预处理。将碳化硅、石墨粉料在烘箱中120℃干燥1小时，蓝晶石在氢气保护热处理炉中处理1小时，处理温度为800℃。

第二步，配料。按表1称取各组分用量，按粉料总重的0.125％加入矿物油，矿物油用180号汽油和N32机油按1∶1兑制。

表1铜基刹车材料重量配比

组元	铜粉	锡粉	铁粉	锌粉	钼粉	碳化硅	石墨	蓝晶石
									粒度(目)	-200	-200	-200	-200	-200	-100+200	鳞状100	-120
重量含量(％)	46	4	8	5	5	4	8	20

第三步，混料。将混合料倒入双锥形混料机中搅拌混合均匀。搅拌时料筒转速为45转/分，混料时间为7小时。

第四步，压制成形。在500吨液压机上用模具进行压制，每件称料量为45g。为了提高粉末层与钢背的结合性，在阴模底部敷设一层铜粉，在刹车片平面上按照380MPa的垂直比压计算压制力，压制成形。

第五步，烧结。在料柱上组合压制毛坯，先装钢垫盘，把压制好的压坯与同形状的钢背叠合平放在钢垫盘上，再加一件钢垫盘。依次逐层堆垒，形成烧结柱。把烧结柱吊入圆柱形烧结箱内，把烧结箱吊入井式烧结炉中。封闭炉门后向箱内输送氢气，进行氢气保护。加热炉升温至880℃烧结并向料柱加压，所加压力垂直于压坯平面，在压坯平面形成1.5MPa比压。对加热炉保温并同时保压；保温、保压时间为2小时。将烧结箱吊出并放入冷却水槽并按刹车片平面1.5MPa的比压加压，烧结箱的温度降到100℃以下吊出烧结箱，取出产品。出炉冷却时仍然保持垂直方向比压和烧结箱内气氛。

第六步，机械加工。对刹车片进行机械加工，磨削摩擦面，加工铆钉孔。对产品喷涂一薄层油漆，以防产品贮运期间生锈。

通过打洛氏硬度、检查粉末片与钢背的结合性、做摩擦性能试验等来控制产品质量。洛氏硬度采用HRF标尺。打结合性就是压弯刹车片，使粉末层开裂脱落，检查钢背上应粘有粉末材料。摩擦试验可在MM1000摩擦试验机上完成，以检查材料摩擦磨损性能的一致性。

实施例二

本实施例是一种用于飞机刹车片的铜基粉末合金，采用铜粉为基体，加入锡、铁、锌和钼金属粉末，以及碳化硅、石墨和蓝晶石非金属粉末，并加入少量矿物油；其具体配方按重量比例为：铜粉40％，锡粉5％，铁粉15％，锌粉3％，钼粉3％，碳化硅8％，鳞状石墨11％，蓝晶石15％；矿物油为上述粉末总量的0.1％，矿物油用180号汽油和N32机油按1∶1兑制。

本实施例还提出了一种利用上述铜基粉末合金制备飞机刹车片的方法，其具体过程是：

第一步，原材料预处理。碳化硅、石墨粉料在烘箱中150℃干燥1小时，蓝晶石在氢气保护热处理炉内850℃高温处理1小时。

第二步，配料。按表2计算、称取各组分用量，按粉料总重的0.1％加入矿物油，矿物油用180号汽油和N32机油按1∶1兑制。

表2铜基刹车材料重量配比

组元	铜粉	锡粉	铁粉	锌粉	钼粉	碳化硅	石墨	蓝晶石
									粒度(目)	-200	-200	-200	-200	-200	-100+200	鳞状100	-120
重量含量(％)	40	5	15	3	3	8	11	15

第三步，混料。将混合料倒入混料机，料筒转速为30转/分，混料时间10小时。

第四步，压制成形。在500吨液压机上用模具进行压制，每件称料量为45g，在刹车片平面上按照340MPa的垂直比压计算压制力，压制成形。

第五步，烧结。在料柱上组合压制毛坯，先装钢垫盘，把压制好的生坯与同形状的钢盘叠合平放在钢垫盘上，再加一件钢垫盘。这样逐层堆垒，形成烧结柱；把烧结柱吊入圆柱形烧结箱内，把烧结箱吊入井式烧结炉中。封闭炉门后向箱内输送氮气，进行氮气保护。加热炉升温至950℃烧结并向料柱加压，所加压力垂直于压坯平面，在压坯平面形成2.4MPa比压。对加热炉保温并同时保压，保温、保压时间为1小时。将烧结箱吊出并放入冷却水槽并按刹车片平面2.4MPa的比压加压，温度降到100℃以下吊出烧结箱，取出产品。出炉冷却时仍然保持垂直方向比压和烧结箱内气氛。

第六步，机械加工。对刹车片进行机械加工，磨削摩擦面，加工铆钉孔。对产品喷涂一薄层油漆，以防产品贮运期间生锈。

通过打洛氏硬度、检查粉末片与钢背的结合性、做摩擦性能试验等来控制产品质量。洛氏硬度采用HRF标尺。打结合性就是压弯刹车片，使粉末层开裂脱落，检查钢背上应粘有粉末材料。摩擦试验可在MM1000摩擦试验机上完成，以检查材料摩擦磨损性能的一致性。

实施例三

本实施例是一种用于飞机刹车片的铜基粉末合金，采用铜粉为基体，加入锡、铁、锌和钼金属粉末，以及碳化硅、石墨和蓝晶石非金属粉末，并加入少量矿物油；其具体配方按重量比例为：铜粉50％，锡粉2％，铁粉5％，锌粉8％，钼粉7％，碳化硅3％，鳞状石墨6％，蓝晶石19％；矿物油为上述粉末总量的0.2％，矿物油用180号汽油和N32机油按1∶1兑制。

本实施例还提出了一种利用上述铜基粉末合金制备飞机刹车片的方法，其具体过程是：

第一步，原材料预处理。碳化硅、石墨粉料在烘箱中100℃干燥1小时，蓝晶石在氢气保护热处理炉内900℃高温处理1小时。

第二步，配料。按表3计算、称取各组分用量，按粉料总重的0.2％加入矿物油，矿物油用180号汽油和N32机油按1∶1兑制。

表3铜基刹车材料重量配比

组元	铜粉	锡粉	铁粉	锌粉	钼粉	碳化硅	石墨	蓝晶石
									粒度(目)	-200	-200	-200	-200	-200	-100+200	鳞状100	-120
重量含量(％)	50	2	5	8	7	3	6	19

第三步，混料。将混合料倒入混料机，料筒转速为60转/分，混料时间40小时。

第四步，压制成形。在500吨液压机上用模具进行压制，每件称料量为45g，在刹车片平面上按照420MPa的垂直比压计算压制力，压制成形。

第五步，烧结。在料柱上组合压制毛坯，先装钢垫盘，把压制好的生坯与同形状的钢背叠合平放在钢垫盘上，再加一件钢垫盘。这样逐层堆垒，形成烧结柱；把烧结柱吊入圆柱形烧结箱内，把烧结箱吊入井式烧结炉中。封闭炉门后向箱内输送氢气，进行氢气保护。加热炉升温至820℃烧结并向料柱加压，所加压力垂直于压坯平面，在压坯平面形成1MPa比压。对加热炉保温并同时保压，保温、保压时间为3小时。将烧结箱吊出并放入冷却水槽并按刹车片平面1MPa的比压加压，温度降到100℃以下吊出烧结箱，取出产品。出炉冷却时仍然保持垂直方向比压和烧结箱内气氛。

第六步，机械加工。对刹车片进行机械加工，磨削摩擦面，加工铆钉孔。对产品喷涂一薄层油漆，以防产品贮运期间生锈。

通过打洛氏硬度、检查粉末片与钢背的结合性、做摩擦性能试验等来控制产品质量。洛氏硬度采用HRF标尺。打结合性就是压弯刹车片，使粉末层开裂脱落，检查钢背上应粘有粉末材料。摩擦试验可在MM1000摩擦试验机上完成，以检查材料摩擦磨损性能的一致性。

Claims (2)

1.一种利用铜基粉末合金刹车材料制备刹车片的方法，其特征在于具体过程是：

第一步，原材料预处理；对碳化硅、石墨粉料烘干；烘干温度为100-150℃，烘干时间为1小时；对蓝晶石在氢气保护热处理炉中热处理，热处理温度为800-900℃，处理时间为1小时；

第二步，配料；配料时，以铜粉为基体，加入锡、铁、锌、钼金属粉末，以及碳化硅、石墨、蓝晶石等非金属粉末，并加入矿物油；其具体配方按重量比例为：铜粉40-50％，锡粉2-5％，铁粉5％-15％，锌粉3-8％，钼粉2-8％，碳化硅2-8％，鳞状石墨5-12％，蓝晶石15-20％；矿物油为上述粉末总量的0.1-0.2％，矿物油用180号汽油和N32机油按1∶1兑制；

第三步，混料；将称量好的原材料置于混料机中搅拌混合均匀，混料机转速为30-60转/分，混料时间7-10小时；

第四步，压制成形；将得到的混合均匀的原料称量并加入模具中，在压力机上压制刹车片生坯；压制比压为340-420MPa；得到压制好的刹车片生坯；

第五步，烧结；把压制好的生坯与同形状的钢背或者钢盘叠合平放在烧结垫盘上，逐层堆垒，形成烧结料柱；把烧结柱吊入烧结箱，再把烧结箱吊入烧结炉中并输入保护气体，对烧结柱进行烧结；烧结时在压坯上施加1-2.4MPa的垂直方向比压；加热炉升温至820-950℃；对加热炉保温并同时保压；保温并保压时间为1-3小时出炉；冷却时压坯上仍然保持1-2.4MPa的垂直方向比压和烧结箱内气氛；当烧结炉的温度降至100℃以下出炉，得到铜基粉末合金刹车片；烧结炉降温中，按刹车片平面1.5MPa的比压加压；

第六步，机械加工；烧结之后根据设计精度要求对摩擦面进行磨削加工，对连接孔进行钻削加工。

2.如权利要求1所述铜基粉末合金刹车材料制备刹车片的方法，其特征在于所述的保护气体为氢气和氮气。