CN102367526B - 一种机械合金化制备均匀分散金属基复合摩擦材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种机械合金化法制备均匀分散金属基复合摩擦材料的方法，该方法以一定比例的粒度80目的铜粉、粒度300目的铬粉、粒度600目的铁粉为金属基体原料，将金属粉末在室温、高纯氩气保护气氛中，以550-800转/分的转速进行高能球磨8-15小时；在室温下，向上述球磨罐中再加入5-11%粒度为2-10微米的陶瓷粉体，以100-200转/分的转速继续球磨1-3小时；将金属和陶瓷粉末的混合物，置于锥形混料机中，加入10-25%的石墨、1-3%二硫化钼，在40-70转/分的转速下混料2-4小时；将混合粉压制成坯，在850-950℃还原性气氛保护下加压烧结。制备出Cu-Fe-Cr机械合金化金属粉体、含均匀弥散陶瓷相的混合粉体、石墨形状和粒度不受破坏的摩擦材料用混合粉料，获得强度高、摩擦系数稳定的金属基复合摩擦材料。

Description

一种机械合金化制备均匀分散金属基复合摩擦材料的方法

技术领域

 本发明属于金属基复合材料的制备领域，尤其涉及一种机械合金化制备均匀分散金属基复合摩擦材料的方法。

背景技术

粉末冶金摩擦材料在重型车辆、铁路列车、机械行业有广泛的用途，随着车辆或列车、机械等运行速度的提高，对摩擦材料的高温强度和高温摩擦稳定性提出了越来越高的要求。而原料特征和制备工艺是提高材料性能的根源所在。

粉末冶金工艺包括原料准备、混料、压制、烧结几个基本工序。制备摩擦材料需要的粉体原料包括3-5种金属粉末、3-7种陶瓷粉末和大量石墨粉体，所有的原料粉体首先要均匀混合，才能压制、烧结。传统的混料方式是采用球形、V形混料机，设备转速通常在12--90转/分，实际混料情况显示，仅能够混合粒度至少大于50微米的粉体。但对于高性能摩擦材料，如高速铁路列车使用的刹车片材料，大部分原料粉体粒度小于15微米，无论是球形混料机还是V形混料机都无法把颗粒度小于15微米的细粉甚至超细粉均匀混合。而混合不均匀的原料粉体直接影响其烧结性能，降低材料的力学性能，并使材料的摩擦性能产生不稳定性。因此，制备出混合均匀的复合粉体是获得高性能摩擦材料的关键的环节。

机械合金化是利用机械能诱发化学反应发生或诱导材料组织结构变化的方法。在此过程中，粉末在高能球磨过程中经历剧烈碰撞、变形、并在某些部位产生相互焊合，由此产生严重的晶格畸变，获得高密度缺陷和一些纳米级精细结构。同时，其比表面积随着粉末粒径的减小而大幅度提高，偏离常规粉末的平衡状态。该方法可合成在常温下无法获得的新型合金，或在原体系中原位合成新物质。发明专利CN 101701300A和CN 101775513A利用机械合金化方法，原位反应生成TiB₂或（TiB₂+TiC）为增强相与铜构成复合材料。发明专利CN 101602105A，通过机械合金化手段制备高活度Ti-C活化粉和Cu-Sn机械合金粉，在SPS法烧结过程中原位生成TiC增强相于Cu-Sn合金基体中。发明专利CN 1281053A，通过机械合金化过程，在增强相陶瓷颗粒表面粘结一层在基体合金冶炼温度下可发生放热化学反应的金属粉末，压块后加入液态合金中均匀分散，从而得陶瓷弥散强化的复合材料。发明专利CN 101250639A，通过机械合金化原位反应合成纳米增强相于铜基体中。发明专利CN 1900333A，对混合粉末通过机械合金化进行细化、活化，形成反应扩散耦，烧结时原位合成微米级颗粒强化金属基复合材料。发明专利CN 1032195A，在混料机中预合金化粉状铜、铁、钼、锡、硅锰铁和二硫化钼，然后分步混合二氧化硅、氧化铝、氧化硅、煤油和石墨。

上述专利大部分均是采用机械合金化的方法制备出原位生成陶瓷增强相的合金化铜基材料，极大地提高的铜的强度。与此不同，我们制备的铜基摩擦材料，一部分陶瓷粉体原料是作为摩擦质点，用于提高材料的摩擦系数；另一部分陶瓷粉体原料作为润滑组元，用于形成润滑膜、调节材料的摩擦系数、提高耐磨性；因此原料中的陶瓷相不能固溶进铜基体中。同时，石墨粉体作为占总原料体积分数近50%的主要成分，其粒度大小和形状对材料的强度和摩擦性能有决定性作用，因此混料过程中必须要保护石墨的粒度和形状。在保证陶瓷粉体的游离性和石墨粒度和形状的前提下，第三要考虑的就是铜基体的强化，目的是在保证铜良好导热性能的前提下，提高铜的耐高温强度。强化手段就是铁粉和铬粉的弥散强化或合金强化，要求铁粉和铬粉均匀弥散或合金化在铜基体中。这一点与发明专利CN 1032195A中直接对金属和二硫化钼的混合粉体进行合金化的做法有根本性差别。在研究中发现二硫化钼对金属有极强的包覆性，在金属粉体的预合金化过程中如果含有二硫化钼，则金属粉体很快被完全包覆住，这直接导致：（1）金属与金属粉体间合金化过程受阻；（2）二硫化钼极佳的润滑性使粉体之间缺乏足够的碰撞、摩擦，影响细化活化过程，影响金属基体的烧结完全程度；（3）直接导致烧结后二硫化钼与部分单质金属（如铁、铬等）的严重化学反应，生成极大影响基体强度的硫化反应产物扩散层；（4）造成二硫化钼润滑作用的失效。因此，本发明对起骨架作用的金属基体和润滑作用的二硫化钼要分别进行重点保护，即二硫化钼在混料步骤中与石墨一起作为最后加入的物质。

基于上述摩擦材料的特点和对高性能铜基摩擦材料的使用要求，我们建立了一种机械合金化制备均匀分散金属基复合摩擦材料的方法，通过分步混料、控制混料工艺，制备出Cu-Fe-Cr机械合金化金属粉体、均匀弥散的陶瓷相、石墨行

形状和粒度不受破坏的摩擦材料用混合粉料，进而获得强度高、摩擦系数稳定的金属基摩擦材料。

发明内容

为解决上述问题。本发明的目的是提供一种制备的材料弥散均匀、抗压强度高、摩擦系数稳定的机械合金化法制备均匀分散金属基复合摩擦材料的方法。

本发明的技术方案是：一种机械合金化制备均匀分散金属基复合摩擦材料的方法，具体包括以下步骤：

步骤a）金属基体的合金化过程：纯度均大于99.8%的粒度80目铜粉、300目铬粉和600目铁粉，作为金属基复合材料中的基体部分，将上述金属粉末初步混合均匀后，以球料比为3:1—10:1的钢球和混合金属粉末装罐，球料混合物体积不超过球磨罐内腔体积的50%，在室温下、高纯氩气保护气氛中，以550—800转/分的转速进行高能球磨8-15小时，得到平均粒度3-10微米的金属粉末，备用；其中，所述铜粉占总成分中百分比40-60%、铬粉占总成分中百分比1-10%、铁粉占总成分中百分比10-25%。；

步骤b）陶瓷粉体的均匀弥散过程：在上述装有金属粉末的球磨罐中加入5-11%的陶瓷粉，在高纯氩气保护气氛中，以100-200转/分的转速进行分散性球磨1-3小时，得到陶瓷粉均匀弥散于金属粉中的混合粉体，备用；其中，陶瓷粉体包括二氧化硅粉、锰铁矿粉和氧化铝粉，二氧化硅占总成分中百分比1-5%、锰铁矿粉占总成分中百分比1-6%、氧化铝粉占总成分中百分比1-5%，陶瓷粉体平均粒度2-10微米；

步骤c）润滑组元的混合过程：取出步骤b得到的金属粉与陶瓷粉的混合粉末置于锥形混料机中，加入石墨占总成分中百分比10-25%、二硫化钼占总成分中百分比1-3%，在40-70转/分的转速下混料2-4小时，得到混合粉体；

步骤d）压制与烧结过程：将上述步骤得到的混合粉体压制成型，在850-950℃还原性气氛保护下烧结1-3h，烧结压力1-5Mpa得到金属基复合摩擦材料。 

本发明的有益效果是：应用本发明制备的金属基摩擦材料各种粉体的分散性良好，与自制的不经机械合金化过程的样品相比较，从综合性能到微观形貌上都存在巨大区别，具体情况见附图说明。

附图说明

图1经过机械合金化过程制备的金属基复合摩擦材料的基体背散射照片示意图。

    照片中铜、铁、铬三组元分布如箭头所示。可见合金元素分布均匀，且对铜区进行能谱分析，结果表明铜中固溶一定铁和铬。能谱峰图如图2所示。

图2 铜区能谱分析峰示意图。

图3 背散射模式下拍摄的均匀弥散在基体中的陶瓷颗粒的照片示意图。

     陶瓷颗粒最小粒度约为2微米，最大约为10微米，在基体中弥散良好。

图4基体中的大颗粒石墨分布示意图。

具体实施方式：

   下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1：

首先，以纯度大于99.8%的粒度80目铜粉40%、300目铬粉10%和600目铁粉20%，初步混合均匀后，以球料比为4:1的钢球和混合金属粉末装罐，球料混合物体积约占球磨罐内腔体积的40%。在室温下、高纯氩气保护气氛中，以750转/分的转速进行高能球磨8小时。然后，在球磨罐中再加入粒度范围2-10微米的二氧化硅粉1%、锰铁矿粉3%、氧化铝粉1%，在高纯氩气保护气氛中，以200转/分的转速进行分散性球磨1小时。取出金属粉与陶瓷粉的混合粉末置于锥形混料机中，加入石墨22%、二硫化钼3%，在40转/分的转速下混料4小时。最后，混合粉体压制成型，在还原性气氛中5MPa压力下经850℃、烧结1小时成为金属基复合摩擦材料，抗压强度达到132MPa。

实施例2：

首先，以纯度大于99.8%的粒度80目铜粉50%、300目铬粉5%和600目铁粉10%，初步混合均匀后，以球料比为3:1的钢球和混合金属粉末装罐，球料混合物体积约占球磨罐内腔体积的40%。在室温下、高纯氩气保护气氛中，以650转/分的转速进行高能球磨10小时。然后，在球磨罐中再加入粒度范围2-10微米的二氧化硅粉5%、锰铁矿粉1%、氧化铝粉5%，在高纯氩气保护气氛中，以100转/分的转速进行分散性球磨2小时。取出金属粉与陶瓷粉的混合粉末置于锥形混料机中，加入石墨21%、二硫化钼3%，在70转/分的转速下混料2.5小时。最后，混合粉体压制成型，在还原性气氛中1MPa压力下经900℃、烧结3小时成为金属基复合摩擦材料，抗压强度达到129MPa。

实施例3：

首先，以纯度大于99.8%的粒度80目铜粉60%、300目铬粉6%和600目铁粉15%，初步混合均匀后，以球料比为5:1的钢球和混合金属粉末装罐，球料混合物体积约占球磨罐内腔体积的50%。在室温下、高纯氩气保护气氛中，以800转/分的转速进行高能球磨10小时。然后，在球磨罐中再加入粒度范围2-10微米的二氧化硅粉2%、锰铁矿粉2%、氧化铝粉2%，在高纯氩气保护气氛中，以100转/分的转速进行分散性球磨1.5小时。取出金属粉与陶瓷粉的混合粉末置于锥形混料机中，加入石墨10%、二硫化钼3%，在50转/分的转速下混料3小时。最后，混合粉体压制成型，在还原性气氛中3MPa压力下经900℃、烧结2小时成为金属基复合摩擦材料，抗压强度达到144MPa。

实施例4：

首先，以纯度大于99.8%的粒度80目铜粉50%、300目铬粉1%和600目铁粉23%，初步混合均匀后，以球料比为10:1的钢球和混合金属粉末装罐，球料混合物体积约占球磨罐内腔体积的50%。在室温下、高纯氩气保护气氛中，以700转/分的转速进行高能球磨13小时。然后，在球磨罐中再加入粒度范围2-10微米的二氧化硅粉3%、锰铁矿粉6%、氧化铝粉1%，在高纯氩气保护气氛中，以200转/分的转速进行分散性球磨1小时。取出金属粉与陶瓷粉的混合粉末置于锥形混料机中，加入石墨15%、二硫化钼1%，在60转/分的转速下混料2小时。最后，混合粉体压制成型，在还原性气氛中2MPa压力下经920℃、烧结1.5小时成为金属基复合摩擦材料，抗压强度达到136MPa。

实施例5：

首先，以纯度大于99.8%的粒度80目铜粉40%、300目铬粉3%和600目铁粉25%，初步混合均匀后，以球料比为4:1的钢球和混合金属粉末装罐，球料混合物体积约占球磨罐内腔体积的40%。在室温下、高纯氩气保护气氛中，以550转/分的转速进行高能球磨15小时。然后，在球磨罐中再加入粒度范围2-10微米的二氧化硅粉1%、锰铁矿粉3%、氧化铝粉1%，在高纯氩气保护气氛中，以100转/分的转速进行分散性球磨3小时。取出金属粉与陶瓷粉的混合粉末置于锥形混料机中，加入石墨25%、二硫化钼2%，在60转/分的转速下混料2.5小时。最后，混合粉体压制成型，在还原性气氛中3MPa压力下经950℃、烧结1小时成为金属基复合摩擦材料，抗压强度达到126MPa。

Claims (1)

1.一种机械合金化制备均匀分散金属基复合摩擦材料的方法，分四步进行，其特征在于：

步骤a）金属基体的合金化过程：纯度均大于99.8%的粒度80目铜粉、300目铬粉和600目铁粉，作为金属基复合材料中的基体部分，将上述金属粉末初步混合均匀后，以球料比为3-10:1的钢球和混合金属粉末装罐，球料混合物体积不超过球磨罐内腔体积的50%，在室温下、高纯氩气保护气氛中，以550—800转/分的转速进行高能球磨8-15小时，得到平均粒度3-10微米的金属粉末，备用；其中，所述铜粉占总成分中百分比40-60%、铬粉占总成分中百分比1-10%、铁粉占总成分中百分比10-25%；

步骤b）陶瓷粉体的均匀弥散过程：在上述装有金属粉末的球磨罐中再加入5-11%的陶瓷粉，在高纯氩气保护气氛中，以100-200转/分的转速进行分散性球磨1-3小时，得到陶瓷粉均匀弥散于金属粉中的混合粉体，备用；其中，所述陶瓷粉体包括二氧化硅粉、锰铁矿粉和氧化铝粉，二氧化硅占总成分中百分比1-5%、锰铁矿粉占总成分中百分比1-6%、氧化铝粉占总成分中百分比1-5%，陶瓷粉体粒度范围2-10微米；

步骤c）润滑组元的混合过程：取出步骤b得到金属粉与陶瓷粉的混合粉末置于锥形混料机中，加入石墨占总成分中百分比10-25%、二硫化钼占总成分中百分比1-3%，在40-70转/分的转速下混料2-4小时，得到混合粉体；

步骤d）压制与烧结过程：将上述步骤得到的混合粉体压制成型，在850-950℃还原性气氛保护下烧结1-3h，烧结压力1-5Mpa得到金属基复合摩擦材料。

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