CN102732773A

CN102732773A - 利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法

Info

Publication number: CN102732773A
Application number: CN2012102564546A
Authority: CN
Inventors: 冯可芹; 熊计; 张光明; 邓伟林
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-07-24
Also published as: CN102732773B

Abstract

本发明公开的利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法是将钒钛磁铁精矿粉、还原剂石墨粉、铁粉、润滑剂石墨粉、铜粉、锡粉、铅粉，硬脂酸锌粉按一定的摩尔比称料，然后先将钒钛磁铁精矿粉和还原剂的石墨粉置于球磨机中混合均匀，再加入铁粉、铜粉、锡粉、铅粉、硬脂酸锌和润滑剂的石墨粉继续球磨得到均匀混合粉料；将混合粉料经冷压制制成压坯，并将压坯放置于真空热压炉中，在烧结压力为0.5～2Mpa下，以升温速率10~15℃/min进行烧结，烧结温度为1000～1200℃，保温时间为2～4h。本发明不仅填补了原位反应烧结制备铁基摩擦材料的空白，还使获得的材料具有原位合成和粉末冶金技术的优点，而且制备工艺简便，可大大缩短材料的制备周期，节约成本。

Description

利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法

技术领域

本发明属于铁基摩擦材料的制备技术领域，具体涉及一种利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法。

背景技术

随着现代工业的不断发展，铁基摩擦材料因其具有耐高温、强度高、价廉等优点，已广泛用于飞机、坦克、汽车、船舶、拖拉机、工程机械和机床等的离合器或制动器中。铁基摩擦材料主要由铁及铁合金基体、固体润滑剂、摩擦剂三部分组成。基体成分以铁为主，铁的合金化可降低铁的塑性，提高强度、硬度、耐热强度、抗氧化性；润滑组元可以改善抗咬合性，提高材料的耐磨性；摩擦剂可提高材料摩擦系数，减少对偶表面的擦伤和磨损。

目前已商品化的铁基摩擦材料大多数采用“外加法”粉末冶金工艺制备，即以精细化工粉末为原料（成本较高），按照设计的成分配比，把各组份粉末进行称样，经过混合、压制、烧结等工序来获得材料。“外加法”中的摩擦剂是采用已合成好的粉末作为原料。此工艺主要是通过烧结致密化来提高材料的性能，一般没有形成新物质的化学反应发生，其主要缺点在于：所有组份均为外加，这些组元与基体之间容易出现界面污染，容易因它们之间的润湿性差而出现结合不良，以致组元在摩擦过程中从基体剥离出来，严重影响使用效果。

原位合成技术是 20 世纪 80 年代后期发展起来的制备金属基复合材料的有效方法，它是利用两种或两种以上组份在基体中相互反应生成弥散相。与“外加法”相比，原位合成技术具有以下优点：生成相是在基体中原位生成的热力学稳定相，表面无污染，避免了与基体浸润不良的问题，与基体结合为冶金结合，结合良好；生成相大小和分布较易控制，并且数量可在较大的范围内调整。

基于粉末冶金的反应烧结法是原位合成法中重要的一类，其不仅具有粉末冶金法的材料组元成分可灵活调整与控制、能近终成型等优点，同时还具有原位合成的上述优点，能实现合成与烧结一体化，一步原位合成制备复合材料。现有的利用原位合成制备的复合材料主要有TiC/Fe、SiC/Fe、VC/Fe复合材料等。但遗憾的是目前还没有利用反应烧结法来原位制备铁基摩擦材料的文献报道，更没有利用我国丰富的钒钛磁铁资源来原位制备铁基摩擦材料的文献报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法。

本发明提供的利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法，其特征在于该方法的工艺步骤和条件如下：

（1）将粒度为200~300目的钒钛磁铁精矿粉、还原剂石墨粉、铁粉、润滑剂石墨粉、铜粉、锡粉、铅粉，硬脂酸锌粉以1：1.69：0.7~2.65：0.87~2.69：0~0.14：0~0.04：0~0.03：0.002~0.004的摩尔比进行称料，然后先将钒钛磁铁精矿粉和作为还原剂的石墨粉置于球磨机中混合均匀，再加入铁粉、铜粉、锡粉、铅粉、硬脂酸锌和作为润滑剂的石墨粉继续球磨直至得到均匀混合粉料；

（2）将获得的二次混合粉料装入模具中，经冷压制制成相对密度为80～90%的压坯，冷压制的压力为300～500MPa；

（3）将压坯放置于真空热压炉中，在烧结压力为0.5～2Mpa下，以升温速率10~15℃/min进行烧结，烧结温度为1000～1200℃，保温时间为2～4h。

以上方法第（1）步球磨时可加入适量酒精，以防止物料在高温下氧化。

以上方法所用的钒钛磁铁精矿粉的粒度优选200~250目。

以上方法第（2）步冷压制制成的压坯相对密度优选85~90%，冷压制的压力优选400~500 MPa。

以上方法第（3）步的烧结压力优选1~2 MPa，升温速率优选10~12℃/min，烧结温度优选1050~1200℃，保温时间优选2~3h。

本发明是以天然矿物——钒钛磁铁精矿粉为基本原料，在成分配比中加入过量的石墨粉，其中一部分石墨是作为还原剂存在，在烧结过程中既能实现碳还原钒钛磁铁矿中铁氧化物得到基体铁，又能实现碳与钒钛磁铁矿中 TiO₂、V₂O₅ 原位反应得到 TiC、VC 硬质相摩擦剂。另一部分石墨是作为铁基摩擦材料中的润滑组元。而钒钛磁铁矿中伴生的 Co、Ni可作为铁基体的合金化元素，伴生的 SiO₂、A1₂0₃、MgO 可作为铁基摩擦材料的摩擦剂而保留下来。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、由于本发明不仅是采用原位反应烧结方法来制备铁基摩擦材料，还直接利用的是我国丰富的钒钛磁铁资源——钒钛磁铁精矿，因而不仅填补了利用反应烧结法来原位制备铁基摩擦材料的空白，还充分利用了我国丰富的钒钛磁铁资源。

2、由于本发明采用的是可同步实现了原位合成反应和粉末冶金的烧结致密化过程，因而不仅使获得的材料具有原位合成和粉末冶金技术的优点，而且制备工艺简便，可大大缩短材料的制备周期，节约成本。

3、由于本发明制备所得的铁基摩擦材料中的组分一部分是通过原位化学反应获得，因而生成相不仅为热力学稳定相，表面无污染，避免了与基体浸润不良的问题，且与基体结合为冶金结合，结合良好。

4、由于本发明制备所得的铁基摩擦材料中的组分一部分是通过原位化学反应获得，因而不仅生成相大小和分布可较易通过加入的钒钛磁铁精矿粉进行控制，数量也可在较大的范围内调整，且还可制得形状复杂、尺寸大的构件。

5、由于本发明所用钒钛磁铁矿精粉中除铁的氧化物外，还伴生有 TiO₂、V₂O₅、SiO₂、A1₂0₃、CaO、MgO、Co、Ni、S、P等，在碳热还原铁钒精矿过程中，TiO₂、V₂O₅ 会被碳还原为具有高强度、高模量、化学稳定性好及与铁的润湿性较好的 TiC、VC，而其它伴生的化合物或元素或为铁基摩擦材料的理想摩擦组元，或为铁基体的合金化元素，因而钒钛磁铁矿可作为铁基摩擦材料的理想原料来源。

附图说明

图1 本发明实施例1制备的铁基摩擦材料的X射线衍射图。

图2 本发明实施例2制备的铁基摩擦材料的X射线衍射图。

图3 本发明实施例3制备的铁基摩擦材料的X射线衍射图。

图4 本发明实施例4制备的铁基摩擦材料的X射线衍射图。

图5 本发明实施例5制备的铁基摩擦材料的X射线衍射图。

具体实施方式

下面给出的实施例是对本发明的具体描述和进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。

值得说明的是，1）以下实施例所制备的铁基摩擦材料通过附图给出的XRD图可以看出经过原位反应均已生成了铁基摩擦材料所需要的组元；2）以下实施例所制备的铁基摩擦材料的摩擦系数是按照JB/T 7269—1994测定的；密度是按照GB/T 10421-2002测定的；表观硬度是按照GB/T 231.1-2002 测定的，横向断裂强度是按照GB/ T5319-2002 测定的。

实施例1

（1）将粒度为200目钒钛磁铁精矿粉100g（摩尔数1）和还原剂石墨粉20.28g（摩尔数1.69）放入球磨机中，加4-5滴酒精并按球料比4:1加入陶瓷球，然后在转速200rpm下球磨混合3h；再加入铁粉73.36g（摩尔数1.31）、润滑剂石墨粉10.44g（摩尔数0.87）、铜粉8.96g（摩尔数0.14）、锡粉2.38g（摩尔数0.02）、铅粉2.07g（摩尔数0.01）和硬脂酸锌粉1.90g（摩尔数0.003），补入8-10滴酒精，并继续按球料比4:1在转速250rpm下球磨混合30分钟，出料；

（2）将获得的二次混合粉料装入模具中，经冷压制制成相对密度为80%的压坯，冷压制的压力为300MPa；

（3）将压坯放置于真空热压炉中，在烧结压力为0.5Mpa下，以升温速率10℃/min进行烧结，烧结温度为1100℃，保温时间为2h。

本实施例制备的铁基摩擦材料的摩擦系数为0.32，磨损率为4.9×10^-7cm³/J，密度为4.2g/cm³，表观硬度为45HB，横向断裂强度为59N/mm²。

实施例2

（1）将粒度为300目钒钛磁铁精矿粉100g（摩尔数1）和还原剂石墨粉20.28g（摩尔数1.69）放入球磨机中，加4-5滴酒精并按球料比4:1加入陶瓷球，然后在转速200rpm下球磨混合3h；再加入铁粉73.36g（摩尔数1.31）、润滑剂石墨粉10.44g（摩尔数0.87）、铜粉8.96g（摩尔数0.14）、锡粉2.38g（摩尔数0.02）、铅粉2.07g（摩尔数0.01）和硬脂酸锌粉1.90g（摩尔数0.003），补入8-10滴酒精，并继续按球料比4:1在转速250rpm下球磨混合30分钟，出料；

（2）将获得的二次混合粉料装入模具中，经冷压制制成相对密度为90%的压坯，冷压制的压力为500MPa；

（3）将压坯放置于真空热压炉中，在烧结压力为2Mpa下，以升温速率15℃/min进行烧结，烧结温度为1000℃，保温时间为4h。

本实施例制备的铁基摩擦材料的摩擦系数为0.27，磨损率为4.4×10^-7cm³/J，密度为4.8g/cm³，表观硬度为30HB，横向断裂强度为57N/mm²。

实施例3

（1）将粒度为250目钒钛磁铁精矿粉100g（摩尔数1）和还原剂石墨粉20.28g（摩尔数1.69）放入球磨机中，加4-5滴酒精并按球料比4:1加入陶瓷球，然后在转速200rpm下球磨混合3h；再加入铁粉39.2g（摩尔数0.7）、润滑剂石墨粉18.49g（摩尔数1.54）、锡粉4.76g（摩尔数0.04）、铅粉2.07g（摩尔数0.01）和硬脂酸锌粉1.26g（摩尔数0.002），补入8-10滴酒精，并继续按球料比4:1在转速250rpm下球磨混合30分钟，出料；

（2）将获得的二次混合粉料装入模具中，经冷压制制成相对密度为87%的压坯，冷压制的压力为400MPa；

（3）将压坯放置于真空热压炉中，在烧结压力为1Mpa下，以升温速率12℃/min进行烧结，烧结温度为1200℃，保温时间为3h。

本实施例制备的铁基摩擦材料的摩擦系数为0.27，磨损率为3.8×10^-7cm³/J，密度为5.2 g/cm³，表观硬度为70HB，横向断裂强度为68N/mm²。

实施例4

（1）将粒度为230目钒钛磁铁精矿粉100g（摩尔数1）和还原剂石墨粉20.28g（摩尔数1.69）放入球磨机中，加4-5滴酒精并按球料比4:1加入陶瓷球，然后在转速200rpm下球磨混合3h；再加入铁粉39.2g（摩尔数0.7）、润滑剂石墨粉18.49g（摩尔数1.54）、锡粉4.76g（摩尔数0.04）和硬脂酸锌粉1.26g（摩尔数0.002），补入8-10滴酒精，并继续按球料比4:1在转速250rpm下球磨混合30分钟，出料；

（2）将获得的二次混合粉料装入模具中，经冷压制制成相对密度为85%的压坯，冷压制的压力为350MPa；

（3）将压坯放置于真空热压炉中，在烧结压力为1.5Mpa下，以升温速率13℃/min进行烧结，烧结温度为1100℃，保温时间为2h。

本实施例制备的铁基摩擦材料的摩擦系数为0.27，磨损率为3.5×10^-7cm³/J，密度为5.6 g/cm³，表观硬度为90HB，横向断裂强度为75N/mm²。

实施例5

（1）将粒度为200目钒钛磁铁精矿粉100g（摩尔数1）和还原剂石墨粉20.28g（摩尔数1.69）放入球磨机中，加4-5滴酒精并按球料比4:1加入陶瓷球，然后在转速200rpm下球磨混合3h；再加入铁粉148.4g（摩尔数2.65）、润滑剂石墨粉32.28g（摩尔数2.69）、铜粉5.12g（摩尔数0.08）、铅粉6.21g（摩尔数0.03）和硬脂酸锌粉2.53g（摩尔数0.004），补入8-10滴酒精，并继续按球料比4:1在转速250rpm下球磨混合30分钟，出料；

（2）将获得的二次混合粉料装入模具中，经冷压制制成相对密度为81%的压坯，冷压制的压力为300MPa；

（3）将压坯放置于真空热压炉中，在烧结压力为1Mpa下，以升温速率15℃/min进行烧结，烧结温度为1050℃，保温时间为2.5h。

本实施例制备的铁基摩擦材料的摩擦系数为0.29，磨损率为4.7×10^-7cm³/J，密度为4.7g/cm³，表观硬度为50HB，横向断裂强度为62N/mm²。

Claims

1.利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法，其特征在于该方法的工艺步骤和条件如下：

2.根据权利要求1所述的利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法，其特征在于在该方法第（1）步球磨时加入适量酒精。

3.根据权利要求1或2所述的利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法，其特征在于该方法所用的钒钛磁铁精矿粉的粒度为200~250目。

4.根据权利要求1或2所述的利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法，其特征在于该方法第（2）步冷压制制成的压坯相对密度为85~90%，冷压制的压力为400~500 MPa。

5.根据权利要求3所述的利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法，其特征在于该方法第（2）步冷压制制成的压坯相对密度为85~90%，冷压制的压力为400~500 MPa。

6.根据权利要求1或2所述的利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法，其特征在于该方法第（3）步的烧结压力为1~2 MPa，升温速率为10~12℃/min，烧结温度为1050~1200℃，保温时间为2~3h。

7.根据权利要求3所述的利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法，其特征在于该方法第（3）步的烧结压力为1~2 MPa，升温速率为10~12℃/min，烧结温度为1050~1200℃，保温时间为2~3h。

8.根据权利要求5所述的利用钒钛磁铁矿原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法，其特征在于该方法第（3）步的烧结压力为1~2 MPa，升温速率为10~12℃/min，烧结温度为1050~1200℃，保温时间为2~3h。