CN103422005B - 一种利用钒钛磁铁矿碳热原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种利用钒钛磁铁矿碳热原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法是先将钒钛磁铁精矿粉和还原剂石墨粉球磨混合均匀后进行真空碳热预还原，然后再与铁粉、润滑剂石墨粉、铜粉、锡粉、铅粉、稀土硅铁合金粉和硬脂酸锌粉进行二次球磨，混合均匀后经冷压制制成压坯，并将压坯置于真空烧结炉中进行烧结。由于本发明采用的是真空预还原+冷压+真空无压烧结的技术方案，因而可在不具备热压烧结条件下，用天然钒钛磁铁精矿粉制备出了铁基摩擦材料，填补了在没有热压烧结条件下利用真空碳热原位反应烧结法来制备铁基摩擦材料的空白，不仅使获得的材料具有原位合成和粉末冶金烧结的优点，且致密度更高，同时可大大节约设备的投资成本。

Description

一种利用钒钛磁铁矿碳热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碳热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增强相。与“外加法”相比，原位合成技术具有以下优点：生成相因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。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。如ZL201210256454.6就公开了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。该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。该发明虽填补了原位反应烧结制备铁基摩擦材料的空白，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，大大缩短材料的制备周期，节约成本。但美中不足的是ZL201210256454.6公开的技术方案必须依赖于真空热压炉的热压烧结功能才能得到比较致密化的铁基摩擦材料，使得真空热压烧结炉的存在成为该技术方案实施的必要前提条件，导致制备条件苛刻，设备投资大，同时该技术方案得到的铁基摩擦材料的致密化程度还不是很理想，不能满足诸如高速列车制动领域对材料致密化程度的要求。对于如何在既没有热压烧结条件下仍然能够利用真空碳热原位反应烧结法来制备铁基摩擦材料，且还能获得致密化程度更高的铁基摩擦材料的信息，目前还没有文献报道。

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碳热原位反应烧结制备铁基摩擦材料的方法，该方法能够在不具备热压烧结条件下进行制备，且能获得致密化程度更高的铁基摩擦材料。

本发明提供的一种利用钒钛磁铁矿碳热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、稀土硅铁合金粉、硬脂酸锌粉以1：1.69：0.7～2.65：0.87～2.69：0～0.14：0～0.04：0～0.03：0.007～0.014：0.002～0.004的摩尔比分别进行称料；

（2）将称料后的钒钛磁铁精矿粉和还原剂石墨粉先置于球磨机中球磨混合均匀，然后将混匀后的混合料于真空烧结炉中以升温速率8～12℃/min升温至1240～1290℃，保温1～4h进行真空碳热预还原，得预还原粉末；

（3）先将预还原粉末与第（1）步称料好的铁粉、铜粉、锡粉、铅粉、稀土硅铁合金粉置于球磨机中进行二次球磨混合至均匀，然后再将第（1）步称料好的润滑剂石墨粉和硬脂酸锌粉加入继续球磨混合至均匀，球磨时加入适量酒精；

（4）先将二次球磨混合料装入模具中，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，然后将压坯以升温速率8～12℃/min于真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1100～1240℃，保温时间为2～4h。

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）步的升温速率优选8～10℃/min，预还原温度优选1260～1290℃，保温时间优选2～3h。

以上方法第（4）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400～500MPa。

以上方法第（4）步的升温速率优选8～10℃/min，烧结温度优选1150～1220℃，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，在成分配比中两次加入适量石墨粉，第一次所加石墨作为还原剂，在真空预还原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。第二次所加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，而且是在不具备热压烧结条件下采用真空预还原+冷压+真空无压烧结的技术方案实现了铁基摩擦材料的制备，因而填补了在没有热压烧结条件下利用真空碳热原位反应烧结法来制备铁基摩擦材料的空白，充分利用了我国丰富的钒钛磁铁资源。

2、由于本发明还在制备过程中添加了稀土元素，而稀土元素具有促进烧结、细化晶粒和固溶强化的作用，因而不仅获得了致密度比现有技术更高的铁基摩擦材料，且材料的硬度、强度和耐磨性得到提高。

3、由于本发明采用“真空预还原+冷压+真空无压烧结”实现了原位合成反应和粉末冶金的烧结致密化过程，因而不仅使获得的铁基摩擦材料具有原位合成和粉末冶金技术的优点，而且基于真空烧结炉就可以实现铁基摩擦材料制备，可大大节约设备投资成本。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的铁基摩擦材料的X射线衍射图。

图2为本发明实施例2制备的铁基摩擦材料的X射线衍射图。

图3为本发明实施例3制备的铁基摩擦材料的X射线衍射图。

图4为本发明实施例4制备的铁基摩擦材料的X射线衍射图。

图5为本发明实施例5制备的铁基摩擦材料的X射线衍射图。

图6为本发明实施例1制备的铁基摩擦材料的显微组织图。

图7为本发明实施例2制备的铁基摩擦材料的显微组织图。

图8为本发明实施例3制备的铁基摩擦材料的显微组织图。

图9为本发明实施例4制备的铁基摩擦材料的显微组织图。

图10为本发明实施例5制备的铁基摩擦材料的显微组织图。

图11为对比例制备的铁基摩擦材料的显微组织图。

从以上X射线衍射图中可以看出经过本发明方法原位反应均已生成了铁基摩擦材料所需要的组元，从显微组织图中可以看出经过本发明方法原位反应均已生成了致密度更高的铁基摩擦材料。

具体实施方式

下面给出的实施例是对本发明进行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）以下实施例中所用的稀土硅铁合金粉是市场上所售的具体牌号为FeSiMg9Re9的稀土硅铁合金粉；2）以下实施例以下实施例所制备的铁基摩擦材料的摩擦系数是按照JB/T7269—1994测定的；密度是按照GB/T10421-2002测定的；表观硬度是按照GB/T231.1-2002测定的；横向断裂强度是按照GB/T5319-2002测定的。

实施例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，按球料比2:1加入陶瓷球，然后在转速200rpm下球磨混合3h，再将球磨混合料置入真空烧结炉中以升温速率8℃/min升温至1290℃，保温2h进行真空碳热预还原；先将真空预还原粉末和铁粉73.36g（摩尔数1.31）、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）、稀土硅铁合金粉1.63g（摩尔数0.007）和适量的酒精放入球磨机中，继续按球料比2:1在转速300rpm下球磨混合3h，然后加入润滑剂石墨粉10.44g（摩尔数0.87）和硬脂酸锌粉1.90g（摩尔数0.003）继续球磨均匀，出料；先将二次球磨混合粉料装入模具中，在300MPa压力下冷压制制成相对密度为87%的压坯，然后将压坯置于真空烧结炉中，以升温速率10℃/min升温至1150℃，保温3h进行烧结。

本实施例制备的铁基摩擦材料的摩擦系数为0.28，磨损率为3.5×10^-7cm³/J，密度为5.6g/cm³，表观硬度为85HB，横向断裂强度为67N/mm²。

实施例2

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，按球料比2:1加入陶瓷球，然后在转速200rpm下球磨混合3h，再将球磨混合料置入真空烧结炉中以升温速率10℃/min升温至1290℃，保温2h进行真空碳热预还原；先将真空预还原粉末和铁粉73.36g（摩尔数1.31）、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）、稀土硅铁合金粉2.32g（摩尔数0.01）和适量的酒精放入球磨机中，继续按球料比2:1在转速300rpm下球磨混合3h，然后加入润滑剂石墨粉10.44g（摩尔数0.87）和硬脂酸锌粉1.90g（摩尔数0.003）继续球磨均匀，出料；先将二次球磨混合粉料装入模具中，在300MPa压力下冷压制制成相对密度为80%的压坯，然后将压坯置于真空烧结炉中，以升温速率8℃/min升温至1200℃，保温2h进行烧结。

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3.7×10^-7cm³/J，密度为5.0g/cm³，表观硬度为73HB，横向断裂强度为67N/mm²。

实施例3

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，按球料比2:1加入陶瓷球，然后在转速400rpm下球磨混合2h，再将球磨混合料置入真空烧结炉中以升温速率9℃/min升温至1260℃，保温1h进行真空碳热预还原；先将真空预还原粉末和铁粉39.2g（摩尔数0.7）、锡粉4.76g（摩尔数0.04）、铅粉2.07g（摩尔数0.01）、稀土硅铁合金粉3.26g（摩尔数0.014）和适量的酒精放入球磨机中，继续按球料比2:1在转速350rpm下球磨混合2h，然后加入润滑剂石墨粉18.49g（摩尔数1.54）和硬脂酸锌粉1.26g（摩尔数0.002）继续球磨均匀，出料；先将二次球磨混合粉料装入模具中，在400MPa压力下冷压制制成相对密度为90%的压坯，然后将压坯置于真空烧结炉中，以升温速率12℃/min升温至1100℃，保温4h进行烧结。

本实施例制备的铁基摩擦材料的摩擦系数为0.26，磨损率为3.5×10^-7cm³/J，密度为5.8g/cm³，表观硬度为87HB，横向断裂强度为73N/mm²。

实施例4

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，按球料比2:1加入陶瓷球，然后在转速200rpm下球磨混合3h，再将球磨混合料置入真空烧结炉中以升温速率12℃/min升温至1270℃，保温3h进行真空碳热预还原；先将真空预还原粉末和铁粉39.2g（摩尔数0.7）、锡粉4.76g（摩尔数0.04）、稀土硅铁合金粉1.63g（摩尔数0.007）和适量的酒精放入球磨机中，继续按球料比2:1在转速300rpm下球磨混合3h，然后加入润滑剂石墨粉18.49g（摩尔数1.54）和硬脂酸锌粉1.26g（摩尔数0.002）继续球磨均匀，出料；先将二次球磨混合粉料装入模具中，在450MPa压力下冷压制制成相对密度为85%的压坯，然后将压坯置于真空烧结炉中，以升温速率9℃/min升温至1220℃，保温2h进行烧结。

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3.2×10^-7cm³/J，密度为5.8g/cm³，表观硬度为98HB，横向断裂强度为83N/mm²。

实施例5

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，按球料比2:1加入陶瓷球，然后在转速200rpm下球磨混合3h，再将球磨混合料置入真空烧结炉中以升温速率10℃/min升温至1240℃，保温4h进行真空碳热预还原；先将真空预还原粉末和铁粉148.4g（摩尔数2.65）、铜粉5.12g（摩尔数0.08）、铅粉6.21g（摩尔数0.03）、稀土硅铁合金粉2.10g（摩尔数0.009）和适量的酒精放入球磨机中，继续按球料比2:1在转速350rpm下球磨混合2h，然后加入润滑剂石墨粉32.28g（摩尔数2.69）和硬脂酸锌粉2.53g（摩尔数0.004）继续球磨均匀，出料；先将二次球磨混合粉料装入模具中，在500MPa压力下冷压制制成相对密度为81%的压坯，然后将压坯置于真空烧结炉中，以升温速率8℃/min升温至1240℃，保温2.5h进行烧结。

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3.8×10^-7cm³/J，密度为5.2g/cm³，表观硬度为70HB，横向断裂强度为72N/mm²。

对比例

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，按球料比2:1加入陶瓷球，然后在转速200rpm下球磨混合3h，再将球磨混合料置入真空烧结炉中以升温速率10℃/min升温至1240℃，保温4h进行真空碳热预还原；先将真空预还原粉末和铁粉148.4g（摩尔数2.65）、铜粉5.12g（摩尔数0.08）、铅粉6.21g（摩尔数0.03）和适量的酒精放入球磨机中，继续按球料比2:1在转速350rpm下球磨混合2h，然后加入润滑剂石墨粉32.28g（摩尔数2.69）和硬脂酸锌粉2.53g（摩尔数0.004）继续球磨均匀，出料；先将二次球磨混合粉料装入模具中，在500MPa压力下冷压制制成相对密度为81%的压坯，然后将压坯置于真空烧结炉中，以升温速率8℃/min升温至1240℃，保温2.5h进行烧结。

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 (8)

1.一种利用钒钛磁铁矿碳热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、稀土硅铁合金粉、硬脂酸锌粉以1：1.69：0.7～2.65：0.87～2.69：0～0.14：0～0.04：0～0.03：0.007～0.014：0.002～0.004的摩尔比分别进行称料；

（2）将称料后的钒钛磁铁精矿粉和还原剂石墨粉先置于球磨机中球磨混合均匀，然后将混匀后的混合料于真空烧结炉中以升温速率8～12℃/min升温至1240～1290℃，保温1～4h进行真空碳热预还原，得预还原粉末；

（3）先将预还原粉末与第（1）步称料好的铁粉、铜粉、锡粉、铅粉、稀土硅铁合金粉置于球磨机中进行二次球磨混合至均匀，然后再将第（1）步称料好的润滑剂石墨粉和硬脂酸锌粉加入继续球磨混合至均匀，球磨时加入适量酒精；

（4）先将二次球磨混合料装入模具中，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，然后将压坯以升温速率8～12℃/min于真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1100～1240℃，保温时间为2～4h。

2.根据权利要求1所述的利用钒钛磁铁矿碳热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优选200～250目。

3.根据权利要求1或2所述的利用钒钛磁铁矿碳热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）步的升温速率为8～10℃/min，预还原温度为1260～1290℃，保温时间为2～3h。

4.根据权利要求1或2所述的利用钒钛磁铁矿碳热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（4）步冷压制制成的压坯相对密度为85～90%，冷压制的压力为400～500MPa。

5.根据权利要求3所述的利用钒钛磁铁矿碳热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（4）步冷压制制成的压坯相对密度为85～90%，冷压制的压力为400～500MPa。

6.根据权利要求1或2所述的利用钒钛磁铁矿碳热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（4）步的升温速率为8～10℃/min，烧结温度为1150～1220℃，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碳热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（4）步的升温速率为8～10℃/min，烧结温度为1150～1220℃，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碳热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（4）步的升温速率为8～10℃/min，烧结温度为1150～1220℃，保温时间为2～3h。