CN103639414A - 高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法 - Google Patents

高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法 Download PDF

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高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法，它涉及一种铜基复合材料的制备方法。本发明的目的是为了解决现有的铜基摩擦材料烧结后的相对密度较低、硬度低、磨损率高的技术问题。本方法如下：一、混料；二、冷压成型；三、热压烧结；四、挤压铸造。采用本发明所得的铜基摩擦材料的相对密度达到了98.9%，硬度为38HB（未经过挤压铸造的铜基摩擦材料的相对密度为91.5%～93.1%，硬度为22～27HB），使得复合材料的相对密度提高了2%～7%，硬度提高了50%～75%，并且磨损率降低了40%～85%。本发明属于铜基摩擦材料的制备领域。

Description

高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种铜基复合材料的制备方法。
背景技术
近年来，铜基复合材料以其良好的导电、导热和摩擦特性，在机械加工、交通运输和微机械学等领域具有广泛的应用前景。然而，在铜基摩擦材料上仍存在硬度低，材料烧结后的致密度不高以及磨损率高等一些问题，尤其是在高速铁路制动材料方面的应用。现有铜基摩擦材料含碳量较低，无论是复合材料的摩擦性能还是润滑性能都较差，同时铜与碳互不润湿，两种材料界面结合较差，在传统的制备工艺条件下，容易出现复合材料成分偏析，烧结密度低，硬度较低，磨损量较高等问题。基于以上问题，使得现有制备材料方法不能适应高速减摩擦材料发展和大规模工业生产化的需要。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的铜基摩擦材料烧结后的相对密度较低、硬度低、磨损率高的技术问题，提供了一种烧结后相对密度高、硬度高、低磨损率的铜基摩擦材料的制备方法。
铜基摩擦材料的制备方法如下：
一、混料：将30～70重量份的碳粉、50重量份的铁粉、100重量份的铜粉、10重量份的铬粉、5重量份的二氧化硅和3重量份的三氧化钼混合，放入卧式混料机中，在转速为50r/min～200r/min的条件下转动1h～5h，再加入聚乙烯醇溶液后继续转动1h～5h，然后所得粉末放入烘干箱干燥1h～5h；
二、冷压成型：取步骤一干燥后的粉末放入模具中，在200MPa～500MPa的压力下成型，得到冷压样品；
三、热压烧结：将冷压样品放入热压模具中，在气氛的保护下，在压力为1MPa～10MPa、温度为800～1000℃的条件下，烧结1h～5h小时，得到一次烧结样品；
四、挤压铸造：将一次烧结样品装入低碳钢套中密闭封装，在900℃～1100℃的温度下，进行挤压，使其缩颈比达到4﹕1，挤压强度为1200kN～1800kN，挤压速度为10mm/s～30mm/s，挤压后得到高硬度低磨损率铜基摩擦材料。
步骤一中所述的聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的浓度为5%，聚乙烯醇溶液的加入量为粉料总质量的5%。
步骤一中所述碳粉是人造石墨碳粉或天然鳞片石墨。
步骤一中所述碳粉的粒径为50um～250um。
步骤三中所述的气氛为氢气气氛或氩气气氛。
本发明首先采用干混的方法可以使几种不同的粉料均匀混合，后加入聚乙烯醇使碳和其他粉体表面湿润并有粘性，更容易使得碳和其他粉体进行均匀混合；本发明方法可获得硬度和摩擦系数可控的铜基复合材料，从而满足不同的需求；采用本发明所得的铜基摩擦材料的相对密度达到了98.9%，硬度为38HB（未经过挤压铸造的铜基摩擦材料的相对密度为91.5%～93.1%，硬度为22～27HB），使得复合材料的相对密度提高了2%～7%，硬度提高了50%～75%，并且磨损率降低了40%～85%。
附图说明
图1是实验一中所得铜基摩擦材料的扫描电镜图片；
图2是图1中黑框区域的能谱分析图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式铜基摩擦材料的制备方法如下：
一、混料：将30～70重量份的碳粉、50重量份的铁粉、100重量份的铜粉、10重量份的铬粉、5重量份的二氧化硅和3重量份的三氧化钼混合，放入卧式混料机中，在转速为50r/min～200r/min的条件下转动1h～5h，再加入聚乙烯醇溶液后继续转动1h～5h，然后所得粉末放入烘干箱干燥1h～5h；
二、冷压成型：取步骤一干燥后的粉末放入模具中，在200MPa～500MPa的压力下成型，得到冷压样品；
三、热压烧结：将冷压样品放入热压模具中，在气氛的保护下，在压力为1MPa～10MPa、温度为800～1000℃的条件下，烧结1h～5h小时，得到一次烧结样品；
四、挤压铸造：将一次烧结样品装入低碳钢套中密闭封装，在900℃～1100℃的温度下，进行挤压，使其缩颈比达到4﹕1，挤压强度为1200kN～1800kN，挤压速度为10mm/s～30mm/s，挤压后得到高硬度低磨损率铜基摩擦材料。
本实施方式所得的铜基摩擦材料的相对密度达到了98.9%，硬度为38HB（未经过挤压铸造的铜基摩擦材料的相对密度为91.5%～93.1%，硬度为22～27HB），使得复合材料的相对密度提高了2%～7%，硬度提高了50%～75%，并且磨损率降低了40%～85%。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述的聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的浓度为5%，聚乙烯醇溶液的加入量为粉料总质量的5%。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式所得的铜基摩擦材料的相对密度达到了98.9%，硬度为38HB（未经过挤压铸造的铜基摩擦材料的相对密度为91.5%～93.1%，硬度为22～27HB），使得复合材料的相对密度提高了2%～7%，硬度提高了50%～75%，并且磨损率降低了40%～85%。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是步骤一中所述碳粉是人造石墨碳粉或天然鳞片石墨。其它与具体实施方式一或二之一不相同。
本实施方式所得的铜基摩擦材料的相对密度达到了98.9%，硬度为38HB（未经过挤压铸造的铜基摩擦材料的相对密度为91.5%～93.1%，硬度为22～27HB），使得复合材料的相对密度提高了2%～7%，硬度提高了50%～75%，并且磨损率降低了40%～85%。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中所述碳粉的粒径为50um～250um。其它与具体实施方式一至三之一相同。
本实施方式所得的铜基摩擦材料的相对密度达到了98.9%，硬度为38HB（未经过挤压铸造的铜基摩擦材料的相对密度为91.5%～93.1%，硬度为22～27HB），使得复合材料的相对密度提高了2%～7%，硬度提高了50%～75%，并且磨损率降低了40%～85%。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤一中所述的干燥温度为55℃。其它与具体实施方式一至四之一相同。
本实施方式所得的铜基摩擦材料的相对密度达到了98.9%，硬度为38HB（未经过挤压铸造的铜基摩擦材料的相对密度为91.5%～93.1%，硬度为22～27HB），使得复合材料的相对密度提高了2%～7%，硬度提高了50%～75%，并且磨损率降低了40%～85%。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤一中在转速为85r/min的条件下转动2h，再加入聚乙烯醇溶液后继续以转速为85r/min的条件下转动3h。其它与具体实施方式一至五之一相同。
本实施方式所得的铜基摩擦材料的相对密度达到了98.9%，硬度为38HB（未经过挤压铸造的铜基摩擦材料的相对密度为91.5%～93.1%，硬度为22～27HB），使得复合材料的相对密度提高了2%～7%，硬度提高了50%～75%，并且磨损率降低了40%～85%。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤二中所述压力为380MPa。其它与具体实施方式一至六之一相同。
本实施方式所得的铜基摩擦材料的相对密度达到了98.9%，硬度为38HB（未经过挤压铸造的铜基摩擦材料的相对密度为91.5%～93.1%，硬度为22～27HB），使得复合材料的相对密度提高了2%～7%，硬度提高了50%～75%，并且磨损率降低了40%～85%。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤三中所述的气氛为氢气气氛或氩气气氛。其它与具体实施方式一至七之一相同。
本实施方式所得的铜基摩擦材料的相对密度达到了98.9%，硬度为38HB（未经过挤压铸造的铜基摩擦材料的相对密度为91.5%～93.1%，硬度为22～27HB），使得复合材料的相对密度提高了2%～7%，硬度提高了50%～75%，并且磨损率降低了40%～85%。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三在压力为3MPa、温度为900℃的条件下，烧结2h小时。其它与具体实施方式一至八之一相同。
本实施方式所得的铜基摩擦材料的相对密度达到了98.9%，硬度为38HB（未经过挤压铸造的铜基摩擦材料的相对密度为91.5%～93.1%，硬度为22～27HB），使得复合材料的相对密度提高了2%～7%，硬度提高了50%～75%，并且磨损率降低了40%～85%。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤四中在1000℃的温度下，进行挤压，挤压强度为1500kN，挤压速度为20mm/s。其它与具体实施方式一至九之一相同。
本实施方式所得的铜基摩擦材料的相对密度达到了98.9%，硬度为38HB（未经过挤压铸造的铜基摩擦材料的相对密度为91.5%～93.1%，硬度为22～27HB），使得复合材料的相对密度提高了2%～7%，硬度提高了50%～75%，并且磨损率降低了40%～85%。
采用下述实验验证本发明效果：
实验一：
铜基摩擦材料的制备方法如下：
一、混料：将50重量份的碳粉、50重量份的铁粉、100重量份的铜粉、10重量份的铬粉、5重量份的二氧化硅和3重量份的三氧化钼混合，放入卧式混料机中，在转速为85r/min的条件下转动2h，再加入聚乙烯醇溶液后继续转动3h，然后所得粉末放入烘干箱55℃干燥2h；
二、冷压成型：取步骤一干燥后的粉末放入模具中，在380MPa的压力下成型，得到冷压样品；
三、热压烧结：将冷压样品放入热压模具中，在气氛的保护下，在压力为3MPa、温度为900℃的条件下，烧结2h小时，得到一次烧结样品；
四、挤压铸造：将一次烧结样品装入低碳钢套中密闭封装，在1000℃的温度下，进行挤压，使其缩颈比达到4﹕1，挤压强度为1500kN，挤压速度为20mm/s，挤压后得到高硬度低磨损率铜基摩擦材料。
步骤一中所述加入的聚乙烯醇溶液浓度为5%，聚乙烯醇溶液加入量为粉料总质量的5%；步骤一中所述碳粉是人造石墨碳粉；步骤一中所述碳粉的粒径为50um～250um；步骤三中所述的气氛为氩气气氛。
由图1可以看出复合材料并无明显孔隙，说明烧结密度较高；由图2可以看出整个区域内基本上含有了复合材料中所有的元素，而且比例也较符合混料时所添加粉料的原配比，说明混料均匀性比较好。
本实验所得的铜基摩擦材料的相对密度达到了98.9%，硬度为38HB（未经过挤压铸造的铜基摩擦材料的相对密度为91.5%～93.1%，硬度为22～27HB），使得复合材料的相对密度提高了2%～7%，硬度提高了50%～75%，并且磨损率降低了40%～85%。

Claims (10)

1.高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法，其特征在于高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法如下：
一、混料：将30～70重量份的碳粉、50重量份的铁粉、100重量份的铜粉、10重量份的铬粉、5重量份的二氧化硅和3重量份的三氧化钼混合，放入卧式混料机中，在转速为50r/min～200r/min的条件下转动1h～5h，再加入聚乙烯醇溶液后继续转动1h～5h，然后所得粉末放入烘干箱干燥1h～5h；
二、冷压成型：取步骤一干燥后的粉末放入模具中，在200MPa～500MPa的压力下成型，得到冷压样品；
三、热压烧结：将冷压样品放入热压模具中，在气氛的保护下，在压力为1MPa～10MPa、温度为800～1000℃的条件下，烧结1h～5h小时，得到一次烧结样品；
四、挤压铸造：将一次烧结样品装入低碳钢套中密闭封装，在900℃～1100℃的温度下，进行挤压，使其缩颈比达到4﹕1，挤压强度为1200kN～1800kN，挤压速度为10mm/s～30mm/s，挤压后得到高硬度低磨损率铜基摩擦材料。
2.根据权利要求1所述的高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的浓度为5%，聚乙烯醇溶液的加入量为粉料总质量的5%。
3.根据权利要求1或2所述的高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述碳粉是人造石墨碳粉或天然鳞片石墨。
4.根据权利要求1或2所述的高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述碳粉的粒径为50um～250um。
5.根据权利要求1或2所述的高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的干燥温度为55℃。
6.根据权利要求1或2所述的高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法，其特征在于步骤一中在转速为85r/min的条件下转动2h，再加入聚乙烯醇溶液后继续以转速为85r/min的条件下转动3h。
7.根据权利要求1或2所述的高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述压力为380MPa。
8.根据权利要求1或2所述的高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法，其特征在于步骤三中所述的气氛为氢气气氛或氩气气氛。
9.根据权利要求1或2所述的高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法，其特征在于步骤三在压力为3MPa、温度为900℃的条件下，烧结2h小时。
10.根据权利要求1或2所述的高硬度低磨损铜基摩擦材料的制备方法，其特征在于步骤四中在1000℃的温度下，进行挤压，挤压强度为1500kN，挤压速度为20mm/s。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20140319