CN104353836A - 铜包铁(Fe-20wt%Cu)基刹车材料的制备方法 - Google Patents
铜包铁(Fe-20wt%Cu)基刹车材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料的制备工艺，从提高基体强度和刹车性能的角度考虑，以铜包铁（Fe-20wt%Cu）粉为基体添加润滑组元MoS2和片状石墨、摩擦组元SiC、强化组元Al和Ni，合金组元Mn和Cr，通过感应加热烧结和燃烧反应合成方法制备出了铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料，具体工艺步骤如下：钢背加工；称量粉末；混料；压制；烧结；冷却；试样清洗；性能测试；基体晶粒越细小刹车材料的抗压强度越高，孔隙率越小刹车材料的抗压强度越高，磨损率越小；本发明所述的铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料制备方法工艺合理、易于控制，制备的刹车材料具有热强度高、摩擦系数稳定、磨损率小和成本低的特点。
Description
技术领域
本发明属于刹车材料制备方法，更具体地说，涉及一种铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料的制备方法。
背景技术
常用的烧结金属基刹车材料包含铜基和铁基两种类型。1970年以后，铜基和铁基刹车材料的研究主要集中在材料组分对其性能改善的影响方面，但是无论用哪一种材料组分对铜基和铁基刹车材料的性能进行改善，都无法摆脱铜基刹车材料成本高，铁基刹车材料导热性差和制动不稳定的缺点。为了解决以上两种烧结金属刹车材料的缺陷，充分利用铜基和铁基刹车材料的优势，开发和研制铜铁基刹车材料已经成为刹车材料领域的研究热点。近年来，樊毅等人研究了铜铁基刹车材料的制备及材料组元（SiO2、SiC和Fe等）对铜铁基刹车材料性能和抗冲击性能影响，研究结果表明材料的合适成分及含量可以提高铜铁基刹车材料性能；杨明研究了Al和Zr对铜包铁基体刹车材料的组织和性能的影响，发现Al、Zr对铜铁合金刹车材料综合性能具有一定的影响。文献资料显示铜铁基烧结金属刹车材料具有良好的力学和摩擦学性能，一方面，铜铁基烧结金属刹车材料拥有铜基和铁基刹车材料的优良性能，可以保证良好的导热性与稳定的摩擦系数，另一方面，它成本低廉且应用范围更为广泛，具有很好的发展前景。但是，铜铁基烧结金属刹车材料的性能也存在缺陷，主要是由于基体成分为铜粉和铁分混合而成，在烧结过程中，两种粉末的相容性差比单一的铜基和铁基差，导致孔隙率大，使材料的强度有所降低，难以满足现代交通工具的高速、重载工矿而带来对刹车制动部件的性能要求。
发明内容
本发明从提高基体强度和刹车性能的角度考虑，选择铜包铁粉作为基体组元，通过添加适量的强化组元、摩擦组元和润滑组元，制造一种具有优良综合性能的铜铁基烧结金属刹车新材料，一解决上述铜基和铁基刹车材料中所存在的问题。
本发明公开一种铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料的制备方法，是以铜包铁（Fe-20wt%Cu）粉为基体添加润滑组元MoS2和片状石墨、摩擦组元SiC、强化组元Al和Ni，合金组元Mn和Cr，通过感应加热烧结和燃烧反应合成方法制备出了铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料，具体工艺步骤如下：
第一步 钢背加工
将45号钢加工成尺寸为直径为100mm，厚度为10mm，表面粗糙度为Ra32的钢背⑴；
第二步 称量粉末
实验所用的粉末全部选择粒径为200目，质量配比为：60%-80%铜包铁粉、5%-10%Al粉、5%-10% Ni粉、5%-10%MoS2粉和片状石墨粉（MoS2和石墨比例为2:3）、5%-10%Mn粉和Cr粉（Mn和Cr比例为3:2）；
第三步 混料
将混合粉末在混料机中混合4h（搅拌速度400r/min）；
第四步 压制
将混料在1000MPa-1200MPa压力下压成直径为100mm、厚度为10mm的坯料；
第五步 烧结
将坯料放在钢被上放入感应烧结炉加压烧结：加热速度为50℃/min-100℃/min，压力为10MPa-15MPa，保温温度为1050℃-1100℃，保温时间为3h；
第六步 冷却
随炉冷却至室温
第七步 试样清洗
取出试样超声清洗后风干；
第八步 性能测试
600℃抗压强度60MPa-90MPa，摩擦系数0.40-0.50，磨损率(×10-10g/(N.m)) 1.0-3.0。
刹车材料⑵的表面形貌金相组织：灰色区域为基体组织⑶⑷，黑色区域为孔隙⑷；基体晶粒越细小刹车材料的抗压强度越高，孔隙率越小刹车材料的抗压强度越高，磨损率越小。
本发明所述的铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料制备方法工艺合理、易于控制，制备的刹车材料具有热强度高、摩擦系数稳定、磨损率小和成本低的特点。
附图说明
图1是刹车材料的结构图；
图2是实施例1刹车材料的表面形貌金相照片;
图3是实施例2刹车材料的表面形貌金相照片;
图4是实施例3刹车材料的表面形貌金相照片;
图5是实施例4刹车材料的表面形貌金相照片。
图标说明：钢背1、刹车材料2、基体组织3、孔隙4。
具体实施方式
各具体实施例中均需：
第一步 钢背加工
将45号钢加工成尺寸为直径为100mm，厚度为10mm，表面粗糙度为Ra32的钢背1；
第三步 混料
将混合粉末在混料机中混合4h（搅拌速度400r/min）；
第六步 冷却
随炉冷却至室温
第七步 试样清洗
取出试样超声清洗后风干；
实施例1
第二步 称量粉末
实验所用的粉末全部选择粒径为200目，质量配比为： 80%铜包铁粉、5%Al粉、5% Ni粉、5%MoS2粉和片状石墨粉（MoS2和石墨比例为2:3）、5%Mn粉和Cr粉（Mn和Cr比例为3:2）；
第四步 压制
将混料在1200MPa压力下压成直径为100mm、厚度为10mm的坯料；
第五步 烧结
将坯料放在钢被上放入感应烧结炉加压烧结：加热速度为100℃/min，压力为15MPa，保温温度为1100℃，保温时间为3h；
第八步 性能测试
600℃抗压强度90MPa，摩擦系数0.50，磨损率(×10-10g/(N.m)) 1.0；
图2中，灰色区域为基体组织⑶，黑色区域为孔隙⑷，基体晶粒很细小、孔隙率很小，刹车材料的抗压强度很高，磨损率很小。
实施例2
第二步 称量粉末
实验所用的粉末全部选择粒径为200目，质量配比为： 60%铜包铁粉、10%Al粉、10% Ni粉、10%MoS2粉和片状石墨粉（MoS2和石墨比例为2:3）、10%Mn粉和Cr粉（Mn和Cr比例为3:2）；
第四步 压制
将混料在1000MPa压力下压成直径为100mm、厚度为10mm的坯料；
第五步 烧结
将坯料放在钢被上放入感应烧结炉加压烧结：加热速度为50℃/min，压力为10MPa，保温温度为1050℃，保温时间为3h；
第八步 性能测试
600℃抗压强度60MPa，摩擦系数0.40，磨损率(×10-10g/(N.m)) 3.0；
图3中，灰色区域为基体组织⑶，黑色区域为孔隙⑷，基体晶粒粗大、孔隙率很大，刹车材料的抗压强度很低，磨损率很大。
实施例3
第二步 称量粉末
实验所用的粉末全部选择粒径为200目，质量配比为： 70%铜包铁粉、8%Al粉、8% Ni粉、8%MoS2粉和片状石墨粉（MoS2和石墨比例为2:3）、6%Mn粉和Cr粉（Mn和Cr比例为3:2）；
第四步 压制
将混料在1100MPa压力下压成直径为100mm、厚度为10mm的坯料；
第五步 烧结
将坯料放在钢被上放入感应烧结炉加压烧结：加热速度为70℃/min，压力为12MPa，保温温度为1070℃，保温时间为3h；
第八步 性能测试
600℃抗压强度70MPa，摩擦系数0.45，磨损率(×10-10g/(N.m)) 2.0；
图4中，灰色区域为基体组织⑶，黑色区域为孔隙⑷，基体晶粒较粗、孔隙率较大，刹车材料的抗压强度较低，磨损率较小。
实施例4
第二步 称量粉末
实验所用的粉末全部选择粒径为200目，质量配比为： 65%铜包铁粉、8%Al粉、9% Ni粉、9%MoS2粉和片状石墨粉（MoS2和石墨比例为2:3）、9%Mn粉和Cr粉（Mn和Cr比例为3:2）；
第四步 压制
将混料在1050MPa压力下压成直径为100mm、厚度为10mm的坯料；
第五步 烧结
将坯料放在钢被上放入感应烧结炉加压烧结：加热速度为80℃/min，压力为11MPa，保温温度为1080℃，保温时间为3h；
第八步 性能测试
600℃抗压强度80MPa，摩擦系数0.48，磨损率(×10-10g/(N.m)) 1.5；
图5中，灰色区域为基体组织⑶，黑色区域为孔隙⑷，基体晶粒细小、孔隙率小，刹车材料的抗压强度高，磨损率小。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
附表：具体实施例制备工艺参数和材料性能参数见表1；
具体实施例中刹车材料的表面形貌与性能参数见表2。
表1
表2
Claims (10)
1.一种铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料的制备工艺，其特征在于：所述制备工艺是以铜包铁（Fe-20wt%Cu）粉为基体添加润滑组元MoS2和片状石墨、摩擦组元SiC、强化组元Al和Ni，合金组元Mn和Cr，通过感应加热烧结和燃烧反应合成方法制备出了铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料，具体工艺步骤如下：
第一步 钢背加工
将45号钢加工成尺寸为直径为100mm，厚度为10mm，表面粗糙度为Ra32的钢背；
第二步 称量粉末
实验所用的粉末全部选择粒径为200目，质量配比为：60%-80%铜包铁粉、5%-10%Al粉、5%-10% Ni粉、5%-10%MoS2粉和片状石墨粉（MoS2和石墨比例为2:3）、5%-10%Mn粉和Cr粉（Mn和Cr比例为3:2）；
第三步 混料
将混合粉末在混料机中混合4h（搅拌速度400r/min）；
第四步 压制
将混料在1000MPa-1200MPa压力下压成直径为100mm、厚度为10mm的坯料；
第五步 烧结
将坯料放在钢被上放入感应烧结炉加压烧结：加热速度为50℃/min-100℃/min，压力为10MPa-15MPa，保温温度为1050℃-1100℃，保温时间为3h；
第六步 冷却
随炉冷却至室温
第七步 试样清洗
取出试样超声清洗后风干。
2.根据权利要求1所述铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料制备工艺制备的刹车材料，其特征在于：所述刹车材料其性能：600℃抗压强度60MPa-90MPa，摩擦系数0.40-0.50，磨损率(×10-10g/(N.m)) 1.0-3.0；刹车材料的表面形貌金相组织：灰色区域为基体组织，黑色区域为孔隙；基体晶粒越细小刹车材料的抗压强度越高，孔隙率越小刹车材料的抗压强度越高，磨损率越小。
3.根据权利要求1所述铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料的制备工艺，其特征在于：所述制备工艺步骤如下：
第一步 钢背加工
将45号钢加工成尺寸为直径为100mm，厚度为10mm，表面粗糙度为Ra32的钢背1；
第二步 称量粉末
实验所用的粉末全部选择粒径为200目，质量配比为： 80%铜包铁粉、5%Al粉、5% Ni粉、5%MoS2粉和片状石墨粉，MoS2和石墨比例为2:3、5%Mn粉和Cr粉，Mn和Cr比例为3:2；
第三步 混料
将混合粉末在混料机中混合4h，搅拌速度400r/min；
第四步 压制
将混料在1200MPa压力下压成直径为100mm、厚度为10mm的坯料；
第五步 烧结
将坯料放在钢被上放入感应烧结炉加压烧结：加热速度为100℃/min，压力为15MPa，保温温度为1100℃，保温时间为3h；
第六步 冷却
随炉冷却至室温
第七步 试样清洗
取出试样超声清洗后风干。
4.根据权利要求3所述铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料制备工艺制备的刹车材料，其特征在于：所述刹车材料其性能：600℃抗压强度90MPa，摩擦系数0.50，磨损率1.0×10-10g/(N.m)；图2中，灰色区域为基体组织⑶，黑色区域为孔隙⑷，基体晶粒很细小、孔隙率很小，刹车材料的抗压强度很高，磨损率很小。
5.根据权利要求1所述铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料的制备工艺，其特征在于：所述制备工艺步骤如下：
第一步 钢背加工
将45号钢加工成尺寸为直径为100mm，厚度为10mm，表面粗糙度为Ra32的钢背1；
第二步 称量粉末
实验所用的粉末全部选择粒径为200目，质量配比为： 60%铜包铁粉、10%Al粉、10% Ni粉、10%MoS2粉和片状石墨粉，MoS2和石墨比例为2:3、10%Mn粉和Cr粉，Mn和Cr比例为3:2；
第三步 混料
将混合粉末在混料机中混合4h，搅拌速度400r/min；
第四步 压制
将混料在1000MPa压力下压成直径为100mm、厚度为10mm的坯料；
第五步 烧结
将坯料放在钢被上放入感应烧结炉加压烧结：加热速度为50℃/min，压力为10MPa，保温温度为1050℃，保温时间为3h；
第六步 冷却
随炉冷却至室温
第七步 试样清洗
取出试样超声清洗后风干。
6.根据权利要求5所述铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料制备工艺制备的刹车材料，其特征在于：所述刹车材料其性能：600℃抗压强度60MPa，摩擦系数0.40，磨损率3.0×10-10g/(N.m)；图3中，灰色区域为基体组织⑶，黑色区域为孔隙⑷，基体晶粒粗大、孔隙率很大，刹车材料的抗压强度很低，磨损率很大。
7.根据权利要求1所述铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料的制备工艺，其特征在于：所述制备工艺步骤如下：
第一步 钢背加工
将45号钢加工成尺寸为直径为100mm，厚度为10mm，表面粗糙度为Ra32的钢背1；
第二步 称量粉末
实验所用的粉末全部选择粒径为200目，质量配比为： 70%铜包铁粉、8%Al粉、8% Ni粉、8%MoS2粉和片状石墨粉，MoS2和石墨比例为2:3、6%Mn粉和Cr粉，Mn和Cr比例为3:2；
第三步 混料
将混合粉末在混料机中混合4h，搅拌速度400r/min；
第四步 压制
将混料在1100MPa压力下压成直径为100mm、厚度为10mm的坯料；
第五步 烧结
将坯料放在钢被上放入感应烧结炉加压烧结：加热速度为70℃/min，压力为12MPa，保温温度为1070℃，保温时间为3h；
第六步 冷却
随炉冷却至室温
第七步 试样清洗
取出试样超声清洗后风干。
8.根据权利要求7所述铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料制备工艺制备的刹车材料，其特征在于：所述刹车材料其性能：600℃抗压强度70MPa，摩擦系数0.45，磨损率2.0×10-10g/(N.m)；图4中，灰色区域为基体组织⑶，黑色区域为孔隙⑷，基体晶粒较粗、孔隙率较大，刹车材料的抗压强度较低，磨损率较小。
9.根据权利要求1所述铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料的制备工艺，其特征在于：所述制备工艺步骤如下：
第一步 钢背加工
将45号钢加工成尺寸为直径为100mm，厚度为10mm，表面粗糙度为Ra32的钢背1；
第二步 称量粉末
实验所用的粉末全部选择粒径为200目，质量配比为： 65%铜包铁粉、8%Al粉、9% Ni粉、9%MoS2粉和片状石墨粉，MoS2和石墨比例为2:3、9%Mn粉和Cr粉，Mn和Cr比例为3:2；
第三步 混料
将混合粉末在混料机中混合4h，搅拌速度400r/min；
第四步 压制
将混料在1050MPa压力下压成直径为100mm、厚度为10mm的坯料；
第五步 烧结
将坯料放在钢被上放入感应烧结炉加压烧结：加热速度为80℃/min，压力为11MPa，保温温度为1080℃，保温时间为3h；
第六步 冷却
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10.根据权利要求9所述铜包铁（Fe-20wt%Cu）基刹车材料制备工艺制备的刹车材料，其特征在于：所述刹车材料其性能：600℃抗压强度80MPa，摩擦系数0.48，磨损率1.5×10-10g/(N.m)；图5中，灰色区域为基体组织⑶，黑色区域为孔隙⑷，基体晶粒细小、孔隙率小，刹车材料的抗压强度高，磨损率小。
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| CN115013462A (zh) * | 2022-04-18 | 2022-09-06 | 南通力友液压机制造有限公司 | 一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料及其制备方法 |
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