CN104959608B

CN104959608B - 一种纳米碳化硅颗粒铜基摩擦片及其制备方法

Info

Publication number: CN104959608B
Application number: CN201510393839.0A
Authority: CN
Inventors: 崔功军; 寇子明; 吴娟; 韩俊瑞
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2035-07-07
Also published as: CN104959608A

Abstract

本发明公开了一种纳米碳化硅颗粒铜基摩擦片及其制备方法，所述摩擦片材料是由铜粉、铁粉、石墨、镍粉、纳米级碳化硅或微米级碳化硅构成。所述其制备方法包括配料、混料、烧结和试样加工，其烧结条件为采用热压烧结技术，在真空或氮气保护条件下热压烧结。本摩擦片具有摩擦系数稳定，磨损率低的特点；同时摩擦片制备工艺简单，成本低，抗热衰退性高的特点，本摩擦片适用于带式输送机和大型工程设备制动器使用，具有广阔的应用前景。

Description

一种纳米碳化硅颗粒铜基摩擦片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜基高强度制动摩擦片的材料及其制备方法，尤其是一种由纳米氧化铝颗粒强化的铜基摩擦片及其制备方法，用于不同制动力和制动速度条件下且具有稳定的制动性能。

背景技术

带式输送机和大型工程设备在社会生产和建设过程中发挥关键性作用，随着装备的大型化和货物运量的增加，造成设备制动频繁及长时制动的情况，而且制动器要能提供足够大的制动力矩，这导致制动器摩擦片表面产生极高的温度造成摩擦片寿命缩短，这对设备制动器摩擦片的制动性能提出了更高的要求。

摩擦片作为上述输运设备的制动关键部件，在制动过程中为设备提供稳定的制动力矩，保证设备的减加速度限制在一定的范围内，从而实现装备的可控运行，保护设备的零部件，防止重大事故的发生，具有现实意义。

金属基摩擦片相比于陶瓷基和非金属基（NAO）摩擦片，具有优良的力学性能、高抗热衰退性、高的热导率和优良的机械加工性能，被广泛应用于机械工程领域。因此，研究开发一种高性能的金属基摩擦片对提高装备制造水平具有重大的实际意义。

公开号为CN 101956776 A公开了“一种含纳米材料的高强度汽车汽车制动摩擦片及其生产方法”。该摩擦片粘结剂为丁晴橡胶，采用了碳纤维和碳纳米管强化摩擦片，其生产成本高，高温条件下摩擦系数为0.2-0.3，摩擦系数低，只能适用于轻载条件下汽车的间歇制动，而不适用于大型工程设备的制动。

公开号为CN 104028763 A公开了“一种黄铜增强湿式铜基摩擦片的制备方法”。该方法制备的摩擦片能适于工程设备制动，但制动过程需用冷却液，造成制动器结构复杂，维修成本高。

因此，迫切需要开发一种制备工艺简单、成本低和抗热衰退性高的适用于工程机械干式制动条件下的铜基摩擦片。

发明内容

本发明要解决的具体技术问题是现有工程机械输送设备制动所使用的摩擦片寿命短、制动力矩不稳定，同时进一步简化摩擦片的制备工艺并降低生产成本，其目的是提供一种摩擦系数稳定、磨损率低及抗热衰退性好的纳米碳化硅颗粒铜基摩擦片及其制备方法。

本发明上述问题是通过下述技术方案实现的。

一种纳米碳化硅颗粒铜基摩擦片，其所述铜基摩擦片是以粒径为200目的铜粉为基体，加入粒径为200目的铁粉、粒径为100目的石墨粉、粒径为200目的镍粉、粒径为60nm级的碳化硅颗粒或粒径为150目的微米级碳化硅颗粒构成；其所述铜基摩擦片的材料组成及其含量按重量比为：铜粉45-51%；铁粉25-34%；镍粉7-10%；纳米级碳化硅颗粒或微米级碳化硅颗粒6-14%；石墨粉4.5-6.5%。

一种用于上述的一种纳米碳化硅颗粒铜基摩擦片的制备方法，其所述制备方法是按下列步骤进行的：

（1）配料：按材料组成及其含量按重量比为：粒径为200目的铜粉45-51%；粒径为200目的铁粉25-34%；粒径为200目的镍粉7-10%；纳米级碳化硅颗粒或微米级碳化硅颗粒6-14%；粒径为100目的石墨粉4.5-6.5%；

（2）混料：按上述步骤（1）的原料配比，将原料置于行星式球磨机中进行混合，球磨机的混合转速为250rpm，混料时间为4小时，获得混合原料；

（3）烧结：将上述步骤（2）混合原料放入石墨模具中，再置于热压烧结炉中，然后抽真空，并升温至800-850℃，加压35MPa，保温30分钟，然后撤压，随炉冷却至室温，取出备用；

（4）试样加工：按照设计要求对摩擦片进行加工。

在上述技术方案中，所述烧结的真空度进一步维持在10^-1-10^-2pa，或者将热压烧结炉中充入氮气进行保护；所述升温的温度是830℃，并以每分钟10℃的速度进行升温。

上述技术方案实施后，采用维氏硬度计测试摩擦材料的硬度，测试条件采用载荷300g，加载时间为10s，材料的硬度为0.85-1.14GPa。

采用鼓式制动器摩擦试验机评价材料的制动性能，摩擦副采用45#钢，其直径为12cm，制动速度分别为800rpm、1200rpm、1600rpm、2000rpm，制动压力为20N，测试制动时间为15分钟，为保证数据重现性，实验重复三次进行。

本发明的特点之一是，所研制的铜基摩擦片材料致密度高、结构均匀，如附图1所示。

本发明的特点之二是，所研制的铜基摩擦片材料成本低、设备简单、工艺过程简便；

本发明的特点之三是，所研制的铜基摩擦片材料具有较低的摩擦系数和磨损率。

附图说明

图1是本发明制备的块体材料的组织结构SEM图片。材料致密度高、结构均匀。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。

具体实施方式1

实施本发明上述所提供的一种纳米碳化硅颗粒铜基摩擦片的制备方法，该制备方法是使用铜粉、铁粉、镍粉、石墨粉、纳米级碳化硅颗粒及微米级碳化硅颗粒，采用热压烧结的方式进行试验研制一种纳米碳化硅颗粒强化的具有稳定摩擦系数和长寿命的工程机械用铜基摩擦片材料。该铜基摩擦片的具体制备方法是按下列步骤进行的。

第一步，配料；按比例秤取各类组分。

第二步，混料；将秤取的粉料放入行星式球磨机中，将原料混合均匀。球磨机转速为250rpm，混料时间为4小时。

第三步，烧结；将混合均匀的原料放入石墨模具中，置于热压烧结炉中，然后抽真空，真空度维持在10^-1-10^-2pa左右或者将炉体内充入氮气，以每分钟10℃的速度升温至800-850℃，加压35MPa，保温30分钟，然后撤压，随炉冷却至室温，取出。

第四步，试样加工；按照设计实验要求对摩擦片进行加工。

具体实施方式2

按照具体实施方式1的方法，在制备一种铜基摩擦片材料时，采用铜粉为基体，加入铁粉、石墨粉、镍粉、纳米级碳化硅颗粒或微米级碳化硅颗粒；该铜基摩擦片材料的具体配方按重量比为：铜粉45-51%、铁粉25-34%、镍粉7-10%、纳米级碳化硅6-14%、石墨粉4.5-6.5%。

其中：铜粉的粒径采用200目；铁粉的粒径采用200目；镍粉的粒径采用200目；纳米级碳化硅粒的径采用60nm；微米级碳化硅的粒径采用150目；石墨的粒径采用为100目，配比范围总量的实现是100%，在具体实施时，上述范围均可进行实施，不再进行一一举例实施。

本发明上述具体实施方式中，在真空或氮气条件下采用热压烧结技术，研制了一种高性能铜基摩擦片。在连续制动条件，不同制动力和制动速度条件下，摩擦片具有高摩擦系数和低磨损率的特征，适用于带式输送机及大型工程机械制动器摩擦片。

下面通过具体实施例对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施例1

具体实施一种纳米碳化硅颗粒铜基摩擦片的制备方法如下：

分别秤取质量百分比为铁粉30%、镍粉8%、石墨粉6%、纳米碳化硅颗粒6%，铜粉50%，将混合均匀的粉料在行星式球磨机中以200转/分的速度下混合2.5个小时，得到混合均匀的粉体，将混合均匀的粉体放入石墨模具，置于热压烧结炉中进行热压烧结，加热到800℃，保温时间30分钟，施加压力35MPa，保温时间结束撤压，随炉冷却后得到Cu-30Fe-8Ni-6C-6（纳米级）TiC摩擦片材料。

表1

所制备块体材料的维氏硬度为0.75GPa，在实验条件范围内的平均摩擦系数和磨损率见上表1。

实施例2

具体实施一种纳米碳化硅颗粒铜基摩擦片的制备方法如下：

分别秤取质量百分比为铁粉30%、镍粉8%、石墨粉5.5%、纳米碳化硅颗粒10%，铜粉46.5%，将混合均匀的粉料在行星式球磨机中以200转/分的速度下混合2.5个小时，得到混合均匀的粉体，将混合均匀的粉体放入石墨模具，置于热压烧结炉中进行热压烧结，加热到850℃，保温时间30分钟，施加压力35MPa，保温时间结束撤压，随炉冷却后得到Cu-30Fe-8Ni-5.5C-10（纳米级）TiC摩擦片材料。

表2

所制备块体材料的维氏硬度为0.97GPa，在实验条件范围内的平均摩擦系数和磨损率见上表2。

实施例3

具体实施一种纳米碳化硅颗粒铜基摩擦片的制备方法如下：

分别秤取质量百分比为铁粉30%、镍粉10%、石墨粉5.5%、纳米碳化硅颗粒14%，铜粉40.5%，将混合均匀的粉料在行星式球磨机中以200转/分的速度下混合2.5个小时，得到混合均匀的粉体，将混合均匀的粉体放入石墨模具，置于热压烧结炉中进行热压烧结，加热到850℃，保温时间30分钟，施加压力35MPa，保温时间结束撤压，随炉冷却后得到Cu-30Fe-10Ni-5.5C-14（纳米级）TiC摩擦片材料。

表3

所制备块体材料的维氏硬度为1.13GPa，在实验条件范围内的平均摩擦系数和磨损率见上表3。

实施例4

具体实施一种纳米碳化硅颗粒铜基摩擦片的制备方法如下：

分别秤取质量百分比为铁粉30%、镍粉8%、石墨粉5.5%、微米碳化硅颗粒10%，铜46.5%，将混合均匀的粉料在行星式球磨机中以200转/分的速度下混合4个小时，得到混合均匀的粉体，将混合均匀的粉体放入石墨模具，置于热压烧结炉中进行热压烧结，加热到850℃，保温时间30分钟，施加压力35MPa，保温时间结束撤压，随炉冷却后得到Cu-30Fe-8Ni-6C-10（微米级）TiC摩擦片材料。

表4

所制备块体材料的维氏硬度为0.91GPa，在实验条件范围内的平均摩擦系数和磨损率见上表4。

Claims

1.一种碳化硅颗粒铜基摩擦片，其所述铜基摩擦片是以粒径为200目的铜粉为基体，加入粒径为200目的铁粉、粒径为100目的石墨粉、粒径为200目的镍粉、粒径为60nm级的碳化硅颗粒或粒径为150目的微米级碳化硅颗粒构成；其所述铜基摩擦片的材料组成及其含量按重量比为：铜粉45-51％；铁粉25-34％；镍粉7-10％；纳米级碳化硅颗粒或微米级碳化硅颗粒6-14％；石墨粉4.5-6.5％。

2.一种用于权利要求1所述的碳化硅颗粒铜基摩擦片的制备方法，其所述制备方法是按下列步骤进行的：

(1)配料：按材料组成及其含量按重量比为：粒径为200目的铜粉45-51％；粒径为200目的铁粉25-34％；粒径为200目的镍粉7-10％；纳米级碳化硅颗粒或微米级碳化硅颗粒6-14％；粒径为100目的石墨粉4.5-6.5％；

(2)混料：按上述步骤(1)的原料配比，将原料置于行星式球磨机中进行混合，球磨机的混合转速为250rpm，混料时间为4小时，获得混合原料；

(3)烧结：将上述步骤(2)混合原料放入石墨模具中，再置于热压烧结炉中，然后抽真空，并升温至800-850℃，加压35MPa，保温30分钟，然后撤压，随炉冷却至室温，取出备用；

(4)试样加工：按照设计要求对摩擦片进行加工。

3.如权利要求2所述的制备方法，其所述烧结的真空度维持在10^-1-10^-2pa或将热压烧结炉中充入氮气保护。

4.如权利要求2所述的制备方法，其所述升温是升至830℃，并以每分钟10℃的速度进行升温。