CN105102157A - 铜合金粉末、铜合金烧结体和高速铁道用制动衬片 - Google Patents

铜合金粉末、铜合金烧结体和高速铁道用制动衬片 Download PDF

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Abstract

使用铜合金粉末制造高速铁道用烧结摩擦材料，所述铜合金粉末是由含有以质量％计0.1～2.0％Fe的铜合金通过雾化法而制造的。该摩擦材料兼顾了充分的强度和高的导热性。

Description

铜合金粉末、铜合金烧结体和高速铁道用制动衬片
技术领域
本发明涉及铜合金粉末、铜合金烧结体和高速铁道用制动衬片。
背景技术
高速铁道车辆中使用的制动衬片材料、圆盘制动块材料等基材使用有将金属粉末成型并烧结而得到的烧结体。特别是，铜具有高的导热性，因此可能使摩擦时的界面温度降低，因此大多用于高速铁道用衬片材料。另外，从磨耗性的观点出发，还研究了添加铁。
专利文献1～4中记载了将铜铁合金用于制动·摩擦材料的例子。另外，专利文献5和6中记载了如下技术：将混合了铜铁的高温熔体进行冷却时，通过超声波搅拌或骤冷，使铁均匀微细地分散于铜中的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-102583号公报
专利文献2：日本特开平1-320329号公报
专利文献3：日本特开平5-86359号公报
专利文献4：日本特开2006-16680号公报
专利文献5：日本特开平6-17163号公报
专利文献6：日本特开平11-131111号公报
发明内容
发明要解决的问题
上述的任意文献中，使5％或其以上的铁含有于铜。这样的大量的铁的添加为了强化铜合金是有效的，但存在使铜合金的导热性降低的问题。特别是，新干线等的高速铁道用制动衬片在制动时温度上升至800℃左右，因此要求特别优异的导热性。
本发明是为了解决这样的现有技术的问题而作出的，目的在于，以低成本得到能够兼顾作为摩擦材料所需的强度和高导热性的烧结体。
用于解决问题的方案
本发明人等为了实现上述目的而反复研究，得到下述发现。
(a)为了提高烧结体的耐磨耗性，材料的高强度化、例如增大硬度是有效的。
(b)烧结体变为高温时，强度降低。由此，烧结体具有高的导热性，可以容易使摩擦界面的温度降低。
本发明人等基于上述发现进行了进一步的研究，得到下述发现。
(c)本发明人等开发了由在铜粉末中加入了铁粉末的混合粉末得到烧结体的技术。该技术在烧结体衬片中所含的铁颗粒与钢盘摩擦时，通过相同组织金属效果而发挥优异的制动力。然而，在铜粉末中加入铁粉末时，难以均匀地混合，其结果，烧结体中存在的铁颗粒的粒径变大，难以均匀分散于烧结体整体。如此，将使用在铜粉末中加入了铁粉末的混合粉末为前提时，铁颗粒的粒径变得较大，铁颗粒大量存在的部分的强度变高，但铁颗粒少的部分的强度维持为较低，其结果，难以与烧结体的基材本身的强化相关联，而且铁也变为放热源。
(d)因此，作为烧结原料使用包含微量铁的铜合金粉末是有效的。这是由于，通过将铜粉末制成铜合金粉末，从而可以使微细的铁颗粒均匀地分散于烧结体中，可以进行基材本身的强化。另外，铜与铁不发生固溶，因此铜合金粉末在铜中析出微小的铁。如此，如果为包含微量铁的铜合金粉末，则铁颗粒由具有高导热的铜包围，因此摩擦热的发散变得容易，可以抑制摩擦界面的温度上升。
(e)但是，如果在铜合金中所含的铁的量过多，则硬度上升，但铁颗粒变得过大，导热率降低。由此，从铜合金的强化与导热率的平衡的方面出发，必须设定适当的铁含量。
本发明是基于上述发现而作出的，将下述的发明作为主旨。
(1)一种铜合金粉末，其为用于制造高速铁道用烧结摩擦材料的铜合金粉末，
所述铜合金粉末是由含有以质量％计0.1～2.0％Fe的铜合金通过雾化法而制造的。
(2.)一种铜合金烧结体，其为将包含上述(1)所述的铜合金粉末的粉末成型并烧结从而得到的。
(3)根据上述(2)所述的铜合金烧结体，其中，前述铜合金烧结体中所含的Fe颗粒的平均粒径为5μm以下。
(4)根据上述(2)或(3)所述的铜合金烧结体，其中，烧结温度为1083℃以下。
(5)一种高速铁道用制动衬片，其使用了上述(2)～(4)中任一项所述的铜合金烧结体。
发明的效果
根据本发明，可以以低成本得到能够兼顾作为摩擦材料所需的强度和高导热性的烧结体。所得烧结体具有优异的耐磨耗性，因此用于高速铁道用制动衬片等高速铁道用烧结摩擦材料是最佳的。
附图说明
图1为本发明例6的TEM照片
图2为比较例9的TEM照片
具体实施方式
本发明的铜合金粉末成为用于通过粉末冶金法进行成型并烧结得到铜合金烧结体的原料，可以对所得铜合金烧结体实施必需的加工而作为高速铁道用烧结摩擦材料使用。铜合金粉末含有以质量％计0.1～2.0％Fe。
铁具有提高铜合金的强度(硬度)的效果。为了获得该效果，将其含量设为0.1％以上。另一方面，铁的导热性差，因此其含量过剩的情况下，高速铁道的制动时等容易变为高温化。然而，如果将铁的含量设为2.0％以下，则可以形成在具有高导热性的铜中析出了微小的铁的铜合金粉末，摩擦热的发散变得容易，可以抑制摩擦界面的温度上升。铁的含量的下限优选设为0.1％，上限优选设为1.0％。
对于本发明的铜合金粉末，可以含有Fe：0.1～2.0％、余量包含铜，或者也可以在Fe的基础上，例如在Cu中含有对Fe赋予湿润性的微量的Ti。此处，过剩地包含Ti时，有在颗粒内产生裂纹的担心。由此，含有Ti的情况下，也期望其含量设为0.01质量％以下。另外，本发明的铜合金粉末可以包含杂质，但大量包含杂质时，有本发明的目的即高导热性受损的担心。由此，Cu期望使用无氧铜，对于Fe期望使用电解铁粉(例如TohoZincCo.,Ltd.制的アトミロン)。
需要说明的是，杂质是指，在各种原料中混入的成分、在合金粉的制造过程中混入的成分等。作为杂质，只要分别为下述的范围就可以被允许。即，C：0.03质量％以下、Si：0.01质量％以下、Mn：0.03质量％以下、P：0.01质量％以下、S：0.03质量％以下、As：0.003质量％以下、Sb：0.005质量％以下、Bi：0.001质量％以下、Pb：0.005质量％以下。
本发明的铜合金粉末是通过雾化法制造的。例如，将调整为上述化学组成的铜合金原料在感应加热炉中熔解，将所得铜合金金属熔液自炉底的喷嘴挤出，在自由落下的过程中骤冷，或者向铜合金金属熔液吹入喷射流体，从而可以制成粉粒状。
本发明的铜合金粉末是通过基于雾化的骤冷凝固而制造的，因此合金中所含的Fe在Cu中固溶或按纳米级以微细析出的状态存在。
本发明的铜合金粉末的平均粒径优选处于63μm以下的范围。铜合金粉末的平均粒径过大时，存在烧结变困难的问题。另一方面，铜合金粉末的平均粒径过小时，在利用雾化法进行制造时，有收率(成品率)明显降低的问题，因此平均粒径优选设为35μm以上。
由上述铜合金粉末制造铜合金烧结体时，可以利用通常采用的方法，没有特别限制。可以将调整为规定的化学组成的铜合金粉末分级，填充至模具中，以规定压力进行压粉体成型，然后在非活性气体气氛中进行热处理从而制造。
其中，烧结温度优选设为1083℃以下。这是由于，在超过1083℃的温度下进行烧结时，铜合金中仅铜熔融，在该凝固过程中铁发生聚集，有铁的平均晶粒直径变得过大的担心。烧结温度过低时，不会形成烧结体，烧结温度的下限可以设为800℃。
由于烧结时的加热而在合金粉末中固溶或以纳米级微细析出的Fe发生聚集粗大化，铜合金烧结体中所含的Fe颗粒的平均粒径优选设为5μm以下。这是由于，Fe颗粒的平均粒径过大时，导热性降低，将其用于高速铁道用烧结摩擦材料时，摩擦界面的温度上升，摩擦材料的耐磨耗性劣化，且盘温度也上升，有产生弯曲成盘形状的担心。此处，使Fe颗粒的平均粒径为5μm以下时，如果为作为烧结体原料的合金粉末的平均粒径的10％左右，则不会对当初作为目标的摩擦放热的散失带来妨碍。即使Fe颗粒的平均粒径过小，上述效果也饱和，且使制造成本上升，因此设为0.1μm以上是现实的。
首先，将表1所示的纯铜和铜合金在感应加热炉中熔解，将所得金属熔液自炉底的喷嘴挤出，在自由落下的过程中骤冷，得到具有各种化学组成的粉末。将所得粉末用63μm的网的筛子分级，得到平均粒径35μm左右的粉末。接着，将该粉末填充至内径48mm的模具中，在压力294MPa下进行压粉体成型，然后在各种条件下进行热处理得到烧结体。烧结如下进行：首先使炉内为真空，然后导入Ar气体来进行。升温速度设为10℃/分钟，分别加热至规定的温度，在该温度下保持一定时间。将烧结条件一并记于表1。
对于所得烧结体，考察维氏硬度和密度。密度用基于JISZ8807的阿基米德法进行测定。将该结果示于表1。
对于一部分烧结体(950℃×1小时的例子和1000℃×1小时的例子)，通过激光闪光法，测定室温(22℃)、200℃、400℃和600℃下的导热率。将该结果一并记于表1。
对于一部分烧结体(1000℃×1小时的例子)，通过机械加工制作外径20mm×厚度4.5mm的圆盘状的试验片。对于各试验片，以下述要领进行高温摩擦·磨耗试验。将该结果一并记于表1。
＜高温摩擦·磨耗试验＞
作为试验装置，利用通常使用的CSM公司THT1000，实施销盘式摩擦磨损试验(对盘挤压销，考察此时的盘的磨耗的试验)。试验条件如下：
销：SUJ2球(外径6mm)
盘：铜铁合金烧结体(外径20mm×厚度4.5mm)
摩擦条件：载荷5N、旋转半径3mm、旋转速度100rpm、转速3000
试验温度：室温(22℃)、600℃和800℃三种
需要说明的是，对于磨耗量，测定试验后的盘表面形成为圆形的磨耗痕的深度4个点(每90°)，求出平均磨耗面积。
如表1所示那样，铁的含量越增加，硬度越上升。另一方面，Fe含量越增加，导热率越降低。另外，对于平均磨耗面积，在室温和800℃下，铁的含量为0.96％时变为最少，在600℃下，铁的含量为1.84％时变为最少。
图1为本发明例6的TEM照片，如该图所示那样可知，对于满足本发明的条件的烧结体，微细的铁颗粒均匀地分散于烧结体整体。另一方面，如图2所示那样可知，比较例9的TEM照片中，比较大的铁颗粒散在，没有均匀地分散。
产业上的可利用性
根据本发明，可以以低成本得到能够兼顾作为摩擦材料所需的强度和高导热性的烧结体。所得烧结体具有优异的耐磨耗性，因此用于高速铁道用制动衬片等高速铁道用烧结摩擦材料是最佳的。

Claims (5)

1.一种铜合金粉末，其为用于制造高速铁道用烧结摩擦材料的铜合金粉末，
所述铜合金粉末是由含有以质量％计0.1～2.0％Fe的铜合金通过雾化法而制造的。
2.一种铜合金烧结体，其为将包含权利要求1所述的铜合金粉末的粉末成型并烧结从而得到的。
3.根据权利要求2所述的铜合金烧结体，其中，所述铜合金烧结体中所含的Fe颗粒的平均粒径为5μm以下。
4.根据权利要求2或3所述的铜合金烧结体，其中，烧结温度为1083℃以下。
5.一种高速铁道用制动衬片，其使用了权利要求2～4中任一项所述的铜合金烧结体。
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