CN105349097A - 一种结构仿生摩擦材料及其制造方法 - Google Patents

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本发明公开了一种结构仿生摩擦材料及其制造方法，结构仿生摩擦材料是由交替排列的摩擦体材料和具有扇形结构或螺旋形结构的仿生支撑体组成；扇形结构或螺旋形结构为仿贝壳结构；扇形结构或螺旋形结构的仿生支撑体是由厚度为0.2mm-2mm的纯铜或锡青铜板构成；仿生支撑体垂直于摩擦表面。

Description

一种结构仿生摩擦材料及其制造方法
技术领域
本发明属制动摩擦材料技术领域，具体涉及一种用于制造高速列车及重载高速汽车制动用仿生制动摩擦材料及其制造方法。
背景技术
摩擦材料广泛应用于机械装置的转动和制动领域，是影响机械系统性能、可靠性和安全性的重要材料，如在高速列车、重载列车、重载汽车等运载工具上，制动摩擦材料是运行安全的重要保障，传动摩擦材料是实现动力传输的重要环节。目前各行业对摩擦材料的性能提出了越来越高的要求，同时由于摩擦材料应用越来越广泛，所面临的环境条件越来越复杂多变，一些新的问题，如表面结冰、表面破损等，严重影响摩擦材料的使用，成为亟待解决的问题。目前，通过材料改性和工艺优化方法制备高性能制动摩擦材料方面，国内外均有相关专利报导，如：
1、中国专利，公告号为1149273，公告日为2004.05.12，专利号为01115331.8，发明名称为“含钢纤维的金属陶瓷摩擦材料及制造方法”的发明创造描述了一种摩擦材料及其制造方法；
2、中国专利公开号为CNI032195，公开日为1989.04.05，专利号为87106352.2，发明名称为“一种摩擦片及其制造方法”的发明创造描述了一种摩擦片及其制造方法；
3、中国专利，公开号为CN1257903，公开日为2000.06.28，专利号为99122593.7，发明名称为“一种制动用粉末冶金摩擦材料”的发明创造描述了一种制动用粉末冶金摩擦材料；
4、中国专利，公告号为1272454，公告日为2006.8.30，专利号为03126347.X，发明名称为“一种铜基粉末冶金摩擦材料”的发明创造描述了一种摩擦材料及其制造方法；
5、中国专利，公告号为100467659，公告日为2007.07.11，专利号为200610134187.X，发明名称为“一种铜基粒子强化摩擦材料”的发明创造描述了一种铜基粒子强化摩擦材料；
6、中国专利，专利号200910067243，公告日为2009.12.16，发明名称为“金属基粉末冶金制动闸片材料及制备方法”的发明创造描述了一种金属基粉末冶金制动闸片材料及制备方法；
7、中国专利，专利号200710157159，公告日为2008.5.14，发明名称为“湿式碳-碳摩擦材料和摩擦元件及制造方法”的发明创造描述了一种湿式碳－碳摩擦材料和摩擦元件及制造方法；
8、中国专利，专利号200910158829，公告日为2010.1.20，发明名称为“由碳/碳复合材料制造摩擦部件的方法”的发明创造描述了一种由碳/碳复合材料制造摩擦部件的方法；
9、中国专利，专利号201010529316，公告日为2010.10.11，发明名称为“制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体及其编织工艺方法”的发明创造描述了一种飞机上用制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体及其编织工艺方法；
而采用仿生设计方法也是研制高性能摩擦材料的重要途径，目前仿生制动摩擦材料已经见诸专利报道，如：
1、中国专利，专利号200410011355，公告日为2005.7.27，发明名称为“具有仿生非光滑表面的制动鼓”的发明创造描述了一种用于车辆上的具有高摩擦系数、耐磨、抗热疲劳，具有仿生非光滑表面的制动鼓；
2、中国专利，专利号201310121347.7，公告日为2014.1.24，发明名称为“仿生制动摩擦材料”的发明创造描述了一种具有取向性纤维增强的摩擦材料及其制备方法，具有良好的耐磨性和摩擦稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构仿生摩擦材料及其制造方法。
本发明的结构仿生摩擦材料是由交替排列的摩擦体材料和具有扇形结构或螺旋形结构的仿生支撑体组成；扇形结构或螺旋形结构为仿仿贝壳结构；
所述的摩擦体材料的原料成分按质量百分比如下：Cu-10％Sn预合金粉70％-90％，鳞片状石墨6％-25％，Fe粉0-2％，Ni粉0-2％，Cr粉0-2％，纳米预混合Ti-Al-B-C粉末3％-15％；所述的纳米预混合Ti-Al-B-C粉末的成分按质量百分比如下：Ti粉30％-71％，Al粉15-45％，B粉3％-10％，C粉10％-25％，将上述粉末混合后在频率为100-400赫兹的摆动式球磨机中球磨0.5-2小时。
所述的扇形结构或螺旋形结构的仿生支撑体是由厚度为0.2mm-2mm的纯铜或锡青铜板构成；具有扇形结构的仿生支撑体垂直于摩擦表面，在摩擦表面的投影满足以下数学表达式：
x2+y2＝(n·a)2，其中
其中，a为各层支撑体间距，3mm≤a≤25mm，n为无量纲序数，n＝1，2，3…..。
所述具有扇形结构的仿生支撑体与回转运动的摩擦对偶回转中心在垂直于摩擦表面的方向上重合。
具有螺旋结构的仿生支撑体垂直于摩擦表面，在摩擦表面的投影满足以下数学表达式：
r(θ)＝b+c(θ)
其中b为螺旋形结构初始半径，3mm≤b≤25mm，c为螺旋形结构每层间间距，2mm≤c≤25mm，θ为螺旋形结构转角范围，10π≤θ≤1200π。
所述具有扇形结构的结构仿生摩擦材料的制备方法如下：
1)、将厚度为0.2mm-2mm的纯铜或锡青铜板进行表面粗糙化和表面活化预处理；
2)、将宽度为H＝655mm-1260mm，长度L＝310mm-3300mm，经预处理的纯铜或锡青铜板放置于半径为200mm-750mm圆弧模具上，在板上均匀放置厚度为2.7mm-30mm的摩擦体材料粉末，在摩擦体材料粉末上放置长度为26mm-1575mm的板，之后重复上述步骤3-125次后，采用半径为100mm-450mm的压头进行压制，压制压力为50-800MPa，再用最底层铜板材将压制好的摩擦材料包围，之后采用半径为100mm-450mm的压头再次进行压制，压制压力为50-200MPa，采用氩弧焊对接缝进行焊接，制成压制坯，压制坯各层支撑为同心的扇形结构，层间距为H，其中H＝1.1mm-1.8mm，扇形圆心角为θ，θ＝60°-120°。
3)、采用中频加热方法对压制坯进行烧结，线圈频率H＝2500Hz-4500Hz，烧结时间h1＝2min-20min，之后采用将压制坯在氩气气氛下进行烧结，烧结温度为T＝550℃-750℃，保温烧结时间为h2＝30min-360min，之后随炉冷却，制成烧结坯。
4)、对烧结坯进行切割，切割厚度D1＝45mm-150mm，在指定位置钻螺栓孔，进行表面预磨处理即成为具有扇形结构的仿生结构支撑体。
所述的具有螺旋形结构的结构仿生摩擦材料的制备方法如下：
1)、将厚度为0.2mm-2mm的纯铜或锡青铜板进行表面粗糙化和表面活化预处理；
2)、将经预处理的纯铜或锡青铜板加载张力，加载张力为S＝15MPa-105MPa，并在此条件下将板材与摩擦体材料粉末进行卷制，摩擦体材料粉末添加量G＝0.45g/cm2-12g/cm2，卷制完成后，采用氩弧焊对接缝进行焊接，制成卷制坯。
3)、采用中频加热方法对卷制坯进行烧结，线圈频率H＝2500Hz-4500Hz，烧结时间h1＝2min-20min，之后采用将卷制坯在氩气气氛下进行烧结，烧结温度为T＝550℃-750℃，保温烧结时间为h2＝30min-360min，之后随炉冷却，制成烧结坯。
4)、对烧结坯进行切割，切割厚度D1＝45mm-150mm，在指定位置钻螺栓孔，进行表面预磨处理即成为螺旋形结构的仿生支撑体。
本发明的有益效果：
本发明所述制动摩擦材料中，摩擦体材料用于提供稳定的制动摩擦力，具有扇形结构或螺旋形结构的仿生支撑体用于提高摩擦材料整体抗剪切强度，防止剪切应力产生裂纹扩展导致磨损表面大面积剥落，提高摩擦热传导速度，降低磨损表面温度，提高第三体转移层的生产速度，提高制动摩擦材料的耐磨性。
附图说明
图1为本发明具有扇形结构的仿生支撑体的摩擦材料结构示意图。
图2为本发明具有螺旋结构的仿生支撑体的摩擦材料结构示意图。
其中：1-仿生支撑体，2-摩擦体材料，θ-扇形结构的圆心角，H-各层层间距。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的结构仿生摩擦材料是由交替排列的摩擦体材料2和具有扇形结构或螺旋形结构的仿生支撑体1组成；扇形结构或螺旋形结构为仿仿贝壳结构；
所述的摩擦体材料2的原料成分按质量百分比如下：Cu-10％Sn预合金粉70％-90％，鳞片状石墨6％-25％，Fe粉0-2％，Ni粉0-2％，Cr粉0-2％，纳米预混合Ti-Al-B-C粉末3％-15％；
所述的纳米预混合Ti-Al-B-C粉末的成分按质量百分比如下：Ti粉30％-71％，Al粉15-45％，B粉3％-10％，C粉10％-25％，将上述粉末混合后在频率为100-400赫兹的摆动式球磨机中球磨0.5-2小时。
如图1和图2所示，所述的扇形结构或螺旋形结构的仿生支撑体1是由厚度为0.2mm-2mm的纯铜或锡青铜板构成；如图1所示，具有扇形结构的仿生支撑体1垂直于摩擦表面，在摩擦表面的投影满足以下数学表达式：
x2+y2＝(n·a)2，其中
其中，a为各层支撑体间距，3mm≤a≤25mm，n为无量纲序数，n＝1，2，3…..。
所述具有扇形结构的仿生支撑体1与回转运动的摩擦对偶回转中心在垂直于摩擦表面的方向上重合。
如图2所示，具有螺旋结构的仿生支撑体1垂直于摩擦表面，在摩擦表面的投影满足以下数学表达式：
r(θ)＝b+c(θ)
其中b为螺旋形结构初始半径，3mm≤b≤25mm，c为螺旋形结构每层间间距，2mm≤c≤25mm，θ为螺旋形结构转角范围，10π≤θ≤1200π。
所述具有扇形结构的结构仿生摩擦材料的制备方法如下：
1)、将厚度为0.2mm-2mm的纯铜或锡青铜板进行表面粗糙化和表面活化预处理；
2)、将宽度为H＝655mm-1260mm，长度L＝310mm-3300mm，经预处理的纯铜或锡青铜板放置于半径为200mm-750mm圆弧模具上，在板上均匀放置厚度为2.7mm-30mm的摩擦体材料2粉末，在摩擦体材料2粉末上放置长度为26mm-1575mm的板，之后重复上述步骤3-125次后，采用半径为100mm-450mm的压头进行压制，压制压力为50-800MPa，再用最底层铜板材将压制好的摩擦材料包围，之后采用半径为100mm-450mm的压头再次进行压制，压制压力为50-200MPa，采用氩弧焊对接缝进行焊接，制成压制坯，压制坯各层支撑为同心的扇形结构，层间距为H，其中H＝1.1mm-1.8mm，扇形圆心角为θ，θ＝60°-120°。
3)、采用中频加热方法对压制坯进行烧结，线圈频率H＝2500Hz-4500Hz，烧结时间h1＝2min-20min，之后采用将压制坯在氩气气氛下进行烧结，烧结温度为T＝550℃-750℃，保温烧结时间为h2＝30min-360min，之后随炉冷却，制成烧结坯。
4)、对烧结坯进行切割，切割厚度D1＝45mm-150mm的材料，在指定位置钻螺栓孔，进行表面预磨处理即成为具有扇形结构的仿生结构支撑体1。
所述的具有螺旋形结构的结构仿生摩擦材料的制备方法如下：
1)、将厚度为0.2mm-2mm的纯铜或锡青铜板进行表面粗糙化和表面活化预处理；
2)、将经预处理的纯铜或锡青铜板加载张力，加载张力为S＝15MPa-105MPa，并在此条件下将板材与摩擦体材料2粉末进行卷制，摩擦体材料2粉末添加量G＝0.45g/cm2-12g/cm2，卷制完成后，采用氩弧焊对接缝进行焊接，制成卷制坯。
3)、采用中频加热方法对卷制坯进行烧结，线圈频率H＝2500Hz-4500Hz，烧结时间h1＝2min-20min，之后采用将卷制坯在氩气气氛下进行烧结，烧结温度为T＝550℃-750℃，保温烧结时间为h2＝30min-360min，之后随炉冷却，制成烧结坯。
4)、对烧结坯进行切割，切割厚度D1＝45mm-150mm的材料，在指定位置钻螺栓孔，进行表面预磨处理即成为螺旋形结构的仿生支撑体1。
本发明的有益效果
本发明所述制动摩擦材料中，摩擦体材料用于提供稳定的制动摩擦力，具有扇形结构或螺旋形结构的仿生支撑体用于提高摩擦材料整体抗剪切强度，防止剪切应力产生裂纹扩展导致磨损表面大面积剥落，提高摩擦热传导速度，降低磨损表面温度，提高第三体转移层的生产速度，提高制动摩擦材料的耐磨性。

Claims (7)

1.一种结构仿生摩擦材料，其特征在于：是由交替排列的摩擦体材料(2)和具有扇形结构或螺旋形结构的仿生支撑体(1)组成。
2.根据权利要求1所述的一种结构仿生摩擦材料，其特征在于：所述的扇形结构或螺旋形结构为仿仿贝壳结构。
3.根据权利要求1所述的一种结构仿生摩擦材料，其特征在于：所述的摩擦体材料(2)的原料成分按质量百分比如下：Cu-10％Sn预合金粉70％-90％，鳞片状石墨6％-25％，Fe粉0-2％，Ni粉0-2％，Cr粉0-2％，纳米预混合Ti-Al-B-C粉末3％-15％；所述的纳米预混合Ti-Al-B-C粉末的成分按质量百分比如下：Ti粉30％-71％，Al粉15-45％，B粉3％-10％，C粉10％-25％；将上述粉末混合后在频率为100-400赫兹的摆动式球磨机中球磨0.5-2小时。
4.根据权利要求1所述的一种结构仿生摩擦材料，其特征在于：所述的扇形结构的仿生支撑体(1)是由厚度为0.2mm-2mm的纯铜或锡青铜板构成；具有扇形结构的仿生支撑体(1)垂直于摩擦表面，在摩擦表面的投影满足以下数学表达式：
x2+y2＝(n·a)2，其中
其中，a为各层支撑体间距，3mm≤a≤25mm，n为无量纲序数，n＝1，2，3.....；
所述具有扇形结构的仿生支撑体1与回转运动的摩擦对偶回转中心在垂直于摩擦表面的方向上重合。
5.根据权利要求1所述的一种结构仿生摩擦材料，其特征在于：所述的螺旋形结构的仿生支撑体(1)是由厚度为0.2mm-2mm的纯铜或锡青铜板构成；具有螺旋结构的仿生支撑体(1)垂直于摩擦表面，在摩擦表面的投影满足以下数学表达式：
r(θ)＝b+c(θ)
其中b为螺旋形结构初始半径，3mm≤b≤25mm，c为螺旋形结构每层间间距，2mm≤c≤25mm，θ为螺旋形结构转角范围，10π≤θ≤1200π。
6.权利要求1所述具有扇形结构的结构仿生摩擦材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)、将厚度为0.2mm-2mm的纯铜或锡青铜板进行表面粗糙化和表面活化预处理；
2)、将宽度为H＝655mm-1260mm，长度L＝310mm-3300mm，经预处理的纯铜或锡青铜板放置于半径为200mm-750mm圆弧模具上，在板上均匀放置厚度为2.7mm-30mm的摩擦体材料(2)粉末，在摩擦体材料(2)粉末上放置长度为26mm-1575mm的板，之后重复上述步骤3-125次后，采用半径为100mm-450mm的压头进行压制，压制压力为50-800MPa，再用最底层铜板材将压制好的摩擦材料包围，之后采用半径为100mm-450mm的压头再次进行压制，压制压力为50-200MPa，采用氩弧焊对接缝进行焊接，制成压制坯，压制坯各层支撑为同心的扇形结构，层间距为H，其中H＝1.1mm-1.8mm，扇形圆心角为θ，θ＝60°-120°；
3)、采用中频加热方法对压制坯进行烧结，线圈频率H＝2500Hz-4500Hz，烧结时间h1＝2min-20min，之后采用将压制坯在氩气气氛下进行烧结，烧结温度为T＝550℃-750℃，保温烧结时间为h2＝30min-360min，之后随炉冷却，制成烧结坯；
4)、对烧结坯进行切割，切割厚度D1＝45mm-150mm，在指定位置钻螺栓孔，进行表面预磨处理即成为具有扇形结构的仿生结构支撑体(1)。
7.权利要求1所述具有螺旋形结构的结构仿生摩擦材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)、将厚度为0.2mm-2mm的纯铜或锡青铜板进行表面粗糙化和表面活化预处理；
2)、将经预处理的纯铜或锡青铜板加载张力，加载张力为S＝15MPa-105MPa，并在此条件下将板材与摩擦体材料(2)粉末进行卷制，摩擦体材料(2)粉末添加量G＝0.45g/cm2-12g/cm2，卷制完成后，采用氩弧焊对接缝进行焊接，制成卷制坯；
3)、采用中频加热方法对卷制坯进行烧结，线圈频率H＝2500Hz-4500Hz，烧结时间h1＝2min-20min，之后采用将卷制坯在氩气气氛下进行烧结，烧结温度为T＝550℃-750℃，保温烧结时间为h2＝30min-360min，之后随炉冷却，制成烧结坯；
4)、对烧结坯进行切割，切割厚度D1＝45mm-150mm，在指定位置钻螺栓孔，进行表面预磨处理即成为螺旋形结构的仿生支撑体(1)。
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