CN105772707A - 粉末冶金铁基摩擦材料层与钢背的粘接方法及粘接材料 - Google Patents
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Abstract
一种粉末冶金铁基摩擦材料层与钢背的粘接方法及粘接材料。所述粘接方法采用铺撒混合粉来实现铜基粉末冶金材料与钢背连接、及常温下喷涂金属粉与有机溶剂实现连接，在粉末冶金铁基摩擦材料与钢背之间加入0.05～0.15mm厚的粘结材料，经过烧结，使粉末冶金铁基摩擦材料与钢背具有良好结合性能和防止钢背变脆裂纹。本发明在粘接材料配方中加入锡，使其在烧结过程中形成液相，并在粘接材料内部及与钢背接触部位扩散形成合金体，起到粘接作用，增强了粘接的有效性。加入的铜粉在保证粘接材料层厚度达到0.05～0.15mm时，能够有效降低摩擦材料中碳向钢背扩散，防止钢背渗碳变脆，并本发明能有效提高粘接材料剪切强度。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域，具体是一种粉末冶金铁基摩擦材料与钢背的连接方法。
背景技术
粉末冶金铁基摩擦材料由于含有大量非金属成分，造成材料脆性较大，机械强度不够高，特别是受到冲击载荷时，会产生脆断、掉块等缺陷，因此，工程应用上常常采用一定强度的钢背作为粉末冶金层的加强元件，通过烧结的方法粘接成一体形成双层结构，以达到确保摩擦磨损性能的同时提高机械强度的目的，因此粉末冶金层与钢背的结合方式会直接影响粉末冶金层的使用性能。
随着粉末冶金烧结材料生产技术的发展完善，粉末冶金摩擦材料层与钢背的连接方式由最初的简单机械式连接，发展到采用强度较低的易熔金属(锡焊或银焊)作为粘结材料形成过渡层进行连接，以及现在行业中普遍采用的将一定比例的金属铜粉及铁粉混合作为粘结材料形成过渡层的连接方式，都未能完全解决粉末冶金铁基摩擦材料层与钢背的连接质量问题。比如采用成分为铜粉50～80％、铁粉20-50％的混合粉作为粘结材料，并与粉末冶金铁基摩擦材料层一起压制形成过渡层，将过渡层面再与镀铜或镀镍钢背组装，通过加压烧结的方法使之与钢背相粘结，但因粉末冶金铁基摩擦材料配方及烧结工艺参数的不同，粉末层与钢背会出现不连接或连接质量不稳定以及钢背渗碳变脆等问题。
专利CN104259466A发明的是一种铜基粉末冶金复合材料与钢的连接方法，主要通过在压坯表面涂抹粘结剂，在钢背的连接面铺撒铜基金属混合粉，然后经加压烧结，实现铜基粉末冶金层与钢背的连接。专利CN103438132A发明的是一种铜基粉末冶金复合材料与钢背的连接方法，主要特征为在过渡层喷涂混合金属粉与有机容剂，常温下喷涂，起到提高两者结合性的作用。两者均为铜基粉末冶金复合材料与钢背的结合方法，一种为铺撒铜基混合粉经加压烧结进行连接，另一种为常温下喷涂金属粉与有机溶剂实现连接，这两种方法目前尚不能实现铁基摩擦材料与钢背的高强度连接。
发明内容
为克服现有技术中存在的不能实现铁基粉末冶金材料与钢背的高强度连接的不足，本发明提出了一种粉末冶金铁基摩擦材料层与钢背的粘接方法及粘接材料。
本发明提出的粘接粉末冶金铁基摩擦材料层与钢背的具体过程是：
步骤1、原材料处理：所述的原材料处理包括：
a.还原：将铁粉、铜粉在氢气气氛保护下进行还原。所述铁粉的还原温度为600～700℃，铜粉的还原温度为350～450℃。还原中的保温时间均为2～3小时。
b.球磨：将还原合格的铁粉、铜粉分别放入球磨机中进行球磨；铁粉球磨时间0.5～1小时,铜粉球磨时间0.5～1小时。
c.过筛：将球磨后的铁粉、铜粉分别用200目筛网进行过筛，取筛下物。将采购的碳化硅分别用40目和80目筛网进行过筛，取中间物。
d.烘干：将过筛后的碳化硅放入烘箱内，在120～150℃保温下2.5～3.0小时，以除去粉末中的水分。
步骤2、配料、混料：
按比例称量上述经过处理的电解铜粉、还原铁粉、锡粉和碳化硅粉；所述电解铜粉的质量百分比为55～75％，还原铁粉的质量百分比为15～35％，锡粉的质量百分比为1～10％，碳化硅粉的质量百分比为2～6％。
将称量的铁粉、铜粉和锡粉和碳化硅粉放入料盒，加入混合油并搅拌均匀后，装入混料机混合4～8h，得到粘结材料的混合料。混料机转速为40～45转/分钟。
混料时间为4～8小时，得到粘结材料的混合料。
所述的混合油是由1：1的机油和汽油混合而成，每公斤预混合料加入10ml所述的混合油。
步骤3，压制：
称量所需的粘结材料的混合料。根据单件产品中粘结材料的质量＝粘结材料密度×产品体积的公式，计算并称量产品所需的粘结材料的混合料。
称量所需的粉末冶金铁基摩擦材料混合料。根据单件产品中粉末冶金铁基摩擦材料混合料混合料重量＝摩擦材料密度×产品体积的公式，计算并称量产品所需的粉末冶金铁基摩擦材料的混合料。所述的产品是指摩擦材料与钢背烧结后的组合体。所述铁基粉末冶金铁基摩擦材料由87％的铁粉、6％的石墨粉、2％的钼粉、3％的铅粉和2％的锰粉组成；所述的比例为质量比。所述的铁粉、钼粉和铅粉均为-200目，所述的石墨粉为-100目，所述的锰粉为-300目。
压制时，将称量的粘结材料的混合料倒入模具中，并用刮平器刮平。将称量的粉末冶金铁基摩擦材料混合料置于模具中的粘结材料上并用刮平器刮平。
在液压机上冷压成型。冷压中，产品压坯承受的单位面积压强为400～600MPa，压制后得到摩擦材料与粘结材料为一体的压坯，粘结材料厚度为0.05～0.15mm。
步骤4、烧结：
将得到的压坯与镀铜钢背或镀镍钢背组装。组装时，将压坯的粘结材料表面与钢背表面接触组装。将组装好的压坯与钢背组成的组合件装入加压烧结炉中烧结。烧结温度为1020±20℃，烧结压力为18～25kg/cm2。烧结时，通氢气条件下保温3～3.5小时后，冷却出炉。
本发明提出的用于粘接权利要求1所述粉末冶金铁基摩擦材料层与钢背的粘接材料，由55～75％的电解铜粉、15～35％的还原铁粉、1～6％的锡粉和2～10％的碳化硅组成；所述的百分比均为质量百分比。
所述铜粉为FTD1，Cu≥99.8％；所述铁粉为FHY200，Fe≥98％；所述锡粉为-200目，Sn≥99.5％；所述碳化硅为-40～+80目绿色碳化硅，SiC≥98％。
本发明采用铺撒混合粉来实现铜基粉末冶金材料与钢背连接、及常温下喷涂金属粉与有机溶剂实现连接。
本发取得的有益效果为：
1、本发明提出的粘接材料配方中加入锡，使其在烧结过程中形成液相，并在粘接材料内部及与钢背接触部位扩散形成合金体，起到粘接作用，增强了粘接的有效性。
2、本发明在粉末冶金铁基摩擦材料与钢背之间加入0.05～0.15mm厚的粘结材料，经过烧结，使粉末冶金铁基摩擦材料与钢背具有良好结合性能和防止钢背变脆裂纹(如图1所示)的工艺方法。
3、本发明能够牢固的与粉末冶金铁基摩擦材料及钢背粘结(如图2所示)，且自身剪切强度大于粉末冶金铁基摩擦材料本身强度，可靠性高(如表1所示)。
表1本发明粘接材料、铁基粉末冶摩擦材料及本发明粘接材料与钢背粘接面剪切强度对比
4、本发明通过在粘接材料中加入碳化硅，烧结后形成固体夹杂，起到固溶强化作用，能有效提高粘接材料剪切强度(如表2所示)。
表2本发明粘接材料与不加入碳化硅的粘结材料剪切强度对比
5、本发明的粘接材料采用粉末冶金方法配料、混料、并与粉末冶金铁基摩擦材料一起压制成型，有利于烧结过程中元素的相互扩散，促进粘接的形成。
6、本发明中加入55～75％的铜粉，在保证粘接材料层厚度达到0.05～0.15mm时，能够有效降低摩擦材料中碳向钢背扩散，防止钢背渗碳变脆。
7、本发明与专利CN104259466A、CN103438132A比较，给出了某粉末冶金铁基摩擦材料的烧结温度，以及在该温度下通过在粉末冶金铁基摩擦材料层与镀镍钢背中间增加粘结材料形过渡层。采用加压烧结的方法，在将粉末冶金铁基摩擦材料层与镀镍钢背中间形成液相烧结，达到粉末冶金铁基摩擦材料层与过渡层、过渡层与镀铜钢背冶金扩散粘接成一体的目的，实现了粉末冶金层与钢背的高强度连接，防止了高温烧结时粉末冶金铁基摩擦材料层与镀镍钢背连接过程中出现钢背渗碳脆断问题，且在低温下烧结时连接牢固可靠，达到铁基粉末层与钢背之间的粘结面剪切强度为大于铁基粉末摩擦材料剪切强度的优异性能。
8、本发明与专利CN104259466A、CN103438132A比较，过渡层采用铜粉60-70％、铁粉30-40％、锡粉1～10％的混合金属粉为基体，添加了强化基体组元碳化硅粉，并提出了完整的原材料还原、球磨、过筛、配料、混料、压制、烧结整个生产过程中的工艺方案及参数。
附图说明
图1是加入本发明粘结材料和未加入本发明粘结材料的钢背塑性检查情况，试验按HB5434.10-2004中4.1执行；其中：
图1a是加入本发明粘结材料的钢背塑性检查结果，钢背良好。
图1b是未加入本发明粘结材料的钢背塑性性检查结果，钢背出现裂纹现象。
图1c是加入本发明粘结材料的样件截面组织形貌图。图中分界处为镀层，镀层上侧为钢背，下侧为本发明粘结材料层，最下面是粉末冶金铁基摩擦材料；图中白色为铁素体，黑色为珠光体；钢背珠光体含量约占35％-40％。
图1d是未加入本发明粘结材料的样件截面组织形貌图。图中分界处为镀层，镀层上侧为钢背，下侧为粉末冶金铁基摩擦材料；图中白色为铁素体，黑色为珠光体。钢背珠光体含量约占80％-90％。
图2是加入本发明粘结材料和未加入本发明粘结材料的钢背与粉末冶金铁基摩擦材料粘接情况，试验按HB5434.10-2004中4.2执行；其中：
图2e是加入本发明粘结材料的钢背与粉末冶金铁基摩擦材料结合性良好。
图2f是未加入本发明粘结材料的钢背与粉末冶金铁基摩擦材料结合面出现较大的光洁脱层现象。
图3是本发明的流程图。
图中：
1.钢背层；2.摩擦材料层；3.钢背镀铜层；4.钢背裂纹；5.粘结材料层；6.摩擦材料层与钢背未粘结。
具体实施方式
本发明是一种用于粘接粉末冶金铁基摩擦材料层与钢背的粘接材料。
本发明通过8个实施例具体描述本发明的实施过程。
本发明提出的粘接粉末冶金铁基摩擦材料层与钢背的具体过程是：
步骤1、原材料处理：
(1)还原：将铁粉、铜粉在氢气气氛保护下进行还原，以消除金属粉末中的氧含量及加工硬化现象。所述铁粉的还原温度为600～700℃，铜粉的还原温度为350～450℃。还原中的保温时间均为2～3小时。
(2)球磨：将还原合格的铁粉、铜粉分别放入球磨机中进行球磨；铁粉球磨时间0.5～1小时,铜粉球磨时间0.5～1小时。
(3)过筛：将球磨后的铁粉、铜粉分别用200目筛网进行过筛，取筛下物。将采购的碳化硅分别用40目和80目筛网进行过筛，取中间物。
(4)烘干：将过筛后的碳化硅放入烘箱内，在120～150℃保温下2.5～3.0小时，以除去粉末中的水分。
步骤2、配料、混料：
按比例称量上述经过处理的电解铜粉、还原铁粉、锡粉和碳化硅粉；所述电解铜粉的质量百分比为55～75％，还原铁粉的质量百分比为15～35％，锡粉的质量百分比为1～10％，碳化硅粉的质量百分比为2～6％。
将称量的铁粉、铜粉和锡粉和碳化硅粉放入料盒，加入混合油并搅拌均匀后，装入混料机混合4～8h，得到粘结材料的混合料。混料机转速为40～45转/分钟。
所述的混合油是由1：1的机油和汽油混合而成，每公斤预混合料加入10ml所述的混合油。
混料时间为4～8小时，得到粘结材料的混合料。
步骤3，压制：
称量所需的粘结材料的混合料。根据单件产品中粘结材料的质量＝粘结材料密度×产品体积的公式，计算并称量产品所需的粘结材料的混合料。
称量所需的粉末冶金铁基摩擦材料混合料。根据单件产品中粉末冶金铁基摩擦材料混合料混合料重量＝摩擦材料密度×产品体积的公式，计算并称量产品所需的粉末冶金铁基摩擦材料的混合料。所述铁基粉末冶金铁基摩擦材料由87％的铁粉、6％的石墨粉、2％的钼粉、3％的铅粉和2％的锰粉组成；所述的比例为质量比。所述的铁粉、钼粉和铅粉均为-200目，所述的石墨粉为-100目，所述的锰粉为-300目。
所述的粉末冶金铁基摩擦材料采用现有技术。
所述的产品是指摩擦材料与钢背烧结后的组合体。
压制时，将称量的粘结材料的混合料倒入模具中，并用刮平器刮平。将称量的粉末冶金铁基摩擦材料混合料置于模具中的粘结材料上并用刮平器刮平。
采用常规方法在液压机上冷压成型。冷压中，产品压坯承受的单位面积压强为400～600MPa，压制后得到摩擦材料与粘结材料为一体的压坯；粘结材料的厚度为0.05～0.15mm。
步骤4、烧结
将得到的压坯与镀铜钢背或镀镍钢背组装。组装时，将压坯的粘结材料表面与钢背表面接触组装。将组装好的压坯与钢背组成的组合件装入加压烧结炉中烧结。烧结温度为1020±20℃，烧结压力为18～25kg/cm2。烧结时，通氢气条件下保温3～3.5小时后，冷却出炉。
本发明提出的8个实施例的具体过程相同，不同之处在于各实施例中的工艺参数。表1给出了各实施例的工艺参数。
表1
结果验证：
通过采用上述实施例中粘结材料连接粉末冶金层与钢背形成的制品上切取规格为15mm×15mm×10mm的试样，置于专用夹具内，在万能压力试验机进行粘结强度试验和剪切强度试验。具体试验包括摩擦体剪切强度试验和粘结面剪切强度试验，具体方法是，将本发明试样置于夹具内并固定好，使剪切方向与试样高度方向垂直，启动试验设备，加载时不得有冲击，平均加载速率为1±0.1mm，加载至摩擦体材料破裂、钢背与摩擦体脱离为止，记录试验数据，试验结果如下表：
本发明中各实施例所使用的粘结材料是由55～75％的电解铜粉、15～35％的还原铁粉、1～6％的锡粉和2～10％的碳化硅组成；所述的百分比均为质量百分比。所述铜粉为FTD1，Cu≥99.8％,执行标准GB/T5246-2007。所述铁粉为FHY200，Fe≥98％,执行标准GB/T4136-94。所述锡粉为-200目，Sn≥99.5％，执行标准Q/CHC.03-2008。所述碳化硅为-40～+80目绿色碳化硅，SiC≥98％，执行标准GB/T2480-96。
表3是各实施例的组分表。
表3
| 实施例 | 还原铁粉 | 电解铜粉 | 碳化硅 | 锡粉 |
| 1 | 15％ | 75％ | 5％ | 5％ |
| 2 | 18％ | 74％ | 4％ | 4％ |
| 3 | 20％ | 73％ | 4％ | 3％ |
| 4 | 24％ | 71％ | 3％ | 2％ |
| 5 | 25％ | 70％ | 2％ | 3％ |
| 6 | 26％ | 69％ | 2％ | 3％ |
| 7 | 35％ | 59％ | 5％ | 1％ |
| 8 | 29％ | 55％ | 10％ | 6％ |
Claims (6)
1.一种粉末冶金铁基摩擦材料层与钢背的粘接方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1、原材料处理：
步骤2、配料、混料：
按比例称量上述经过处理的电解铜粉、还原铁粉、锡粉和碳化硅粉；所述电解铜粉的质量百分比为55～75％，还原铁粉的质量百分比为15～35％，锡粉的质量百分比为1～10％，碳化硅粉的质量百分比为2～6％；
将称量的铁粉、铜粉和锡粉和碳化硅粉放入料盒，加入混合油并搅拌均匀后，装入混料机混合4～8h，得到粘结材料的混合料；混料机转速为40～45转/分钟；
混料时间为4～8小时，得到粘结材料的混合料；
步骤3，压制：
称量所需的粘结材料的混合料；根据单件产品中粘结材料的质量＝粘结材料密度×产品体积的公式，计算并称量产品所需的粘结材料的混合料；
称量所需的粉末冶金铁基摩擦材料混合料；根据单件产品中粉末冶金铁基摩擦材料混合料混合料重量＝摩擦材料密度×产品体积的公式，计算并称量产品所需的粉末冶金铁基摩擦材料的混合料；所述的产品是指摩擦材料与钢背烧结后的组合体；
压制时，将称量的粘结材料的混合料倒入模具中，并用刮平器刮平；将称量的粉末冶金铁基摩擦材料混合料置于模具中的粘结材料上并用刮平器刮平；
在液压机上冷压成型；冷压中，产品压坯承受的单位面积压强为400～600MPa，压制后得到摩擦材料与粘结材料为一体的压坯，粘结材料厚度为0.05～0.15mm；
步骤4、烧结：
将得到的压坯与镀铜钢背或镀镍钢背组装；组装时，将压坯的粘结材料表面与钢背表面接触组装；将组装好的压坯与钢背组成的组合件装入加压烧结炉中烧结；烧结温度为1020±20℃，烧结压力为18～25kg/cm2；烧结时，通氢气条件下保温3～3.5小时后，冷却出炉。
2.如权利要求1所述粉末冶金铁基摩擦材料层与钢背的粘接方法，其特征在于，所述铁基粉末冶金铁基摩擦材料由87％的铁粉、6％的石墨粉、2％的钼粉、3％的铅粉和2％的锰粉组成；所述的比例为质量比；所述的铁粉、钼粉和铅粉均为-200目，所述的石墨粉为-100目，所述的锰粉为-300目。
3.如权利要求1所述粉末冶金铁基摩擦材料层与钢背的粘接方法，其特征在于，步骤1所述的原材料处理包括：
a.还原：将铁粉、铜粉在氢气气氛保护下进行还原；所述铁粉的还原温度为600～700℃，铜粉的还原温度为350～450℃；还原中的保温时间均为2～3小时；
b.球磨：将还原合格的铁粉、铜粉分别放入球磨机中进行球磨；铁粉球磨时间0.5～1小时,铜粉球磨时间0.5～1小时；
c.过筛：将球磨后的铁粉、铜粉分别用200目筛网进行过筛，取筛下物；将采购的碳化硅分别用40目和80目筛网进行过筛，取中间物；
d.烘干：将过筛后的碳化硅放入烘箱内，在120～150℃保温下2.5～3.0小时，以除去粉末中的水分。
4.如权利要求1所述粉末冶金铁基摩擦材料层与钢背的粘接方法，其特征在于，步骤2中所述的混合油是由1：1的机油和汽油混合而成，每公斤预混合料加入10ml所述的混合油。
5.一种用于粘接权利要求1所述粉末冶金铁基摩擦材料层与钢背的粘接材料，其特征在于，由55～75％的电解铜粉、15～35％的还原铁粉、1～6％的锡粉和2～10％的碳化硅组成；所述的百分比均为质量百分比。
6.如权利要求5所述用于粘接权利要求1所述粉末冶金铁基摩擦材料层与钢背的粘接材料，其特征在于，所述铜粉为FTD1，Cu≥99.8％；所述铁粉为FHY200，Fe≥98％；所述锡粉为-200目，Sn≥99.5％；所述碳化硅为-40～+80目绿色碳化硅，SiC≥98％。
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