CN107214339A - 一种芯板具有整体硬度和高花键精度的铜基摩擦片制作方法 - Google Patents

一种芯板具有整体硬度和高花键精度的铜基摩擦片制作方法 Download PDF

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Abstract

一种芯板具有整体硬度和高花键精度的铜基摩擦片制作方法，所述的铜基摩擦片制作方法包括如下步骤：a）摩擦层配料；b）混料并压型：上述配方在V形混料机中混料，压制成摩擦片的所需坯料；c）在不加工花键的情况下与芯板烧结，使芯板与摩擦片的坯料合金化粘接牢固；d）表面磨加工：对完成烧结的摩擦片毛坯摩擦层表面进行磨加工；e）摩擦片整体强化处理：在井式热处理炉中对摩擦片毛坯加热至840～860℃，进行脱碳保护；f）摩擦片叠装回火处理：将处理好摩擦片置于钟罩式加压炉中，进行装炉回火处理，芯板硬度控制在HRC30‑38；g）带摩擦层芯板花键加工和机加工油槽；h）摩擦片齿部喷丸处理；i）摩擦层表面精磨，制成成品。

Description

一种芯板具有整体硬度和高花键精度的铜基摩擦片制作方法
技术领域
本发明涉及的是一种芯板具有整体硬度和高花键精度的铜基摩擦片制作方法，用于高负荷重载车辆传动箱摩擦片的制造，属于铜基摩擦片制造技术领域。
背景技术
摩擦片是各种机械设备中重要的零件之一，它们利用摩擦力进行工作，摩擦片要可靠地工作，必须具有足够高且稳定的摩擦系数，耐磨性、耐热性、和传递扭矩的能力。在许多重负荷非公路车辆传动变速箱中，要求摩擦材料具有高热负荷，采用铜基高碳配方湿式铜基摩擦片作为传动的部件，由于负荷大，使用工况条件恶劣，摩擦片芯板花键承受冲击力大，常出现摩擦片芯板撕裂情况，为了解决这类问题，一般通过增加摩擦片芯板厚度解决，但这又不利于传动箱小型化和轻量化。
目前高碳铜基摩擦片采用压烧工艺，工艺流程为芯板加工(包括花键)---摩擦层配料混料---压制坯料---加压烧结---后续平面、油槽加工。压烧工艺使摩擦层与钢芯板结合强度增加，但由于高碳铜基摩擦片的烧结工序是在750℃～830℃高温下进行，生产出的摩擦片芯板是处于退火状态，导致芯板材料强度较低，承受高负荷和疲劳冲击能力差，而且，传统摩擦片制造工艺是烧结前芯板加工好花键，产品经高温热加工，产生椭圆变形，造成芯板花键精度大幅下降，以至于摩擦片工作时与配对毂的啮合程度变差，且受力不均，在高负荷下极易造成摩擦片芯板的断裂。
在中国专利ZL200710157157.5中公开了一种制造方法，该方法虽然能解决铜基摩擦片的芯板强度和加工精度问题，但其采用了YSML树脂胶浸渍和摩擦层与钢芯板采用树脂粘接，存在耐高温性差等问题，不适合在高负荷工况中使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种芯板材料的强度高、芯板花键精度高，抗疲劳断裂能力强，摩擦片的摩擦磨损性能及热负荷性能好，完全能满足重负荷工况摩擦片轻量化要求的芯板具有整体硬度和高花键精度的铜基摩擦片制作方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成，一种芯板具有整体硬度和高花键精度的铜基摩擦片制作方法，所述的铜基摩擦片制作方法包括如下步骤：
a）摩擦层配料：其配方组成为55-70％的Cu，2-7％的Sn，0-4％的Pb，4-8％的Zn，15-20％的C，2-6％的石英粉，上述组份的配料以重量百分之一百为准；
b）混料并压型：上述配方在V形混料机中混料，压制成摩擦片的所需坯料，密度控制在4.6-4.8g/cm3；
c）在不加工花键的情况下与芯板烧结：将摩擦片的坯料加工到所需尺寸，将其与芯板固定好置于钟罩炉中加压烧结，使芯板与摩擦片的坯料合金化粘接牢固，得到所需摩擦片毛坯；
d）表面磨加工：对完成烧结的摩擦片毛坯摩擦层表面进行磨加工，控制好摩擦片的等厚度尺寸在0.05mm以内；
e）摩擦片整体强化处理：在井式热处理炉中对摩擦片毛坯加热至840～860℃，进行脱碳保护；保温40-60分钟，将产品取出后置于循环冷却淬火油中，将该摩擦片芯板硬度控制在HRC47-52，或将摩擦片单片平放在热处理棍棒炉中，加热温度860～870℃，通过控制25～30分钟时间，甲烷气氛保护，摩擦片从棍棒炉出来后快速将产品垂直放入真空淬火油中冷却，淬火硬度控制在HRC46～51；
f）摩擦片叠装回火处理：将处理好摩擦片置于钟罩式加压炉中，进行装炉回火处理；
g）带摩擦层芯板花键加工和机加工油槽：首先将完成整体热处理的摩擦片进行内、外圆加工和二平面加工，对摩擦片芯板进行花键齿加工；其次，在加工完花键后再机加工油槽；
h）摩擦片齿部喷丸处理：提高齿根部压应力至600MPa 以上，对摩擦片的粉层进行保护，旋转摩擦片，对摩擦片芯板齿部用合金钢丸进行强力喷丸处理，合金丸径粒径0.012～0.02mm，喷丸压缩空气压力5～7kg/cm2，时间4-8min，覆盖率达100%；
i）摩擦层表面精磨，制成成品。
作为优选：所述的步骤f）：考虑插齿加工，将摩擦片毛坯芯板硬度控制在HRC30-38；
所述的步骤 g）：齿形加工时采用叠装，并需在加工花键部位用金属垫片进行填充，压紧，为了控制花建加工尺寸精度较好，控制产品装夹数量10片以下。
本发明具有如下技术效果：
一是传统铜基粉末冶金摩擦片要经过750-820℃烧结实现摩擦层与钢芯板的合金结合,烧结后摩擦片芯板是退火态，硬度低，强度差；本发明所述工艺生产的铜基摩擦片芯板具有整体硬度HRC30--38，芯板抗拉强度提高45.7%，屈服强度提高133.2%，芯板强度提高；并保持铜基摩擦片摩擦层和芯板冶金结合优点。
二是传统工艺芯板经过750-820℃烧结，芯板花键尺寸精度大幅降低；本发明采用热加工工序后进行摩擦片花键尺寸加工，花键精度可达机加工水平，可克服传统工艺精度较差的缺点。
三是对摩擦片齿部进行强力喷丸处理，提升芯板齿根部压应力达600MPa以上，大幅提高了摩擦片芯板抗疲劳开裂能力，而常规工艺铜基摩擦片芯板齿根部压应力小于50MPa。
四是采用本发明工艺生产的摩擦片，大幅提升了铜基摩擦片芯板抗疲劳断裂的能力，在摩擦片动态强度试验中，比传统方法生产的摩擦片其抗疲劳断裂时间提高6倍以上，摩擦性能与常规工艺生产保持不变，且性能优良。
因此采用该方法制造的湿式铜基粉末冶金摩擦片芯板具有整体硬度、齿形花键精度高、抗疲劳断裂能力强的优点。
附图说明
图1是本发明所述一种铜基摩擦片的结构示意图。
图2是本发明所述铜基摩擦片在井式热处理炉装料示意图。
图3是本发明所述铜基摩擦片在钟罩炉回火平整处理装炉示意图。
图4是本发明所述铜基摩擦片喷丸摩擦层保护和处理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作详细的介绍：本发明所述的一种芯板具有整体硬度和高花键精度的铜基摩擦片制作方法，所述的铜基摩擦片制作方法包括如下步骤：
a）摩擦层配料：其配方组成为55-70％的Cu，2-7％的Sn，0-4％的Pb，4-8％的Zn，15-20％的C，2-6％的石英粉，上述组份的配料以重量百分之一百为准；
b）混料并压型：上述配方在V形混料机中混料，压制成摩擦片的所需坯料，密度控制在4.6-4.8g/cm3；
c）在不加工花键的情况下与芯板烧结：将摩擦片的坯料加工到所需尺寸，将其与芯板固定好置于钟罩炉中加压烧结，使芯板与摩擦片的坯料合金化粘接牢固，得到所需摩擦片毛坯；
d）表面磨加工：对完成烧结的摩擦片毛坯摩擦层表面进行磨加工，控制好摩擦片的等厚度尺寸在0.05mm以内；
e）摩擦片整体强化处理：在井式热处理炉中对摩擦片毛坯加热至840～860℃，进行脱碳保护；保温40-60分钟，将产品取出后置于循环冷却淬火油中，将该摩擦片芯板硬度控制在HRC47-52，或将摩擦片单片平放在热处理棍棒炉中，加热温度860～870℃，通过控制25～30分钟时间，甲烷气氛保护，摩擦片从棍棒炉出来后快速将产品垂直放入真空淬火油中冷却，淬火硬度控制在HRC46～51；
f）摩擦片叠装回火处理：将处理好摩擦片置于钟罩式加压炉中，进行装炉回火处理，考虑插齿加工，将摩擦片毛坯芯板硬度控制在HRC30-38；
g）带摩擦层芯板花键加工和机加工油槽：首先将完成整体热处理的摩擦片进行内、外圆加工和二平面加工，对摩擦片芯板进行花键齿加工，齿形加工时采用叠装，并需在加工花键部位用金属垫片进行填充，压紧，为了控制花建加工尺寸精度较好，控制产品装夹数量10片以下；其次，在加工完花键后再机加工油槽；
h）摩擦片齿部喷丸处理：提高齿根部压应力至600MPa 以上，对摩擦片的粉层进行保护，旋转摩擦片，对摩擦片芯板齿部用合金钢丸进行强力喷丸处理，合金丸径粒径0.012～0.02mm，喷丸压缩空气压力5～7kg/cm2，时间4-8min，覆盖率达100%；
i）摩擦层表面精磨，制成成品，见图1所示。
实施例：
一种铜基摩擦片由钢芯板和二面摩擦层经高温烧结而成一体，材料配方按常规铜基摩擦材料混料方法、压制摩擦层坯料进行，摩擦层与钢芯板在钟罩炉中通过750-820℃高温合金化实现连接，本发明与现有工艺不同是：
1.摩擦片芯板在烧制摩擦层时不加工花键；
2.对完成烧结的摩擦片进行整体热处理，由于整体热处理温度较高，摩擦材料层配方采用耐温较好的高碳配方铜基摩擦材料配方，使摩擦材料成份在后续整体热处理中不会因低融点成份析出，造成性能偏差，其配方组成为Cu 55-70％，Sn 2-7％，Pb 0-4％，Zn 4-8％C 15-20％，石英粉2-6％，上述组份的配料以重量的百分比；
其整体热处理过程为：
a)对完成烧结的摩擦片毛坯摩擦层表面进行磨加工，控制好摩擦片的等厚度尺寸在0.05mm以内.
b) 采用如图2装炉方式,在井式热处理炉中对该摩擦片坯料进行加热至840～860℃，进行脱碳保护。保温40分钟至60分钟，将产品取出置循环冷却淬火油中，将该摩擦片芯板硬度控制在HRC47-52。或将摩擦片单片平放在热处理棍棒炉中，加热温度860～870℃，通过时间控制25～30分钟，甲烷气氛保护，摩擦片从棍棒炉出来后快速将产品垂直放入真空淬火油中冷却，淬火硬度控制在HRC46～51。
c)将处理好摩擦片置于钟罩式加压炉中，如图3形式进行装炉回火处理，考虑插齿加工，将摩擦片毛坯芯板硬度控制在HRC30-38，并将摩擦片的平面度控制在图纸要求范围。
3.带摩擦层摩擦片花键齿形加工，将完成整体热处理的摩擦片进行内、外圆加工和二平面加工，对摩擦片芯板进行花键齿加工，齿形加工时采用叠装，并需在加工花键部位用金属垫片进行填充，压紧，为了控制花建加工尺寸精度较好，控制产品装夹数量10片以下。
4.摩擦片齿部喷丸处理，提高齿根部压应力至600MPa 以上，对摩擦片的粉层采用如图4结构进行保护，旋转摩擦片，对摩擦片芯板齿部用合金钢丸进行强力喷丸处理，合金丸径粒径0.012～0.02mm，喷丸压缩空气压力5～７Ｋｇ/ｃｍ２，时间４～8ｍｉｎ，覆盖率达100%。
实施例一：
按Cu 63％，Sn 6％，Pb 2％，Zn 6％，C 18％，石英粉5％，铜基摩擦材料高碳配方在V形混料机中混料，压制成摩擦片所需坯料，密度控制在4.6～4.8g/cm3，将摩擦片芯板加工到所需尺寸（不带花键），芯板材料选用３０ＣｒＭｎＳｉＡ，并镀镍镀铜，将摩擦层坯料与芯板固定好置钟罩炉中加压烧结，使芯板与摩擦层合金化粘接牢固，得到所需摩擦片毛坯，将摩擦片毛坯表面进行机加工，控制好摩擦片等厚度在0.05mm以内。将摩擦片叠装（如图2），在井式炉进行整体热处理，加热温度850～860℃，保温时间40分钟，甲烷气氛保护，保温结束调出产品进入油池进行冷却淬硬，淬火硬度控制在HRC47～52，将淬硬产品叠装在钟罩炉中进行回火平整处理，温度540±５℃，保温3小时，硬度控制在HRC32～38，摩擦片平面度控制在0.2mm 以内。加工好内外圆尺寸和平面尺寸，在插齿机上叠装，在插齿部位间隙用钢条垫实压紧进行插齿，渐开线花键M值变动小于0.2mm；对花键齿齿根部进行喷丸处理，采用专用工装进行摩擦层保护，进行喷丸处理（如图4），处理工艺为：合金丸径0.012mm，喷丸压缩空气压力６～７Ｋｇ/ｃｍ２，时间４ｍｉｎ，覆盖率达100%。按此工艺生产铜基摩擦片，摩擦片芯板抗拉强度达１００５～1017ＭＰａ，屈服强度达９１１～１０４４ＭＰａ；齿根部残余应力-６０２～-６３６ＭＰａ。摩擦片的动态强度寿命按Q/AT 201.071—2007 摩擦片动态强度试验方法进行考核，达６小时１５分钟至６小时３０分。摩擦材料性能为：动摩擦系数０.０６５—０.０７０，静摩擦系数０.１３９—０.１４２，能量负荷许用值为３５０００。
实施例二：
按Cu 69％，Sn 4％，Zn 7％，C 16％，石英粉4％，铜基摩擦材料高碳配方在V形混料机中混料，压制成摩擦片所需坯料，密度控制在4.7～4.9g/cm3，将摩擦片芯板加工到所需尺寸，芯板材料选用３０ＣｒＭｎＳｉＡ，并镀镍镀铜，将摩擦层坯料与芯板固定好置钟罩炉中加压烧结，使芯板与摩擦层合金化粘接牢固，得到所需摩擦片毛坯，将摩擦片毛坯表面进行机加工，控制好摩擦片等厚度在0.05mm以内。将摩擦片平放在热处理棍棒炉，进行整体热处理，加热温度860～870℃，通过时间25分钟，甲烷气氛保护，摩擦片从棍棒炉出来后快速将产品垂直放入真空淬火油中冷却，淬火硬度控制在HRC４６～５０，将淬硬产品叠装在钟罩炉中进行回火平整处理，温度545±5℃，保温3小时，硬度控制在HRC30～35，摩擦片平面度控制在0.2mm 以内。加工好内外圆尺寸和平面尺寸，在插齿机上叠装，在插齿部位间隙用钢条垫实压紧进行插齿，渐开线花键M值变动小于0.2mm；对花键齿齿根部进行喷丸处理，采用专用工装进行摩擦层保护，进行喷丸处理（如图4），处理工艺为：合金丸径0.012mm，喷丸压缩空气压力5～6Ｋｇ/ｃｍ２，时间8ｍｉｎ，覆盖率达100%。按此工艺生产铜基摩擦片，摩擦片芯板抗拉强度达１０１４～1053ＭＰａ，屈服强度达９２０～９４２ＭＰａ；齿根部残余应力-５９０～-６１５ＭＰａ。摩擦片的动态强度寿命按Q/AT 201.071—2007 摩擦片动态强度试验方法进行考核，达５小时４０分钟至６小时１０分。摩擦材料性能为：动摩擦系数0.069—0.074，静摩擦系数0.129—0.133，能量负荷许用值达38000。

Claims (2)

1.一种芯板具有整体硬度和高花键精度的铜基摩擦片制作方法，其特征在于所述的铜基摩擦片制作方法包括如下步骤：
a）摩擦层配料：其配方组成为55-70％的Cu，2-7％的Sn，0-4％的Pb，4-8％的Zn，15-20％的C，2-6％的石英粉，上述组份的配料以重量百分之一百为准；
b）混料并压型：上述配方在V形混料机中混料，压制成摩擦片的所需坯料，密度控制在4.6-4.8g/cm3；
c）在不加工花键的情况下与芯板烧结：将摩擦片的坯料加工到所需尺寸，将其与芯板固定好置于钟罩炉中加压烧结，使芯板与摩擦片的坯料合金化粘接牢固，得到所需摩擦片毛坯；
d）表面磨加工：对完成烧结的摩擦片毛坯摩擦层表面进行磨加工，控制好摩擦片的等厚度尺寸在0.05mm以内；
e）摩擦片整体强化处理：在井式热处理炉中对摩擦片毛坯加热至840～860℃，进行脱碳保护；保温40-60分钟，将产品取出后置于循环冷却淬火油中，将该摩擦片芯板硬度控制在HRC47-52，或将摩擦片单片平放在热处理棍棒炉中，加热温度860～870℃，通过控制25～30分钟时间，甲烷气氛保护，摩擦片从棍棒炉出来后快速将产品垂直放入真空淬火油中冷却，淬火硬度控制在HRC46～51；
f）摩擦片叠装回火处理：将处理好摩擦片置于钟罩式加压炉中，进行装炉回火处理；
g）带摩擦层芯板花键加工和机加工油槽：首先将完成整体热处理的摩擦片进行内、外圆加工和二平面加工，对摩擦片芯板进行花键齿加工；其次，在加工完花键后再机加工油槽；
h）摩擦片齿部喷丸处理：提高齿根部压应力至600MPa 以上，对摩擦片的粉层进行保护，旋转摩擦片，对摩擦片芯板齿部用合金钢丸进行强力喷丸处理，合金丸径粒径0.012～0.02mm，喷丸压缩空气压力5～7kg/cm2，时间4-8min，覆盖率达100%；
i）摩擦层表面精磨，制成成品。
2.根据权利要求1所述的芯板具有整体硬度和高花键精度的铜基摩擦片制作方法，其特征在于：
所述的步骤f）：考虑插齿加工，将摩擦片毛坯芯板硬度控制在HRC30-38；
所述的步骤 g）：齿形加工时采用叠装，并需在加工花键部位用金属垫片进行填充，压紧，为了控制花建加工尺寸精度较好，控制产品装夹数量10片以下。
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