CN107760919B - 一种耐高温铜基冶金摩擦材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐高温铜基冶金摩擦材料的制备方法，属于材料加工技术领域。本发明称量铜粉、镍粉、锡粉、钼粉、钛粉、氧化铝、氧化硅和二硫化钼置于球磨罐中，球磨过筛，得基体粉末，将基体粉末置于模具中，压制，脱模得坯料并置于马弗炉，保温煅烧后，静置冷却至室温，得煅烧材料；将煅烧材料粉碎并球磨，过筛得球磨粉末，称量钨酸钠水溶液、球磨粉末、碳纳米管和乙二醇置于烧杯中，超声分散，得分散液并按质量比，将盐酸滴加至分散液中，滴加完成后，再油浴加热，晶化处理并过滤，得滤饼并真空干燥，收集干燥滤饼并置于管式气氛炉中，保温煅烧，即可制备得一种耐高温铜基冶金摩擦材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐高温铜基冶金摩擦材料的制备方法，属于材料加工技术领域。
背景技术
高速铁路是我国领先于世界发达国家的先进集成技术之一，目前投入运营的里程已达到10000公里，正在建设中的高速铁路1万多公里;预计到2021年中国高铁总里稅将超过3力公里，居世界第一，是世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家刹车片是决定列车行驶速度、紧急制动能力，确保运行安全的关键制动部件。为确保高速列车的运行安全，要求刹车片具有：(1)高的摩擦系数稳定性。在高的温度、压力和速度情况下，需要闸片的摩擦系数足够高，并且有足够的稳定性。在试验台测得的摩擦系数的瞬时值和平均值应在各相应公差带的范围内。制动磨合时，闸片摩擦系数的变化不得超过磨合完成后同样条件下所得数值的±15%。在其他条件不变时，在最大接触压力、潮湿情况下得到的平均摩擦系数相对于干燥条件下的变化不能超过±15%。(2)高的抗粘结性。不与摩擦副工作表面发生粘结，不产生摩擦表面的剥落、擦伤、挥结及其他毁坏性的破坏。(3)高的耐热性。要能保持瞬时摩擦升温到900~1000℃和长时间摩擦升温到300~400℃时，其机械性能和摩擦性能基本保持不变。(4)高的热物理稳定性。摩擦材料应当能承受频繁的热变化，即能抗热疲劳，同时还应具有相当高的导热系数、比热值和尽可能小的线性膨胀系数。(5)足够的机械强度。材料不应产生破裂、分层、深裂纹、剥落和与钢背剥离的情况;保证可行的磨损速率。(6)高的耐磨性。耐磨性主要取决于闸片的工况条件。对于粉末冶金材料闸片，UIC允许的磨耗量是0.35cm3/MJ，以保证动车组闸片有足够长的寿命。(7)高的环境友好性。制动时应平稳、噪音低。在材料中不能加入不利于环保的石棉、铅等有害物质。在制动过程中和制动后，材料及其磨损产物不应燃烧、冒烟和散发出不好的气味。应能长期在潮湿环境下和温度范围在﹣60℃~﹢50℃下具有较强的抗腐烛性。因此，高速列车刹车片的制备是一项难度很高的关键技术。
目前我国时速200公里以上的高速列车刹车片基本依赖进口，时速250公里以上高速列车刹车片全部依赖进口。依赖进口产品不仅成本高昂、订货周期长，而且受制于人，必须尽快研制出具有自主知识产权的高性能刹车片替代进口产品，填补市场急需。
新型的粉末冶金摩擦材料重点关注材料的导热性和强度。发展了铁基和铜基两大主要摩擦材料，为充分利用二者性能优势又发展了铁铜基摩擦材料。另外还有滤基、镍基、钼基、铍基等摩擦材料，这些材料不常用，一般用于条件比较特殊的场合。粉末冶金摩擦材料在性能质量上具有突出的优点，在组分的设计，产品的多样化上也极具灵活性，由于它可以任意改变材料的组分，可避免传统制造工艺产生的疏松、缩孔、偏析及品粒粗大等冶金缺陷。且粉末冶金闸片的使用温度较高，制动时表面温度可达500℃以上，仍保持有较小的磨损率并具有优良的摩擦特性，且具有低的弹性模量和高的能量吸收率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对摩擦材料需适应更高的工作温度问题，提供了一种耐高温铜基冶金摩擦材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
（1）按重量份数计，分别称量70～80份铜粉、6～8份镍粉、10～15份锡粉、3～5份钼粉、2～3份钛粉、2～3份氧化铝、3～5份氧化硅和1～2份二硫化钼球磨过筛，得基体粉末；
（2）将基体粉末置于模具中，压制成型并脱模得坯料，将坯料置于马弗炉，在200～300℃下预烧结后再升温处理，保温煅烧，静置冷却至室温，得煅烧材料；
（3）将煅烧材料粉碎并球磨，过筛得球磨粉末，按重量份数计，分别称量45～50份质量分数1％钨酸钠水溶液、10～15份球磨粉末、6～8份碳纳米管和10～12份乙二醇搅拌混合并超声分散，得分散液并按质量比1：5，将质量分数5％盐酸滴加至分散液中，待滴加完成后，油浴加热晶化处理并过滤，得滤饼；
（4）将滤饼干燥得干燥滤饼并置于管式气氛炉中，通氧气排除空气，再按8℃/min升温至550～600℃，保温煅烧，即可制备得一种耐高温铜基冶金摩擦材料。
步骤（2）所述的压制成型为在3～5MPa下压制3～5min后，再按0.5MPa/min加压至200MPa，保压压制3～5min。
步骤（2）所述的升温处理为按8℃/min升温至950～1000℃。
步骤（3）所述的质量分数5％盐酸滴加时间为25～30min。
步骤（4）所述的氧气通入速率为80mL/min。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
本发明通过钨酸钠为改性主体，经水溶液沉淀至材料表面后，通过材料表面晶化处理，使氧化物晶体沉积至材料表面，由于钨酸颗粒直接沉积在碳纳米管管壁上，形成H2WO4-碳纳米管复合物，经高温煅烧，生成了氧化钨颗粒.由于采用均匀分散的碳纳米管管束作为载体，使钨酸沉淀在整个溶液中由于碳纳米管管束的阻隔，不致于生长过快，从而控制了钨酸颗粒的生长速率，大幅度减少了颗粒间结合力，经氧气气氛煅烧后，得到的超细氧化钨粉末颗粒度较小，使其有效包裹材料表面，由于氧化钨材料具有优异的耐高温性能，使其形成耐高温薄膜层，有效耐高温侵蚀，提高摩擦材料耐高温性能。
具体实施方式
按重量份数计，分别称量70～80份铜粉、6～8份镍粉、10～15份锡粉、3～5份钼粉、2～3份钛粉、2～3份氧化铝、3～5份氧化硅和1～2份二硫化钼置于球磨罐中，在200～300r/min下球磨3～5h，过200目筛，得基体粉末，将基体粉末置于模具中，在3～5MPa下压制3～5min后，再按0.5MPa/min加压至200MPa，保压压制3～5min，待压制完成后，脱模得坯料并置于马弗炉，在200～300℃下预烧结1～2h后，再按8℃/min升温至950～1000℃，保温煅烧3～5h后，静置冷却至室温，得煅烧材料；将煅烧材料粉碎并球磨，过200目筛得球磨粉末，按重量份数计，分别称量45～50份质量分数1％钨酸钠水溶液、10～15份球磨粉末、6～8份碳纳米管和10～12份乙二醇置于烧杯中，在200～300W下超声分散10～15min，得分散液并按质量比1：5，将质量分数5％盐酸滴加至分散液中，控制滴加时间为25～30min，待滴加完成后，再在100～120℃下油浴加热3～5h，晶化处理并过滤，得滤饼并真空干燥，收集干燥滤饼并置于管式气氛炉中，通氧气排除空气，控制氧气通入速率为80mL/min，再按8℃/min升温至550～600℃，保温煅烧2～3h，即可制备得一种耐高温铜基冶金摩擦材料。
实例1
按重量份数计，分别称量70份铜粉、6份镍粉、10份锡粉、3份钼粉、2份钛粉、2份氧化铝、3份氧化硅和1份二硫化钼置于球磨罐中，在200r/min下球磨3h，过200目筛，得基体粉末，将基体粉末置于模具中，在3MPa下压制3min后，再按0.5MPa/min加压至200MPa，保压压制3min，待压制完成后，脱模得坯料并置于马弗炉，在200℃下预烧结1h后，再按8℃/min升温至950℃，保温煅烧3h后，静置冷却至室温，得煅烧材料；将煅烧材料粉碎并球磨，过200目筛得球磨粉末，按重量份数计，分别称量45份质量分数1％钨酸钠水溶液、10份球磨粉末、6份碳纳米管和10份乙二醇置于烧杯中，在200W下超声分散10min，得分散液并按质量比1：5，将质量分数5％盐酸滴加至分散液中，控制滴加时间为25min，待滴加完成后，再在100℃下油浴加热3h，晶化处理并过滤，得滤饼并真空干燥，收集干燥滤饼并置于管式气氛炉中，通氧气排除空气，控制氧气通入速率为80mL/min，再按8℃/min升温至550℃，保温煅烧2h，即可制备得一种耐高温铜基冶金摩擦材料。
实例2
按重量份数计，分别称量75份铜粉、7份镍粉、12份锡粉、4份钼粉、2份钛粉、2份氧化铝、4份氧化硅和1份二硫化钼置于球磨罐中，在250r/min下球磨4h，过200目筛，得基体粉末，将基体粉末置于模具中，在4MPa下压制4min后，再按0.5MPa/min加压至200MPa，保压压制4min，待压制完成后，脱模得坯料并置于马弗炉，在250℃下预烧结1h后，再按8℃/min升温至980℃，保温煅烧4h后，静置冷却至室温，得煅烧材料；将煅烧材料粉碎并球磨，过200目筛得球磨粉末，按重量份数计，分别称量47份质量分数1％钨酸钠水溶液、12份球磨粉末、7份碳纳米管和11份乙二醇置于烧杯中，在250W下超声分散12min，得分散液并按质量比1：5，将质量分数5％盐酸滴加至分散液中，控制滴加时间为28min，待滴加完成后，再在110℃下油浴加热4h，晶化处理并过滤，得滤饼并真空干燥，收集干燥滤饼并置于管式气氛炉中，通氧气排除空气，控制氧气通入速率为80mL/min，再按8℃/min升温至580℃，保温煅烧2h，即可制备得一种耐高温铜基冶金摩擦材料。
实例3
按重量份数计，分别称量80份铜粉、8份镍粉、15份锡粉、5份钼粉、3份钛粉、3份氧化铝、5份氧化硅和2份二硫化钼置于球磨罐中，在300r/min下球磨5h，过200目筛，得基体粉末，将基体粉末置于模具中，在5MPa下压制5min后，再按0.5MPa/min加压至200MPa，保压压制5min，待压制完成后，脱模得坯料并置于马弗炉，在300℃下预烧结2h后，再按8℃/min升温至1000℃，保温煅烧5h后，静置冷却至室温，得煅烧材料；将煅烧材料粉碎并球磨，过200目筛得球磨粉末，按重量份数计，分别称量50份质量分数1％钨酸钠水溶液、15份球磨粉末、8份碳纳米管和12份乙二醇置于烧杯中，在300W下超声分散15min，得分散液并按质量比1：5，将质量分数5％盐酸滴加至分散液中，控制滴加时间为30min，待滴加完成后，再在120℃下油浴加热5h，晶化处理并过滤，得滤饼并真空干燥，收集干燥滤饼并置于管式气氛炉中，通氧气排除空气，控制氧气通入速率为80mL/min，再按8℃/min升温至600℃，保温煅烧3h，即可制备得一种耐高温铜基冶金摩擦材料。
对照例：广州某材料有限公司生产的摩擦材料。
将实例及对照例的摩擦材料进行检测，具体检测如下：
对样品的孔隙率、抗压强度和室温热导率进行测试。
具体检测结果如表1。
表1
| 检测项目 | 实例1 | 实例2 | 实例3 | 对照例 |
| 孔隙率(%) | 9.32 | 9.5 | 10.5 | 8.5 |
| 抗压强度（MPa） | 107 | 104.64 | 105 | 97 |
| 400℃热导率（W/m℃） | 13.89 | 13.1 | 13.9 | 12.55 |
由表1可知，本发明制备的摩擦材料具有良好的力学性能和较高的热导率，在高温条件下能够更快速的散热，使摩擦界面的温度保持在相对较低的程度，对维持摩擦稳定性有重要帮助。
Claims (5)
1.一种耐高温铜基冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）按重量份数计，分别称量70～80份铜粉、6～8份镍粉、10～15份锡粉、3～5份钼粉、2～3份钛粉、2～3份氧化铝、3～5份氧化硅和1～2份二硫化钼球磨过筛，得基体粉末；
（2）将基体粉末置于模具中，压制成型并脱模得坯料，将坯料置于马弗炉，在200～300℃下预烧结后再升温处理，保温煅烧，静置冷却至室温，得煅烧材料；
（3）将煅烧材料粉碎并球磨，过筛得球磨粉末，按重量份数计，分别称量45～50份质量分数1％钨酸钠水溶液、10～15份球磨粉末、6～8份碳纳米管和10～12份乙二醇搅拌混合并超声分散，得分散液并按质量比1:5，将质量分数5％盐酸滴加至分散液中，待滴加完成后，油浴加热晶化处理并过滤，得滤饼；
（4）将滤饼干燥得干燥滤饼并置于管式气氛炉中，通氧气排除空气，再按8℃/min升温至550～600℃，保温煅烧，即可制备得一种耐高温铜基冶金摩擦材料。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温铜基冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的压制成型为在3～5MPa下压制3～5min后，再按0.5MPa/min加压至200MPa，保压压制3～5min。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温铜基冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的升温处理为按8℃/min升温至950～1000℃。
4.根据权利要求1所述的一种耐高温铜基冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的质量分数5％盐酸滴加时间为25～30min。
5.根据权利要求1所述的一种耐高温铜基冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的氧气通入速率为80mL/min。
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