CN109023170A - 一种粉末冶金摩擦材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种粉末冶金摩擦材料的制备方法，属于材料加工技术领域。本发明是由铜和铁为基体组元、铬和铬铁粉为摩擦组元、石墨与二氧化硅为润滑组元，用三种纤维材料混杂增强而组成；三种纤维材料优势互补，能够提高摩擦材料的耐高温和耐磨能力；在烧结过程中，随着温度逐渐升高，玻璃纤维逐渐变为熔融状，与陶瓷纤维网和硼纤维网黏连，三种纤维材料混杂在摩擦材料中构成三维网状结构，能够分散减少摩擦材料所受到的冲击力，提高摩擦材料的机械性能，使得摩擦系数更稳定；由于陶瓷纤维具有比热小的特点，减少了制动时摩擦材料温度的上升速度，避免了由于温度急速升高而导致的体积变化，进一步提高了摩擦材料的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种粉末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
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。另外还有铝基、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：针对现今开发出来的粉末冶金摩擦材料摩擦系数不够稳定的问题，提供了一种粉末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）取铜粉、铁粉、铬粉、铬铁粉、石墨、二氧化硅和机油在混料设备中充分混合，得到混合料；
（2）将混合料冷压成型，得到坯块，重复制备得到三块胚块；
（3）取玻璃纤维，交织铺叠为玻璃纤维网；取陶瓷纤维，交织铺叠为陶瓷纤维网；取硼纤维，交织铺叠为硼纤维网；
（4）将三种纤维网铺叠在胚块中得到胚块层；
（5）将坯块层与钢芯层或者背板叠加在一起，在氮气气氛下进行加压烧结，得到烧结坯块；
（6）将烧结坯块进行研磨加工，得到粉末冶金摩擦材料。
步骤（1）所述铜粉、铁粉、铬粉、铬铁粉、石墨、二氧化硅和机油的质量比为80：20：4：5：15：2：20。
步骤（2）所述压力为400～600MPa。
步骤（3）所述玻璃纤维、陶瓷纤维、硼纤维的质量比为2：3：1。
步骤（4）所述铺叠方式为取第一块胚块，并将玻璃纤维网、陶瓷纤维网、硼纤维网依次铺叠在胚块上，然后将第二块胚块置于网面上，再将玻璃纤维网、陶瓷纤维网、硼纤维网依次铺叠在胚块上，盖上第三块胚块，得到胚块层。
步骤（5）所述烧结压力为1.5～2MPa，升温速率为20℃/min，烧结温度为900～1000℃。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明是由铜和铁为基体组元、铬和铬铁粉为摩擦组元、石墨与二氧化硅为润滑组元，用三种纤维材料混杂增强而组成；
（2）玻璃纤维抗拉强度高，耐热性好；陶瓷纤维重量轻、耐高温、热稳定性好且具有热容小的特点；硼纤维耐热性好、弹性模量高而且机械组合性能好；三种纤维材料优势互补，能够提高摩擦材料的耐高温和耐磨能力；在烧结过程中，随着温度逐渐升高，玻璃纤维逐渐变为熔融状，与陶瓷纤维网和硼纤维网黏连，三种纤维材料混杂在摩擦材料中构成三维网状结构，能够分散减少摩擦材料所受到的冲击力，提高摩擦材料的机械性能，使得摩擦系数更稳定；由于陶瓷纤维具有比热小的特点，减少了制动时摩擦材料温度的上升速度，避免了由于温度急速升高而导致的体积变化，进一步提高了摩擦材料的稳定性；
（3）本发明所制备的粉末冶金摩擦材料具有良好的耐高温和耐摩擦性能，摩擦系数高而稳定，能够保证装置工作时的可靠性和平稳性。
具体实施方式
取80～160g铜粉、20～40g铁粉、4～8g铬粉、5～10g铬铁粉、15～30g石墨、2～4g二氧化硅和20～40g机油在混料设备中充分混合，得到混合料；将混合料在400～600MPa压力下冷压成型，得到坯块，重复制备得到三块胚块；取10～20g玻璃纤维交织铺叠为玻璃纤维网、15～30g陶瓷纤维交织铺叠为陶瓷纤维网、5～10g硼纤维交织铺叠为硼纤维网；取第一块胚块，并将玻璃纤维网、陶瓷纤维网、硼纤维网依次铺叠在胚块上，然后将第二块胚块置于网面上，再将玻璃纤维网、陶瓷纤维网、硼纤维网依次铺叠在胚块上，盖上第三块胚块，得到胚块层；将坯块层与钢芯层或者背板叠加在一起，设置烧结压力为1.5～2MPa，烧结温度为900～1000℃，在氮气气氛下进行加压烧结，得到烧结坯块；将烧结坯块进行研磨加工，得到粉末冶金摩擦材料。
实例1
取80g铜粉、20g铁粉、4g铬粉、5g铬铁粉、15g石墨、2g二氧化硅和20g机油在混料设备中充分混合，得到混合料；将混合料在400MPa压力下冷压成型，得到坯块，重复制备得到三块胚块；取10g玻璃纤维交织铺叠为玻璃纤维网、15g陶瓷纤维交织铺叠为陶瓷纤维网、5g硼纤维交织铺叠为硼纤维网；取第一块胚块，并将玻璃纤维网、陶瓷纤维网、硼纤维网依次铺叠在胚块上，然后将第二块胚块置于网面上，再将玻璃纤维网、陶瓷纤维网、硼纤维网依次铺叠在胚块上，盖上第三块胚块，得到胚块层；将坯块层与钢芯层或者背板叠加在一起，设置烧结压力为1.5MPa，烧结温度为900℃，在氮气气氛下进行加压烧结，得到烧结坯块；将烧结坯块进行研磨加工，得到粉末冶金摩擦材料。
实例2
取120g铜粉、30g铁粉、6g铬粉、8g铬铁粉、25g石墨、3g二氧化硅和30g机油在混料设备中充分混合，得到混合料；将混合料在500MPa压力下冷压成型，得到坯块，重复制备得到三块胚块；取15g玻璃纤维交织铺叠为玻璃纤维网、25g陶瓷纤维交织铺叠为陶瓷纤维网、8g硼纤维交织铺叠为硼纤维网；取第一块胚块，并将玻璃纤维网、陶瓷纤维网、硼纤维网依次铺叠在胚块上，然后将第二块胚块置于网面上，再将玻璃纤维网、陶瓷纤维网、硼纤维网依次铺叠在胚块上，盖上第三块胚块，得到胚块层；将坯块层与钢芯层或者背板叠加在一起，设置烧结压力为1.8MPa，烧结温度为950℃，在氮气气氛下进行加压烧结，得到烧结坯块；将烧结坯块进行研磨加工，得到粉末冶金摩擦材料。
实例3
取160g铜粉、40g铁粉、8g铬粉、10g铬铁粉、30g石墨、4g二氧化硅和40g机油在混料设备中充分混合，得到混合料；将混合料在600MPa压力下冷压成型，得到坯块，重复制备得到三块胚块；取20g玻璃纤维交织铺叠为玻璃纤维网、30g陶瓷纤维交织铺叠为陶瓷纤维网、10g硼纤维交织铺叠为硼纤维网；取第一块胚块，并将玻璃纤维网、陶瓷纤维网、硼纤维网依次铺叠在胚块上，然后将第二块胚块置于网面上，再将玻璃纤维网、陶瓷纤维网、硼纤维网依次铺叠在胚块上，盖上第三块胚块，得到胚块层；将坯块层与钢芯层或者背板叠加在一起，设置烧结压力为2MPa，烧结温度为1000℃，在氮气气氛下进行加压烧结，得到烧结坯块；将烧结坯块进行研磨加工，得到粉末冶金摩擦材料。
对照例：广州某材料有限公司生产的粉末冶金摩擦材料。
将实例及对照例的粉末冶金摩擦材料进行检测，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性能表征对比表
| 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，本发明制备的粉末冶金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 (6)
1.一种粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，具体制作步骤为：
（1）取铜粉、铁粉、铬粉、铬铁粉、石墨、二氧化硅和机油在混料设备中充分混合，得到混合料；
（2）将混合料冷压成型，得到坯块，重复制备得到三块胚块；
（3）取玻璃纤维，交织铺叠为玻璃纤维网；取陶瓷纤维，交织铺叠为陶瓷纤维网；取硼纤维，交织铺叠为硼纤维网；
（4）将三种纤维网铺叠在胚块中得到胚块层；
（5）将坯块层与钢芯层或者背板叠加在一起，在氮气气氛下进行加压烧结，得到烧结坯块；
（6）将烧结坯块进行研磨加工，得到粉末冶金摩擦材料。
2.如权利要求1所述的一种粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述铜粉、铁粉、铬粉、铬铁粉、石墨、二氧化硅和机油的质量比为80：20：4：5：15：2：20。
3.如权利要求1所述的一种粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述压力为400～600MPa。
4.如权利要求1所述的一种粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述玻璃纤维、陶瓷纤维、硼纤维的质量比为2：3：1。
5.如权利要求1所述的一种粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述铺叠方式为取第一块胚块，并将玻璃纤维网、陶瓷纤维网、硼纤维网依次铺叠在胚块上，然后将第二块胚块置于网面上，再将玻璃纤维网、陶瓷纤维网、硼纤维网依次铺叠在胚块上，盖上第三块胚块，得到胚块层。
6.如权利要求1所述的一种粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述烧结压力为1.5～2MPa，升温速率为20℃/min，烧结温度为900～1000℃。
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