CN109079133A - 一种高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料，包括：所述制动摩擦片材料包括铜基冶金粉末，其组成成分及其重量百分比为：石墨：10.0～10.5％，Cr：0.6～1.0％，Fe：18.5～20.3％，Sn：4.3～5.8％，TiO2：1.5～2.5％，SiO2：1～2％，余量为Cu。本发明公开了一种高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料的制备方法，将用于制备所述的制动摩擦片的铜基冶金粉末按照比例混合后进行冷压，压强为560MPa，加压速度为170mm/min，粉体在560MPa下成型后保持3min，在分解氨保护气条件下进行烧结，烧结温度为1120℃，烧结时间为40min。

Description

一种高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及制动摩擦材料片领域，具体涉及一种高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着高速铁路的快速发展，对高速列车各项性能的要求也相应的提高，尤其是制动性能。传统的踏面制动由于对车轮踏面存在热损害的隐患，只能适用于速度低于160km/h场合，一般作为盘形制动的补充形式，起改善踏面粘着的作用。目前，高速列车国际上普遍采用的是大功率盘形制动。盘式制动具有结构简单、制动可靠、散热性好和抗热衰退性较高的优点，而且盘式制动是轴向加载，对轴无附加的弯矩，不但实用于高速列车，而且实用于飞机、重型车辆、轿车等制动装置中。制动盘一般选用高强度抗热裂的锻钢或钢铸材料，制动闸片需要同时满足以下几个方面的性能要求：①较高摩擦力及优良的耐磨性能；②足够的抗冲击强度；③导热性好；④不受气候影响、摩擦系数稳定；⑤一定的经济性；⑥便于成型和实现轻量化。
现有的制动衬块及制动盘构成的制动装置是一种相对较硬部件和较软部件的组合。因此，现有的制动装置存在抗冲击强度和耐磨性较低、制动衬块易磨损的问题。
发明内容
本发明设计开发了一种高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料，本发明通过在材料中添加铁粉同时控制铁的含量以解决现有材料中冲击强度低、耐磨性低、制动衬块易磨损的问题。
本发明设计开发了一种高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料的制备方法，本发明的发明目的是提供一种制备制动摩擦片材料的方法，以解决制备的制动摩擦片材料中冲击强度低、耐磨性低、制动衬块易磨损的问题。
本发明提供的技术方案为：
一种高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料，包括：所述制动摩擦片材料包括铜基冶金粉末，其组成成分及其重量百分比为：石墨：10.0～10.5％，Cr：0.6～1.0％，Fe：18.5～20.3％，Sn：4.3～5.8％，TiO2：1.5～2.5％，SiO2：1～2％，余量为Cu。
优选的是，锡粉的粒径≤200μm，氧化钛为微纳米级，铁粉的粒径≤100μm，铬粉的粒径≤20μm，二氧化硅的粒径≤15μm。
优选的是，所述石墨为200μm～400μm鳞片状石墨。
优选的是，包括：所述制动摩擦片材料包括铜基冶金粉末，其组成成分及其重量百分比为：石墨：10.0％，Cr：1.0％，Fe：20.3％，Sn：5.8％，TiO2：1.5％，SiO2：1％，余量为Cu。
优选的是，包括：所述制动摩擦片材料包括铜基冶金粉末，其组成成分及其重量百分比为：石墨：10.5％，Cr：0.6％，Fe：18.5％，Sn：4.3％，TiO2：2.5％，SiO2：2％，余量为Cu。
优选的是，包括：所述制动摩擦片材料包括铜基冶金粉末，其组成成分及其重量百分比为：石墨：10.0％，Cr：0.6％，Fe：20％，Sn：5％，TiO2：2％，SiO2：2％，余量为Cu。
一种高稳定摩擦系数的制动摩擦片的制备方法，将用于所述的制动摩擦片的铜基冶金粉末按照比例混合后进行冷压，压强为560MPa，加压速度为170mm/min，粉体在560MPa下成型后保持3min，在分解氨保护气条件下进行烧结，烧结温度为1120℃，烧结时间为40min；
其中，所述铜基冶金粉末的组成成分及其重量百分比为：石墨：10.0～10.5％，Cr：0.6～1.0％，Fe：18.5～20.3％，Sn：4.3～5.8％，TiO2：1.5～2.5％，SiO2：1～2％，余量为Cu。
优选的是，锡粉的粒径≤200μm，氧化钛为微纳米级，铁粉的粒径≤100μm，铬粉的粒径≤20μm，二氧化硅的粒径≤15μm。
优选的是，所述铜基冶金粉末的组成成分及其重量百分比为：石墨：10.0％，Cr：1.0％，Fe：20.3％，Sn：5.8％，TiO2：1.5％，SiO2：1％，余量为Cu。
优选的是，所述铜基冶金粉末的组成成分及其重量百分比为：石墨：10.5％，Cr：0.6％，Fe：18.5％，Sn：4.3％，TiO2：2.5％，SiO2：2％，余量为Cu。
本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：
1、摩擦系数高且稳定，产品使用寿命长；由一定量的较大石墨片及颗粒硬质点组成的多孔性结构设计可以很好地控制摩擦材料密度、气孔率、导热性等，且有利于减少制动盘损伤和降低产生制动噪音的程度；
2、通过加入非常规的颗粒粉末，获得高性能的摩擦材料；使用200～400μm的片状石墨，以减少小石墨对基体组织的割裂所造成的材料力学性能降低，影响摩擦磨损性能。锡固溶在铜中提高铜基体的强度，铁和铬增强基体强度的同时提高摩擦系数，小颗粒的SiO2和TiO2为增磨剂，可以降低材料摩擦磨损时的剥落，减少磨粒造成的二度磨损，冷压(预压)保持一定时间可以得到较大的压制密度，制备的摩擦材料组织均匀、具有较高得强度和稳定的摩擦系数，良好的摩擦磨损特性，且价格低廉。
附图说明
图1为成分为石墨10.0％，Cr1.0％，Fe20.3％，Sn5.8％，TiO21.5％、SiO21％，余量为Cu的烧结组织扫描电镜图片。
图2为成分为石墨10.5％，Cr0.6％，Fe18.5％，Sn4.3％，TiO22.5％，SiO22％，余量为Cu的烧结组织扫描电镜图片。
图3为成分为石墨10％，Cr0.6％，Fe20％，Sn5％，TiO22％，SiO22％，余量为Cu的烧结组织扫描电镜图片。
图4为成分为石墨10％，Cr0.6％，Fe18.4％，Sn5％，TiO22％，SiO21％，余量为Cu的烧结组织扫描电镜图片。
图5为成分为石墨10％，Cr0.6％，Fe20.4％，Sn5％，TiO22％，SiO21％，余量为Cu的烧结组织扫描电镜图片。
图6为成分为石墨10.5％，Cr1％，Sn5.8％，TiO22％，SiO21％，余量为Cu的烧结组织扫描电镜图片。
图7为成分为石墨10.0％，Cr1.0％，Fe20.3％，Sn5.8％，TiO21.5％，SiO21％，余量为Cu的烧结组织的摩擦磨损表面形貌扫描照片。
图8为成分为石墨10.5％，Cr0.6％，Fe18.5％，Sn4.3％，TiO22.5％，SiO22％，余量为Cu的烧结组织摩擦磨损表面形貌扫描照片。
图9为成分为石墨10％，Cr0.6％，Fe18.4％，Sn5％，TiO22％，SiO21％，余量为Cu的烧结组织摩擦磨损表面形貌扫描照片。
图10为成分为石墨10％，Cr0.6％，Fe20.4％，Sn5％，TiO22％，SiO21％，余量为Cu的烧结组织摩擦磨损表面形貌扫描照片。
图11为成分为石墨10.5％，Cr1％，Sn5.8％，TiO22％，SiO21％，余量为Cu的烧结组织摩擦磨损表面形貌扫描照片。
图12为成分为石墨10％，Cr0.6％，Fe20％，Sn5％，TiO22％，SiO22％，余量为Cu的烧结组织摩擦磨损表面形貌扫描照片。
图13为成分为石墨10.0％，Cr1.0％，Fe20.3％，Sn5.8％，TiO21.5％，SiO21％，余量为Cu的烧结组织在150N，不同磨损速度下的摩擦磨损曲线。
图14为成分为石墨10.5％，Cr0.6％，Fe18.5％，Sn4.3％，TiO22.5％，SiO22％，余量为Cu的烧结组织600r/min，不同载荷下的摩擦磨损曲线。
图15为成分为石墨10.5％，Cr0.6％，Fe18.5％，Sn4.3％，TiO22.5％，SiO22％，余量为Cu的烧结组织600r/min，不同载荷下的摩擦磨损曲线。
图16在不同含量Fe、75N载荷、600r/min磨损速度下的摩擦磨损曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供一种高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料，其包括铜基冶金粉末，其组成成分及其重量百分比为：石墨：10.0～10.5％，Cr：0.6～1.0％，Fe：18.5～20.3％，Sn：4.3～5.8％，TiO2：1.5～2.5％，SiO2：1～2％，余量为Cu。
在另一种实施例中，锡粉的粒径≤200μm，氧化钛为微纳米级，铁粉的粒径≤100μm，铬粉的粒径≤20μm，二氧化硅的粒径≤15μm，石墨为200μm～400μm鳞片状石墨。
本发明还提供一种高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料的制备方法，将铜基冶金粉末按照比例混合后进行冷压，压强为560MPa，加压速度为170mm/min，粉体在560MPa下成型后保持3min，在分解氨保护气条件下进行烧结，烧结温度为1120℃，烧结时间为40min。
实施例1
取铜粉604g、铁粉203g、锡粉58g、铬粉10g、二氧化硅10g，TiO215g，石墨100g，石墨片长为200-400μm，宽为180～200μm，厚度为25～30μm；首先按成分配比将除石墨以外的其它材料充分混合，然后再加入石墨充分均匀混合；将混合后的粉末进行冷压，压强为560MPa，成型后保持3min；在氢气氛下进行烧结，温度为1120℃，烧结时间为40min。
实施例2
取铜粉616g、铁粉185g、锡粉43g、铬粉6g、二氧化硅20g，TiO225g，石墨105g，石墨片长为200-400μm，宽为180～200μm，厚度为25～30μm；首先按成分配比将除石墨以外的其它材料充分混合，然后再加入石墨充分均匀混合；将混合后的粉末进行冷压，压强为560MPa，成型后保持3min；在氢气氛下进行烧结，温度为1120℃，烧结时间为40min。
实施例3
取铜粉609g、铁粉200g、锡粉50g、铬粉6g、二氧化硅10g，TiO220g，石墨105g，石墨片长为200-400μm，宽为180～200μm，厚度为25～30μm；首先按成分配比将除石墨以外的其它材料充分混合，然后再加入石墨充分均匀混合；将混合后的粉末进行冷压，压强为560MPa，成型后保持3min；在氢气氛下进行烧结，温度为1120℃，烧结时间为40min。
对比例1
取铜粉630g、铁粉184g、锡粉50g、铬粉6g、二氧化硅10g，TiO2 20g，石墨100g，石墨片长为200-400μm，宽为180～200μm，厚度为25～30μm；首先按成分配比将除石墨以外的其它材料充分混合，然后再加入石墨充分均匀混合；将混合后的粉末进行冷压，压强为560MPa，成型后保持3min；在氢气氛下进行烧结，温度为1120℃，烧结时间为40min。
对比例2
取铜粉610g、铁粉204g、锡粉50g、铬粉6g、二氧化硅10g，TiO220g，石墨100g，石墨片长为200-400μm，宽为180～200μm，厚度为25～30μm；首先按成分配比将除石墨以外的其它材料充分混合，然后再加入石墨充分均匀混合；将混合后的粉末进行冷压，压强为560MPa，成型后保持3min；在氢气氛下进行烧结，温度为1120℃，烧结时间为40min。
对比例3
取铜粉797g、锡粉58g、铬粉10g、二氧化硅10g，TiO2 20g，石墨105g，石墨片长为200-400μm，宽为180～200μm，厚度为25～30μm；首先按成分配比将除石墨以外的其它材料充分混合，然后再加入石墨充分均匀混合；将混合后的粉末进行冷压，压强为560MPa，成型后保持3min；在氢气氛下进行烧结，温度为1120℃，烧结时间为40min。
试验例1
如图1～3所示，图中可见烧结后的组织为铜基固溶体、石墨及硬质颗粒，灰白色基体为铜基固溶体，其上均匀分布着的深灰色铁颗粒，黑色区域为石墨。
这种结构设计的优点是：铁颗粒与铜基体紧密结合，起到强化铜基体的作用。加入的二氧化硅和纳米氧化钛硬度高，有效地提高了材料的摩擦系数，但是为减少对偶的磨损量二氧化硅和纳米氧化钛的含量及颗粒大小要控制在一定范围内。石墨在摩擦材料中起到润滑的作用，较大石墨片的润滑效果好，铁及硬质颗粒的添加使得各种制动初速度下材料的制动特性都相当平稳，而且材料的瞬时摩擦系数的变动范围非常小。
试验例2
如图1～3所示，首先按成分配比将除石墨以外的其它粉末混合10min，然后再加入石墨均匀混合10min。这种方式的好处在于，使铜与铁、锡、铬等充分混合，同时石墨片不因混合而损坏，最大限度保持原有形态。摩擦片中铁等与石墨均匀混合在一起。
试验例3
如图4～6所示，按成分配比将除石墨以外的其它粉末混合10min，然后再加入石墨均匀混合10min。可见烧结后的组织为铜基固溶体、石墨及硬质颗粒，灰白色基体为铜基固溶体，黑色区域为石墨。
试验例4
如图7、8所示，图中可见摩擦磨损试验后的表面形态，经一段时间的摩擦后，出现轻微的犁沟，石墨片未出现脱落。
试验例5
如图9～11所示，图中可见摩擦磨损试验后的表面形态，图9中出现了较大的犁沟，这是由于铁含量较少，基体硬度小，抗磨损能力弱；图10中磨损表面出现粘着颗粒，这是由于含铁量过多，因为铁含量的增加，提高了材料的强度及抗塑性流变能力，但当铁含量超过18.5％时，由于铁的活性较高，因此更容易氧化生成氧化铁，氧化铁的剥落会形成磨粒夹杂在两个摩擦面中间，造成磨粒磨损，增加磨损量；图11中磨损表面出现明显的犁沟，抗磨损性能差。
试验例6
图12所示，随着摩擦速度增大，摩擦表面出现白色的氧化物，说明此时发生了氧化磨损，但是没有出现大面积的粘着磨损，摩擦系数还保持比较高的水平。
试验例7
图13～15所示，如图曲线可见，在不同磨损速度和不同载荷下的摩擦系数均在0.45～0.6之间，而且非常稳定。
试验例8
图16所示，含有20.4％Fe的曲线摩擦系数变化较大，含有18.4％Fe的摩擦曲线摩擦开始阶段摩擦系数较高，但是，磨损一段时间后摩擦系数就降低，而且不稳定，未含Fe的曲线，摩擦系数较低而且随着磨损时间延长，下降比较明显。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料，其特征在于，包括：所述制动摩擦片材料包括铜基冶金粉末，其组成成分及其重量百分比为：石墨：10.0～10.5％，Cr：0.6～1.0％，Fe：18.5～20.3％，Sn：4.3～5.8％，TiO2：1.5～2.5％，SiO2：1～2％，余量为Cu。
2.如权利要求1所述的高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料，其特征在于，锡粉的粒径≤200μm，氧化钛为微纳米级，铁粉的粒径≤100μm，铬粉的粒径≤20μm，二氧化硅的粒径≤15μm。
3.如权利要求1所述的高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料，其特征在于，所述石墨为200μm～400μm鳞片状石墨。
4.如权利要求3所述的高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料，其特征在于，包括：所述制动摩擦片材料包括铜基冶金粉末，其组成成分及其重量百分比为：石墨：10.0％，Cr：1.0％，Fe：20.3％，Sn：5.8％，TiO2：1.5％，SiO2：1％，余量为Cu。
5.如权利要求3所述的高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料，其特征在于，包括：所述制动摩擦片材料包括铜基冶金粉末，其组成成分及其重量百分比为：石墨：10.5％，Cr：0.6％，Fe：18.5％，Sn：4.3％，TiO2：2.5％，SiO2：2％，余量为Cu。
6.如权利要求3所述的高稳定摩擦系数的制动摩擦片材料，其特征在于，包括：所述制动摩擦片材料包括铜基冶金粉末，其组成成分及其重量百分比为：石墨：10.0％，Cr：0.6％，Fe：20％，Sn：5％，TiO2：2％，SiO2：2％，余量为Cu。
7.一种高稳定摩擦系数的制动摩擦片的制备方法，其特征在于，将用于制备如权利要求1-6所述的制动摩擦片的铜基冶金粉末按照比例混合后进行冷压，压强为560MPa，加压速度为170mm/min，粉体在560MPa下成型后保持3min，在分解氨保护气条件下进行烧结，烧结温度为1120℃，烧结时间为40min；
其中，所述铜基冶金粉末的组成成分及其重量百分比为：石墨：10.0～10.5％，Cr：0.6～1.0％，Fe：18.5～20.3％，Sn：4.3～5.8％，TiO2：1.5～2.5％，SiO2：1～2％，余量为Cu。
8.如权利要求7所述的高稳定摩擦系数的制动摩擦片的制备方法，其特征在于，锡粉的粒径≤200μm，氧化钛为微纳米级，铁粉的粒径≤100μm，铬粉的粒径≤20μm，二氧化硅的粒径≤15μm。
9.如权利要求8所述的高稳定摩擦系数的制动摩擦片的制备方法，其特征在于，所述铜基冶金粉末的组成成分及其重量百分比为：石墨：10.0％，Cr：1.0％，Fe：20.3％，Sn：5.8％，TiO2：1.5％，SiO2：1％，余量为Cu。
10.如权利要求8所述的高稳定摩擦系数的制动摩擦片的制备方法，其特征在于，所述铜基冶金粉末的组成成分及其重量百分比为：石墨：10.5％，Cr：0.6％，Fe：18.5％，Sn：4.3％，TiO2：2.5％，SiO2：2％，余量为Cu。
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