CN110102754A - 一种重载车辆干式离合器用铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

一种重载车辆干式离合器用铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种重载车辆干式离合器用铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，所述摩擦材料的基体组元为铜和铁，润滑组元为石墨颗粒、鳞片石墨、二硫化钼和石油焦炭，摩擦组元为铬铁、氧化锆和二氧化硅，强化组元为锡。所述摩擦材料成分的重量百分比是：铜粉50％‑60％，铁粉1‑10％，石墨颗粒粉5‑20％，鳞片石墨1‑5％，二硫化钼粉1‑6％，石油焦炭粉1‑15％，铬铁粉3‑9％，氧化锆3‑9％，二氧化硅1‑5％，锡粉1‑4％。所述摩擦材料的制备方法是：按所述粉末冶金摩擦材料的成分配制混合料，将混合料于V型混料机中混合均匀后压形，之后连同镀铜钢背通过烧结得到铜基粉末冶金摩擦材料。所述铜基粉末冶金摩擦材料具有高而稳定的摩擦系数和优良的耐磨性。

Description

一种重载车辆干式离合器用铜基粉末冶金摩擦材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及的是一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，特别是用于重载车辆干式离合器的铜基粉末冶金摩擦材料，属于粉末冶金摩擦材料及其制备技术领域。
背景技术
重载车辆在我国的运输行业中有着极其重要的作用，承担了我国公路交通运输业的大部分运输工作以及保卫国防安全的重任。随着我国国民经济和国防建设的发展，重载车辆的优势突显出来，应用范围也越来越广。
摩擦材料是用于离合器中进行动力传递和车辆行驶过程中进行制动的关键零部件，其性能的好坏关系到车辆能否安全可靠的工作。相比于普通车辆而言，重载车辆本身的质量和单次运输量更大，对动力传递和行驶制动性能的要求也更高。铜基粉末冶金摩擦材料因具有良好的摩擦磨损性能和机械性能，可以被选择应用于重载车辆干式离合器中。但是，随着运载速度的提高，重载车辆干式离合器现用的摩擦材料逐渐出现了如摩擦稳定性下降、磨损率上升和损伤对偶盘材料等许多问题，这不仅造成了车辆维修维护成本的增加，而且带来了更多的安全事故隐患。
针对上述问题，很多单位开展了研究工作。专利文献(CN 1191283 A)公开了“铜基离合器摩擦片及其制造方法”，该方法制备的摩擦片包含了较多的具有很高硬度的Al2O3，易损伤对偶盘。专利文献(CN 106011520 A)公开了“一种离合器用干式铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法”，该方法制备的材料的静摩擦系数和平均系数不高，只能适用于拖拉机干式离合器面片，无法满足其他大型重载车辆对平稳和快速传动的需求。专利文献(CN101666364 A)、专利文献(CN 105179537 A)和专利文献(CN 1594621 A)分别公开了“一种铜基粉末冶金离合器摩擦体”、“一种重型载重汽车离合器铜基摩擦片及制作方法”和“一种铜基粉末冶金摩擦材料”，这三种摩擦片中均含有存在严重环境污染并被国际禁用的铅元素，不能被推广应用。专利文献(CN 105238351 A)公开了“传动制动用的摩擦材料及具有该摩擦材料的制品”，该摩擦片中较低的铜含量削弱了材料的散热性能，容易带来摩擦过程中摩擦材料的温度上升，造成热衰退而摩擦系数下降，不适于车辆和设备在高能条件下的传动和制动。专利文献(CN106702204 A)和专利文献(CN 107737916 A)分别公开了“铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法”和“纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法”，这两种制备方法均采用纳米颗粒增强材料的强度和耐磨性，纳米颗粒与其它组元的混合较复杂，需借助溶液法实现纳米颗粒的分散和混合，制备工艺长且质量稳定性控制不易，不适合工业规模推广。专利文献(CN104419845 A)公开了“一种高性能铜基摩擦片及其生产工艺”，该材料的铜含量较高达80wt.％以上，在高能制动下的平均摩擦系数仅为较低的0.20左右，无法满足重载车辆的要求。专利文献(CN 107299300 A)公开了“一种重负荷低磨损铜基摩擦材料及其制备方法”，该材料采用了短切碳纤维来强化材料，其生产成本高，在摩擦过程中的高温下摩擦系数较低，仅适于轻载条件下车辆。
为了解决上述问题，满足重载车辆干式离合器对摩擦材料更为苛刻的性能要求，本发明提出了一种新的技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种重载车辆干式离合器用铜基粉末冶金摩擦材料，它具有良好的摩擦稳定性和耐磨性，并且具有不损伤对偶盘的特点。
所述的一种重载车辆干式离合器用铜基粉末冶金摩擦材料，其成分重量比为：铜粉50％-60％，铁粉1-10％，石墨颗粒粉5-20％，鳞片石墨1-5％，二硫化钼粉1-6％，石油焦炭粉1-15％，铬铁粉3-9％，氧化锆3-9％，二氧化硅1-5％，锡粉1-4％。其中，铜粉和铁粉作为基体组元能形成具有一定的物理-力学性能的金属基体。石墨颗粒、鳞片石墨、石油焦炭和二硫化钼作为润滑组元来能降低磨损。铬铁、氧化锆和二氧化硅作为摩擦组元能提高摩擦系数。锡作为强化组元能起到固溶强化的作用。在摩擦制动过程中，各组元按一定比例参与摩擦，将在摩擦表面形成特定成分的摩擦膜，协调摩擦系数和磨损之间的关系。
作为优选，所述的铜基粉末冶金摩擦材料的成分重量比为：铜粉52％，铁粉9％，石墨颗粒粉12％，鳞片石墨2％，二硫化钼粉2％，石油焦炭粉6％，铬铁粉5％，氧化锆8％，二氧化硅1％，锡粉3％。
所述的一种重载车辆干式离合器用铜基粉末冶金摩擦材料的各组分规格为：电解铜粉：-200目，铁粉：-100目，石墨颗粒粉：-30～+80目，鳞片石墨粉：-70～+90目，二硫化钼：1-5μm胶体粉末，石油焦炭粉：-30～+80目，铬铁粉：-30～+150目，氧化锆：-60～+150目，二氧化硅：-100～+115目，锡粉：-250目。采用所述粒度范围的铜粉和铁粉，流动性好，在成形烧结的过程中，相互填补彼此空隙的效果好，不仅与其它组元颗粒之间形成最佳配比，增加各组元之间的接触面积，还能形成连续性良好的金属基体，保障材料的力学性能。粗粒度的碳材料能提高润滑组元与对偶的接触面积，降低磨损。细粒度二硫化钼能填补更细小的空隙，进一步提高材料的润滑性能。采用所述粒度范围的铬铁粉、氧化锆和二氧化硅能避免因尺寸过小而无法被基体夹持以及因尺寸过大而加大磨损等问题。采用所述粒度范围的的锡粉能起到较好的固溶强化作用。采用所述规格的组分，各组元能均匀分布，起到良好的机械啮合作用，从而提高各组元之间的匹配性。
所述的一种重载车辆干式离合器用铜基粉末冶金摩擦材料，其制备工艺具体如下：
(1)按所述成分配制混合料，将混合料于V型混料机混合4-8h；
(2)在300-500MPa单位压力下压制得到压坯；
(3)将压坯放置在镀铜钢背上，在钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为850-950℃，保温时间为1-3h，烧结单位压力为1.0-4.0MPa，烧结气氛为分解氨或纯氢气；
(4)保温结束后，先随炉冷却至700℃以下，再移去加热炉体，空冷至550℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。
作为优选，所述制备工艺为：按所述成分配制混合料，将混合料于V型混料机混合6h，在480MPa压力下压制得到压坯，将压坯放置在镀铜钢背上，在钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为900℃，保温时间为3h，烧结压力为2.0MPa，烧结气氛为氨分解。保温结束后，先随炉冷却至700℃以下，再移去加热炉体，空冷至550℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。
原理和优点
本发明原理：铜基摩擦材料是一种由基体组元、摩擦组元和润滑组元构成的复合材料，其性能不仅受到各组元的化学成分、晶体结构、粒度和形状的影响，还和温度、压力等制备工艺参数，以及与之摩擦配副材料的化学成分和硬度状态密切相关，且各影响因素之间还存在一定的复杂关联性。本发明通过对这些影响因素进行优化组合，充分发挥各组元之间的协同效果，来改善铜基摩擦材料的应用性能。
本发明遵循上述原理，重点优化多种碳材料(石墨颗粒、石油焦炭和鳞片石墨)的成分和粒度，辅以合适配比的金属和陶瓷摩擦组元铬铁粉、氧化锆粉、二氧化硅粉，通过粉末冶金方法制得材料。所制备的材料具有如下优点：具有高而稳定的摩擦系数、高的静摩擦系数和优良的耐磨性，可满足多种重载车辆干式离合器对摩擦材料性能的要求。
本发明实施例1-3制得的铜基粉末冶金摩擦材料的密度在4.45g/cm3以上；硬度在25-50HBW之间；粘结面剪切强度为15MPa以上；摩擦体剪切强度12MPa以上。
本发明提供的铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法步骤简单，获得的材料尺寸稳定，并具有良好的摩擦稳定性和耐磨性，且具有不损伤对偶盘的优点。
附图说明
图1为本发明制备的重载车辆干式离合器用铜基粉末冶金摩擦材料产品图；
图2为本发明制备的摩擦材料的组织结构金相图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明做详细的介绍：所述的一种铜基粉末冶金摩擦材料，其成分重量比为：铜粉50％-60％，铁粉1-10％，石墨颗粒粉5-20％，鳞片石墨1-5％，二硫化钼粉1-6％，石油焦炭粉1-15％，铬铁粉3-9％，氧化锆3-9％，二氧化硅1-5％，锡粉1-4％。
作为优选，所述的铜基粉末冶金摩擦材料的成分重量比为：铜粉52％，铁粉9％，石墨颗粒粉12％，鳞片石墨2％，二硫化钼粉2％，石油焦炭粉6％，铬铁粉5％，氧化锆8％，二氧化硅1％，锡粉3％。
所述的一种铜基粉末冶金摩擦材料的各组分规格为：电解铜粉：-200目，铁粉：-100目，石墨颗粒粉：-30～+80目，鳞片石墨粉：-70～+90目，二硫化钼：1-5μm胶体粉末，石油焦炭粉：-30～+80目，铬铁粉：-30～+150目，氧化锆：-60～+150目，二氧化硅：-100～+115目，锡粉：-250目。
所述的一种铜基粉末冶金摩擦材料的各组分纯度为：电解铜粉：≥99.5％，铁粉：≥99.0％，石墨颗粒粉：≥96％，鳞片石墨粉：≥98％，二硫化钼：≥99％，石油焦炭粉：≥96％：，铬铁粉：铬含量在65％～70％，氧化锆：≥99％，二氧化硅：≥96％，锡粉：≥99.5％。
所述的一种铜基粉末冶金摩擦材料，其制备工艺具体如下：
(1)按所述成分配制混合料，将混合料于V型混料机混合4-8h；
(2)在300-500MPa单位压力下压制得到压坯；
(3)将压坯放置在镀铜钢背上，在钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为850-950℃，保温时间为1-3h，烧结单位压力为1.0-4.0MPa，烧结气氛为分解氨或纯氢气；
(4)保温结束后，先随炉冷却至700℃以下，再移去加热炉体，空冷至550℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。
作为优选，所述制备工艺为：按所述成分配制混合料，将混合料于V型混料机混合6h，在480MPa压力下压制得到压坯，将压坯放置在镀铜钢背上，在钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为900℃，保温时间为3h，烧结压力为2.0MPa，烧结气氛为氨分解。保温结束后，先随炉冷却至700℃以下，再移去加热炉体，空冷至550℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。
实施例1：
按照成分重量比配制混合料：包括铜粉55％，铁粉6％，石墨颗粒粉17％，鳞片石墨2％，二硫化钼粉2％，石油焦炭粉1％，铬铁粉6％，氧化锆6％，二氧化硅3％，锡粉2％。将混合料于V型混料机混合4h，在400MPa压力下压制得到压坯，将压坯放置在镀铜钢背上，在钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为900℃，保温时间为2h，烧结压力为3.0MPa，烧结气氛为氨分解。保温结束后，先随炉冷却至700℃以下，再移去加热炉体，空冷至550℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。摩擦材料的物理力学性能如下表1。
表1物理力学性能
以灰铸铁HT180作为对偶盘件，在MM-3000型试验机上进行制动试验，每组条件进行20次试验，取最后5次试验的平均值。铜基摩擦材料试样的尺寸为：外径75mm，内径53mm，厚度15mm。试验条件：制动比压0.6MPa，转动惯量：0.35kg·m2，试样面积22.1cm2，速度2000r/min、3000r/min、4000r/min、5000r/min和6500r/min。试验结果如表2所示。
表2材料的摩擦磨损性能
实施例2：
按照成分重量比配制混合料：包括铜粉52％，铁粉9％，石墨颗粒粉12％，鳞片石墨2％，二硫化钼粉2％，石油焦炭粉6％，铬铁粉5％，氧化锆8％，二氧化硅1％，锡粉3％。将混合料于V型混料机混合6h，在480MPa压力下压制得到压坯，将压坯放置在镀铜钢背上，在钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为900℃，保温时间为3h，烧结压力为2.0MPa，烧结气氛为氨分解。保温结束后，先随炉冷却至700℃以下，再移去加热炉体，空冷至550℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。摩擦材料的物理力学性能如下表3。
表3材料的物理力学性能
以灰铸铁HT180作为对偶盘件，在MM-3000型试验机上进行制动试验，每组条件进行20次试验，取最后5次试验的平均值。铜基摩擦材料试样的尺寸为：外径75mm，内径53mm，厚度15mm。试验条件：制动比压0.6MPa，转动惯量：0.35kg·m2，试样面积22.1cm2，速度2000r/min、3000r/min、4000r/min、5000r/min和6500r/min。试验结果如表4所示。
表4材料的摩擦磨损性能
实施例3：
按照成分重量比配制混合料：包括铜粉60％，铁粉6％，石墨颗粒粉6％，鳞片石墨3％，二硫化钼粉1％，石油焦炭粉12％，铬铁粉4％，氧化锆4％，二氧化硅3％，锡粉1％。将混合料于V型混料机混合8h，在400MPa压力下压制得到压坯，将压坯放置在镀铜钢背上，在钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为920℃，保温时间为2h，烧结压力为4.0MPa，烧结气氛为纯氢气。保温结束后，先随炉冷却至700℃以下，再移去加热炉体，空冷至550℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。摩擦材料的物理力学性能如下表5。
表5材料的物理力学性能
以灰铸铁HT180作为对偶盘件，在MM-3000型试验机上进行制动试验，每组条件进行20次试验，取最后5次试验的平均值。铜基摩擦材料试样的尺寸为：外径75mm，内径53mm，厚度15mm。试验条件：制动比压0.6MPa，转动惯量：0.35kg·m2，试样面积22.1cm2，速度2000r/min、3000r/min、4000r/min、5000r/min和6500r/min。试验结果如表6所示。
表6材料的摩擦磨损性能
对比例1：
按照成分重量比配制混合料：包括铜粉53％，铁粉8％，石墨颗粒粉3％，鳞片石墨10％，二硫化钼粉2％，石油焦炭粉4％，铬铁粉7％，氧化锆7％，二氧化硅4％，锡粉2％。将混合料于V型混料机混合4h，在400MPa压力下压制得到压坯，将压坯放置在镀铜钢背上，在钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为900℃，保温时间为2h，烧结压力为3.0MPa，烧结气氛为氨分解。保温结束后，先随炉冷却至700℃以下，再移去加热炉体，空冷至550℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。摩擦材料的物理力学性能如下表7。
表7物理力学性能
以灰铸铁HT180作为对偶盘件，在MM-3000型试验机上进行制动试验，每组条件进行20次试验，取最后5次试验的平均值。铜基摩擦材料试样的尺寸为：外径75mm，内径53mm，厚度15mm。试验条件：制动比压0.6MPa，转动惯量：0.35kg·m2，试样面积22.1cm2，速度2000r/min、3000r/min、4000r/min、5000r/min和6500r/min。试验结果如表8所示。
表8材料的摩擦磨损性能
对比例2：
按照成分重量比配制混合料：包括铜粉59％，铁粉7％，石墨颗粒粉7％，鳞片石墨4％，二硫化钼粉2％，石油焦炭粉10％，铬铁粉1％，氧化锆2％，二氧化硅6％，锡粉2％。将混合料于V型混料机混合8h，在400MPa压力下压制得到压坯，将压坯放置在镀铜钢背上，在钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为920℃，保温时间为2h，烧结压力为4.0MPa，烧结气氛为纯氢气。保温结束后，先随炉冷却至700℃以下，再移去加热炉体，空冷至550℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。摩擦材料的物理力学性能如下表9。
表9材料的物理力学性能
以灰铸铁HT180作为对偶盘件，在MM-3000型试验机上进行制动试验，每组条件进行20次试验，取最后5次试验的平均值。铜基摩擦材料试样的尺寸为：外径75mm，内径53mm，厚度15mm。试验条件：制动比压0.6MPa，转动惯量：0.35kg·m2，试样面积22.1cm2，速度2000r/min、3000r/min、4000r/min、5000r/min和6500r/min。试验结果如表10所示。
表10材料的摩擦磨损性能
对比例3：
按照成分重量比配制混合料：包括铜粉52％，铁粉5％，石墨颗粒粉25％，鳞片石墨1％，二硫化钼粉2％，铬铁粉10％，氧化锆1％，二氧化硅2％，锡粉2％。将混合料于V型混料机混合6h，在480MPa压力下压制得到压坯，将压坯放置在镀铜钢背上，在钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为900℃，保温时间为3h，烧结压力为2.0MPa，烧结气氛为氨分解。保温结束后，先随炉冷却至700℃以下，再移去加热炉体，空冷至550℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。摩擦材料的物理力学性能如下表11。
表11材料的物理力学性能
以灰铸铁HT180作为对偶盘件，在MM-3000型试验机上进行制动试验，每组条件进行20次试验，取最后5次试验的平均值。铜基摩擦材料试样的尺寸为：外径75mm，内径53mm，厚度15mm。试验条件：制动比压0.6MPa，转动惯量：0.35kg·m2，试样面积22.1cm2，速度2000r/min、3000r/min、4000r/min、5000r/min和6500r/min。试验结果如表12所示。
表12材料的摩擦磨损性能
以上几种实施例仅表达了本发明的几种实施方式，不能理解为本发明专利限制范围。在不脱离本发明构思前提下，所做出的变形与改进，都属于本发明的保护范围。本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种重载车辆干式离合器用铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于所述的粉末冶金摩擦材料由以下的组分和重量百分配比组成：铜粉50％-60％，铁粉1-10％，石墨颗粒粉5-20％，鳞片石墨1-5％，二硫化钼粉1-6％，石油焦炭粉1-15％，铬铁粉3-9％，氧化锆3-9％，二氧化硅1-5％，锡粉1-4％。其制备方法，包括如下步骤：
(1)按所述成分配制混合料，将混合料于V型混料机混合4-8h；
(2)在300-500MPa单位压力下压制得到压坯；
(3)将压坯放置在镀铜钢背上，在钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为850-950℃，保温时间为1-3h，烧结单位压力为1.0-4.0MPa，烧结气氛为分解氨或纯氢气；
(4)保温结束后，先随炉冷却至700℃以下，再移去加热炉体，空冷至550℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。
2.根据权利要求1所述的重载车辆干式离合器用铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于所述的各组分规格为：电解铜粉：-200目，铁粉：-100目，石墨颗粒粉：-30～+80目，鳞片石墨粉：-70～+90目，二硫化钼：1-5μm胶体粉末，石油焦炭粉：-30～+80目，铬铁粉：-30～+150目，氧化锆：-60～+150目，二氧化硅：-100～+115目，锡粉：-250目。
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