CN110923498A - 一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，所述摩擦材料由下述组分按质量百分比组成：铜粉55％～65％，铁粉12％～18％，二硫化钼粉1％～3％，颗粒石墨粉6％～10％，鳞片石墨粉4％～8％，金属碳化物粉2％～5％，金属氧化物粉2％～5％。所述铜基粉末冶金摩擦材料通过配料、混料、压制和烧结制备而成。所述铜基粉末冶金摩擦材料采用金属碳化物和金属氧化物作为复合陶瓷摩擦组元，充分利用金属碳化物和金属氧化物作为摩擦组元的优势互补，通过两种摩擦组元的协同作用，进一步提高铜基粉末冶金摩擦材料的综合摩擦磨损性能，同时保证材料的耐磨性、高温稳定性、高摩擦系数及摩擦系数稳定性等各项性能。

Description

一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉 末冶金摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金摩擦材料领域，具体涉及一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法。

背景技术

铜基粉末冶金摩擦材料被广泛应用于高铁、飞机和工程机械等高能制动工况。然而，随着负荷和速度的不断提升，原有铜基粉末冶金摩擦材料逐渐出现磨损加剧、摩擦系数不稳定和高温摩擦性能差等缺点。因此，进一步改善铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨损性能，满足高速重载条件的使用要求已势在必行。

铜基粉末冶金摩擦材料是在铜基体中添加润滑组元和摩擦组元，采用粉末冶金工艺制备而成的复合材料。润滑组元的主要作用是减轻摩擦副之间的磨损，摩擦组元主要作用是提高基体的强度和摩擦系数。目前，传统的摩擦组元有碳化硅、氧化硅和氧化铝，这三种摩擦组元具有弹性模量高，耐磨性好，高温稳定性好，耐腐蚀且价格低廉等优点，因此得到了广泛的研究和应用。但这三种摩擦组元和基体铜的润湿性较差，与铜基体之间的界面结合强度低，导致增强颗粒易在摩擦过程中由于剪切力作用而脱落，加剧磨损。另一方面，这三种摩擦组元脆性高，实际制动过程中，在法向冲击力和剪切力的作用下易破碎，减弱增摩效果，加剧磨损，导致摩擦稳定性降低。

针对传统摩擦组元的上述问题，众多学者展开了改性研究工作，专利CN105063459A和专利CN107824783A分别公开了一种高速列车制动用铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，都是通过填加氧化铝、氧化锆和氧化硅的方法制得铜基粉末冶金摩擦材料。该方法虽然可以提高材料的摩擦系数及耐磨性，但由于这三种陶瓷摩擦组元与铜基体的界面结合较弱，且导热性差，仍然存在热衰退严重，使用寿命短的问题。专利CN107760919B公开了一种耐高温铜基摩擦材料的制备方法，该方法添加氧化铝和氧化硅作为摩擦组元，通过表面改性形成耐高温的氧化物薄膜层，提高了材料的耐高温性能，但该方法工艺较为复杂，成本高且未提及对材料耐磨性的改善。专利CN104384504A公开了一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，该方法采用氧化铝、碳化硅和锆刚玉作为摩擦组元，虽然提高了材料的摩擦系数，同样由于三种增强颗粒与铜的润湿性差，其界面结合弱，导致摩擦性能不稳定。专利CN107012358A公开了一种制动闸片用粉末冶金摩擦材料及制备工艺，该方法采用氧化锆、碳化硅和铬铁作为摩擦组元，提高了材料摩擦系数的稳定性，但该方法摩擦组元添加量过多且与铜的润湿性较差，会对铜基体的连续性产生不利影响，从而降低材料使用寿命。专利CN109468487A公开了一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，以碳化钨为摩擦组元，该方法中碳化钨的加入虽然提高了材料的摩擦系数，但摩擦系数稳定性较差。专利CN106521223B公开了一种碳化钛/铜基复合材料的制备方法，该方法以淀粉纤维素压制碳化得到的多孔炭坯体为预制体，在预制坯体的空隙中渗入铜钛合金，虽然该方法获得的产品具有优异的耐磨性，但相比粉末冶金技术，其工艺复杂、成本高，不适合工业批量生产。

由此可见，铜基粉末冶金摩擦材料的改性工作虽然已经取得了一定的进展，但大多都是针对单一陶瓷摩擦组元，无法同时兼顾摩擦材料的耐磨性、高温稳定性，高摩擦系数及摩擦系数稳定性等各项性能，难以满足日益恶劣的摩擦工况。

对于摩擦材料，既要使其摩擦系数满足使用范围0.35-0.45，又要尽可能提高材料摩擦系数的稳定性，并且降低材料的磨损率，提高其使用寿命。但由于摩擦材料需要与制动盘进行配副应用，因此在对摩擦材料的摩擦磨损性能进行改善时，也需要考虑制动盘的磨损情况。如果制动盘磨损率过高，就会使得制动盘使用寿命较短，大幅提高整个制动系统维护成本，给实际应用带来很大不便。

为了解决上述问题，本发明提出一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法。其中金属碳化物具有与铜基体润湿性好和对晶粒长大有良好的抑制作用等优势，金属氧化物具有热稳定性好和抗磨性高等优势。本发明充分利用金属碳化物和金属氧化物作为摩擦组元的优势互补，通过两种摩擦组元的协同作用，达到进一步有效改善铜基粉末冶金摩擦材料摩擦磨损性能的目的，同时确保制动盘对偶材料的磨损率处于较低的水平。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，其目的于在协同发挥两种摩擦组元的优势，以期提高铜基粉末冶金摩擦材料的综合摩擦磨损性能。

本发明提出一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料，包括下述按质量百分比组成的组分：铜粉55％～65％，铁粉12％～18％，二硫化钼粉1％～3％，颗粒石墨粉6％～10％，鳞片石墨粉4％～8％，金属碳化物粉2％～5％，金属氧化物粉2％～5％。

所述一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料的原材料规格如下所示：铜粉-100～+400目，铁粉-100～+300目，二硫化钼3～10μm，颗粒石墨-30～+100目，鳞片石墨-50～+100目，金属碳化物-100～+300目，金属氧化物-100～+300目。

作为优选方案，所述金属碳化物为碳化钨和碳化钒中的一种。

作为优选方案，所述金属氧化物为氧化钛、氧化锆和氧化铝中的一种。

作为优选方案，所述铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦系数为0.38～0.42，摩擦稳定系数为0.76～0.79，摩擦材料线磨损率为0.00051～0.00065mm·次^-1，对偶材料线磨损率为0.00022～0.00030mm·次^-1。

本发明通过其他成份组元与金属碳化物及其金属氧化物的协同增强效应下，所得铜基粉末冶金摩擦材料在合适的摩擦系数范围内，具有较高的摩擦系数、较高的摩擦稳定系数、较低的摩擦材料线磨损率和对偶材料线磨损率，具有优异的综合摩擦磨损性能。

本发明提出一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，具体步骤如下：

步骤一：按照所述成分比例配制混合料，将混合料于V型混料机混合；

步骤二：对步骤一所得混合料进行压制成型，得到压坯；

步骤三：将步骤二所得到压坯置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结气氛为分解氨或纯氢气；

步骤四：步骤三保温结束后，仍保持施加单位压力1-2MPa，先随炉冷却至800℃以下，再移除加热炉体，空冷至600℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。

作为优选方案，步骤一中混料时间为4-8h。

作为优选方案，步骤二中单位压制压力为300-500MPa。

作为优选方案，步骤三中，烧结温度为850-950℃，保温时间为1-3h，烧结单位压力为1-4MPa。

原理与优势

金属碳化物或金属氧化物单独作为摩擦组元加入到铜基粉末冶金摩擦材料中，虽然可以在一定程度上提高材料某一方面的性能，但往往伴随着其他方面性能的降低，无法兼顾材料的综合摩擦磨损性能。本发明提供的一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料的优势在于：根据实际工况需要，合理选择金属碳化物与金属氧化物进行搭配，同时发挥两种陶瓷摩擦组元的优势，通过两种摩擦组元的协同作用，进一步提高材料的综合摩擦磨损性能。下面举例对具体增益效果进行解释：

(1)选取碳化钨和氧化锆作为摩擦组元。碳化钨与铜的润湿性好，与铜基体的界面结合强度较高，因此在摩擦过程中不易脱落，有效提高了材料的力学性能、耐磨性、摩擦系数及摩擦系数稳定性，弥补了氧化锆与铜基体润湿性差以及增摩效果不理想的缺点。氧化锆具有很好的韧性，在法向载荷和剪切力的冲击作用下不易破碎和脆断，弥补了碳化钨颗粒脆性较大，抗冲击性弱的缺点。另一方面，碳化钨具有很好的导热性，弥补了单一陶瓷增强颗粒的加入对材料整体导热性的影响。

(2)选取碳化钒和氧化铝作为摩擦组元。碳化钒与铜有着很好的润湿性，一定程度弥补了氧化铝与铜润湿性差导致的材料耐磨性降低。氧化铝价格低廉且具有很高的弹性模量，增摩效果显著，弥补了碳化钒增摩效果差的不足。同时，碳化钒对晶粒长大有着很好的抑制作用，细化了铜基体的晶粒，提高了材料的力学性能和耐磨性。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的铜基粉末冶金摩擦材料试样的组织结构金相图。

图2为本发明实施例1制备的铜基粉末冶金摩擦材料试样的摩擦面形貌图。

具体实施方式

实施例1

配制混合料，其原料包括：铜粉56％，铁粉16％，二硫化钼粉2％，颗粒石墨粉9％，鳞片石墨粉7％，碳化钨粉5％，氧化锆粉5％。将混合料于V型混料机混合5h，在500MPa的压制压力下制得压坯。将压坯置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为950℃，保温时间为3h，烧结压力为4MPa，烧结气氛为分解氨。保温结束后，仍保持施加单位压力1-2MPa，先随炉冷却至800℃以下，再移除加热炉体，空冷至600℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。

实施例2

配制混合料，其原料包括：铜粉58％，铁粉12％，二硫化钼粉3％，颗粒石墨粉10％，鳞片石墨粉8％，碳化钨粉5％，氧化钛粉4％。将混合料于V型混料机混合6h，在400MPa的压制压力下制得压坯。将压坯置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为920℃，保温时间为1h，烧结压力为3MPa，烧结气氛为氢气。保温结束后，仍保持施加单位压力1-2MPa，先随炉冷却至800℃以下，再移除加热炉体，空冷至600℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。

实施例3

配制混合料，其原料包括：铜粉60％，铁粉15％，二硫化钼粉2％，颗粒石墨粉8％，鳞片石墨粉6％，氧化铝粉5％，碳化钒粉4％。将混合料于V型混料机混合4h，在450MPa的压制压力下制得压坯。将压坯置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为890℃，保温时间为2h，烧结压力为2MPa，烧结气氛为分解氨。保温结束后，仍保持施加单位压力1-2MPa，先随炉冷却至800℃以下，再移除加热炉体，空冷至600℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。

对比例1

配制混合料，其原料包括：铜粉56％，铁粉16％，二硫化钼粉2％，颗粒石墨粉9％，鳞片石墨粉7％，碳化钨粉10％。将混合料于V型混料机混合5h，在500MPa的压制压力下制得压坯。将压坯置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为950℃，保温时间为3h，烧结压力为4MPa，烧结气氛为分解氨。保温结束后，仍保持施加单位压力1-2MPa，先随炉冷却至800℃以下，再移除加热炉体，空冷至600℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。

对比例2

配制混合料，其原料包括：铜粉56％，铁粉16％，二硫化钼粉2％，颗粒石墨粉9％，鳞片石墨粉7％，氧化锆粉10％。将混合料于V型混料机混合5h，在500MPa的压制压力下制得压坯。将压坯置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为950℃，保温时间为3h，烧结压力为4MPa，烧结气氛为分解氨。保温结束后，仍保持施加单位压力1-2MPa，先随炉冷却至800℃以下，再移除加热炉体，空冷至600℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。

以上实施例和对比例均在MM-1000试验机上进行摩擦磨损试验，制动条件为：速度5000r/min，压力0.6MPa，惯量0.35kg·m²，对偶材料为30CrMoSiV调质合金钢。铜基粉末冶金摩擦材料试样尺寸：外径75mm，内径53mm，厚度15mm，面积22.1cm²。测试结果见表1。

表1实施例和对比例材料的摩擦磨损性能

由表1可以看出，相比对比例1和2，实施例1～3同时兼具了较高的摩擦系数、较高的摩擦稳定系数、较低的摩擦材料线磨损率和对偶材料线磨损率，具有优异的综合摩擦磨损性能。

实施例1～3仅对本发明起到解释作用，并不意味本发明权利范围仅限于实施例1～3，所述金属碳化物(一种)和所述金属氧化物(一种)的任意组合方式都属于本发明的权利范围之内。

Claims (5)

1.一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述粉末冶金摩擦材料包括下述按质量百分比组成的组分：铜粉55％～65％，铁粉12％～18％，二硫化钼粉1％～3％，颗粒石墨粉6％～10％，鳞片石墨粉4％～8％，金属碳化物粉2％～5％，金属氧化物粉2％～5％。

2.根据权利要求1所述一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述原材料规格如下所示：铜粉-100～+400目，铁粉-100～+300目，二硫化钼3～10μm，颗粒石墨-30～+100目，鳞片石墨-50～+100目，金属碳化物-100～+300目，金属氧化物-100～+300目。

3.根据权利要求1所述一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述金属碳化物为碳化钨和碳化钒中的一种。

4.根据权利要求1所述一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述金属氧化物为氧化钛、氧化锆和氧化铝中的一种。

5.根据权利要求1～4任一项所述一种含金属碳化物和金属氧化物复合陶瓷摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：按照所述成分比例配制混合料，将混合料于V型混料机混合4-8h；

步骤二：对步骤一所得混合料进行压制成型，单位压制压力为300-500MPa，得到压坯；

步骤三：将步骤二所得到压坯置于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1-4MPa，烧结气氛为分解氨或纯氢气；

步骤四：步骤三保温结束后，仍保持施加单位压力1-2MPa，先随炉冷却至800℃以下，再移除加热炉体，空冷至600℃以下，最后水冷至80℃以下出炉。

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