CN111286642B

CN111286642B - 一种适用于碳陶制动盘的铜基摩擦材料及其制备方法

Info

Publication number: CN111286642B
Application number: CN202010224510.2A
Authority: CN
Inventors: 刘如铁; 赵恒阳; 林雪杨; 汪琳; 陈洁; 熊翔; 廖宁
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: CN111286642A

Abstract

本发明涉及一种适用于碳陶制动盘的铜基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52‑60％，铁粉12‑20％，二硫化钼粉2‑4％，颗粒石墨粉5‑9％，鳞片石墨粉3‑6％，铬铁粉1‑4％，硅铁粉1‑4％，硼铁粉2‑6％，锰铁粉4‑8％，钒铁粉1‑3％。所述铜基摩擦材料通过配料、混料、压制和加压烧结制备而成。所述铜基摩擦材料采用包括铬铁、硅铁、锰铁、硼铁和钒铁的预合金粉作为摩擦组元，充分利用预合金粉的良好导热性和高硬高韧特性，进一步提高摩擦材料的导热性，改善摩擦材料的综合力学性能，在摩擦材料与碳陶制动盘配副时获得较高的摩擦系数和良好的耐磨性，确保优异的制动效果。

Description

一种适用于碳陶制动盘的铜基摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及摩擦材料领域，具体涉及一种适用于碳陶制动盘的铜基摩擦材料及其制备方法。

背景技术

碳陶材料是以碳纤维增强碳化硅制备而成的陶瓷基复合材料，是近些年发展的具有优异摩擦磨损性能的新型材料，目前正作为制动盘材料逐步推广使用。与传统铸铁、钢等金属制动盘相比，碳陶制动盘具有密度低、耐高温、使用寿命长等一系列优点，不仅可以实现交通运输工具的轻量化要求，还可以满足交通运输工具因运行速度和承载能力提高而带来的愈加苛刻的高能高速制动工况，在高速列车、汽车、飞机等领域具有广阔的应用前景。铜基摩擦材料是以铜作为基体，添加摩擦组元和润滑组元制备而成的金属基复合材料。虽然与铸铁、钢等金属制动盘配副的传统铜基摩擦材料性能可靠并已广泛应用，但是其与碳陶制动盘配副时却表现出磨损大、摩擦系数低的不理想情况，不能满足正常使用要求。因此，随着碳陶制动盘的不断推广使用，如何充分发挥碳陶制动盘的优异摩擦磨损性能，与其配副的摩擦材料是关键。

尽管众多人对铜基摩擦材料展开了研究工作，如专利CN107326248A“一种高铁制动粉末冶金铜基摩擦材料的制备方法”、专利CN109468487A“一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法”、专利CN106011520A“一种离合器用干式铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法”、专利CN101666364A“一种铜基粉末冶金离合器摩擦体”、专利CN105179537A“一种重型载重汽车离合器铜基摩擦片及制作方法”、专利CN106702204A“铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法”、专利CN1594621A“一种铜基粉末冶金摩擦材料”、专利CN103639414A“高硬度低磨损的铜基摩擦材料的制备方法”和专利CN108916277A“一种铜基刹车片摩擦材料的制备方法”，但这些都是针对铜基摩擦材料与传统铸铁、钢制动盘配副使用的情况，而专门针对与碳陶制动盘配副的铜基摩擦材料的相关报道却很少见。

针对上述情况，本发明提出一种适用于碳陶制动盘的铜基摩擦材料及其制备方法，通过对铜基摩擦材料中摩擦组元的优化选择，解决铜基摩擦材料与碳陶制动盘之间的适配性问题，制备出综合性能优异的碳陶制动盘用新型铜基摩擦材料。

发明内容

本发明提出一种适用于碳陶制动盘的铜基摩擦材料及其制备方法，该方法通过对铜基摩擦材料中摩擦组元的优化选择，制备出综合性能优异的碳陶制动盘用新型铜基摩擦材料。

本发明提出一种适用于碳陶制动盘的铜基摩擦材料，所述摩擦材料所用原料包括下述按质量百分比组成的组分：铜粉52-60％，铁粉12-20％，二硫化钼粉2-4％，颗粒石墨粉5-9％，鳞片石墨粉3-6％，铬铁粉1-4％，硅铁粉1-4％，硼铁粉2-6％，锰铁粉4-8％，钒铁粉1-3％。

本发明提出一种适用于碳陶制动盘的铜基摩擦材料，所述铜粉的粒度为25～75μm，所述铁粉的粒度为25～75μm，所述二硫化钼的粒度为3～10μm，所述颗粒石墨的粒度为180～270μm，所述鳞片石墨的粒度为270～400μm，所述铬铁粉的粒度为25～75μm，所述硅铁粉的粒度为25～75μm，所述硼铁粉的粒度为25～75μm，所述锰铁粉的粒度为25～75μm，所述钒铁粉的粒度为25～75μm。

所述一种适用于碳陶制动盘的铜基摩擦材料；所述铜粉中铜含量≥99.5wt％；所述铁粉中铁含量≥99.5wt％；所述铬铁粉中铬含量为55％～65wt％；所述硅铁粉中硅含量为75wt％；所述硼铁粉中硼含量为17wt％；所述锰铁粉中锰含量为65％～75wt％；所述钒铁粉中钒含量为50wt％。

作为优选方案，所述铬铁粉为铬含量为55wt％或65wt％的铬铁粉，或者所述铬铁粉为铬含量55wt％与65wt％两种铬铁粉的任意组合。

作为优选方案，所述锰铁粉为锰含量为65wt％或75wt％的锰铁粉，或者所述锰铁粉为锰含量65wt％与75wt％两种锰铁粉的任意组合。

本发明提出一种适用于碳陶制动盘的铜基摩擦材料的制备方法，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：将步骤一所得混合料进行压制成型，得到压坯；

步骤三：将步骤二所得压坯放在镀铜钢背上，置于钟罩式加压烧结炉中进行加压烧结，烧结气氛为纯氢气或者为氢气与氮气比例3:1的混合气体；

步骤四：步骤三结束后，移除加热炉体，另外加上冷却罩，仍保持施加单位压力1-2MPa，喷水冷却至200℃以下后撤除施加压力，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400-500MPa。

作为优选方案，步骤三中烧结温度为960-1020℃，保温时间为2-3h，烧结单位压力为2-3MPa。

原理与优势

与传统的铸铁、钢这类金属制动盘材料相比，碳陶制动盘材料的微观组织结构和物理力学性能有所不同，不仅含有大量高硬度的碳化硅组元，材料整体硬度高，而且热扩散率相对较低。因此，铜基摩擦材料分别在与这两种不同材料类型的制动盘配副时的摩擦磨损作用机理也有所差别。一方面，与碳陶制动盘配副时，碳陶盘表面的碳化硅硬质颗粒，容易造成相对较软的铜基摩擦材料磨损加剧，寿命减短；另一方面，由于碳陶制动盘较低的热扩散率，摩擦磨损过程中所产生的摩擦热量容易造成其表面温升过高，导致与其配副的铜基摩擦材料相对更易受高温影响而氧化磨损加剧，从而降低制动过程中的摩擦磨损综合性能。此外，这两种不同材料类型制动盘含有的化学元素成分具有明显区别，分别在与铜基摩擦材料配副时会引起不同的摩擦面化学反应，影响摩擦膜的实际成分、结构及性能，并进一步影响配副材料摩擦面之间的物理化学作用效果，带来摩擦磨损性能的差异。

传统铜基摩擦材料中的摩擦组元主要为金属碳化物、非金属碳化物、金属氧化物或者非金属氧化物，虽然具有良好的耐磨性，但是其导热性能差且与铜基体的界面结合强度较低。在与碳陶制动盘摩擦过程中，摩擦热量不易耗散，同时由于制动盘中高硬度碳化硅组元较高的摩擦作用力，这些金属碳化物、非金属碳化物、金属氧化物或者非金属氧化物容易从铜基体中脱落，失去摩擦组元的效果，导致材料摩擦系数降低而磨损加剧。本发明提供的一种适用于碳陶制动盘的铜基摩擦材料的优势在于：采用合理配比的高硬高韧预合金粉作为摩擦材料的摩擦组元，既可以充分改善摩擦组元与铜基体的界面结合强度，增强基体对摩擦组元的把持力，提高摩擦材料的整体力学性能，又可以发挥其良好导热性，促进摩擦热量的耗散，从而大大提高铜基摩擦材料与碳陶制动盘配副时的综合摩擦磨损性能。下面对具体增益效果进行解释：

(1)铬铁粉作为摩擦组元，导热性良好，与铜基体结合紧密，可以提高摩擦材料的高温强度和韧性；

(2)硅铁粉作为摩擦组元，导热性良好，与铜基体结合紧密，可以提高摩擦材料的强度与韧性，降低磨损；

(3)硼铁粉作为摩擦组元，导热性良好，与铜基体结合紧密，可以促进摩擦材料致密化，提高摩擦系数，降低磨损；

(4)锰铁粉作为摩擦组元，导热性良好，与铜基体结合紧密，可以促进摩擦材料表面在高温下生成致密的钝化膜，提高摩擦材料的抗氧化磨损能力；

(5)钒铁粉作为摩擦组元，导热性良好，与铜基体结合紧密，可以有效地增强基体强度和韧性，提高摩擦材料的摩擦系数；

(6)经合理配比后的多种预合金粉摩擦组元，在摩擦过程中具有协同摩擦的效果，其提高摩擦磨损性能的作用明显优于仅采用单种预合金粉摩擦组元。

附图说明

图1为实例1所制备的铜基摩擦材料产品外观形貌图；

图2为实例1所制备的铜基摩擦材料产品在摩擦制动试验后的外观形貌图；

图3为实例1中碳陶制动盘在摩擦制动试验后的外观形貌图；

具体实施方式

下面结合实施例和对比例对本发明做进一步地说明。

实施例1：

步骤一：将质量分数为：铜粉56％，铁粉14％，二硫化钼粉3％，颗粒石墨粉6％，鳞片石墨粉4％，铬铁粉(铬含量为55wt％)3％，硅铁粉3％，硼铁粉4％，锰铁粉(锰含量为75wt％)4％，钒铁粉3％的原料粉末按比例配制混合料，将混合料于V型混料机混合8h；

步骤二：将混合料进行压制成型得到压坯，单位压制压力为500MPa；

步骤三：将压坯放在镀铜钢背上，置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为960℃，保温时间为3h，烧结单位压力为2MPa，烧结气氛为纯氢气；

步骤四：保温结束后，移除加热炉体，另外加上冷却罩，仍保持施加单位压力2MPa，喷水冷却至200℃以下后撤除施加压力，最后水冷至80℃以下出炉。

实施例2：

步骤一：将质量分数为：铜粉52％，铁粉18％，二硫化钼粉3％，颗粒石墨粉6％，鳞片石墨粉4％，铬铁粉(铬含量为55wt％)2％，硅铁粉3％，硼铁粉6％，锰铁粉(锰含量为65wt％)5％，钒铁粉1％的原料粉末按比例配制混合料，将混合料于V型混料机混合6h；

步骤二：将混合料进行压制成型得到压坯，单位压制压力为400MPa；

步骤三：将压坯放在镀铜钢背上，置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为1020℃，保温时间为2h，烧结单位压力为2MPa，烧结气氛为氢气与氮气比例3:1的混合气体；

实施例3：

步骤一：将质量分数为：铜粉55％，铁粉15％，二硫化钼粉2％，颗粒石墨粉5％，鳞片石墨粉5％，铬铁粉(铬含量为65wt％)4％，硅铁粉4％，硼铁粉3％，锰铁粉(锰含量为65wt％)4％，钒铁粉3％的原料粉末按比例配制混合料，将混合料于V型混料机混合4h；

步骤三：将压坯放在镀铜钢背上，置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为980℃，保温时间为3h，烧结单位压力为3MPa，烧结气氛为氢气与氮气比例3:1的混合气体；

步骤四：保温结束后，移除加热炉体，另外加上冷却罩，仍保持施加单位压力1MPa，喷水冷却至200℃以下后撤除施加压力，最后水冷至80℃以下出炉。

实施例4：

步骤一：将质量分数为：铜粉58％，铁粉14％，二硫化钼粉2％，颗粒石墨粉5％，鳞片石墨粉6％，铬铁粉(铬含量为65wt％)3％，硅铁粉1％，硼铁粉5％，锰铁粉(锰含量为75wt％)4％，钒铁粉2％的原料粉末按比例配制混合料，将混合料于V型混料机混合4h；

步骤三：将压坯放在镀铜钢背上，置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为960℃，保温时间为2h，烧结单位压力为2MPa，烧结气氛为纯氢气；

实施例5：

步骤一：将质量分数为：铜粉58％，铁粉12％，二硫化钼粉4％，颗粒石墨粉5％，鳞片石墨粉4％，铬含量为55wt％的铬铁粉1％，铬含量为65wt％的铬铁粉1％，硅铁粉3％，硼铁粉4％，锰铁粉(锰含量为65wt％)5％，钒铁粉3％的原料粉末按比例配制混合料，将混合料于V型混料机混合5h；

步骤三：将压坯放在镀铜钢背上，置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为970℃，保温时间为2h，烧结单位压力为3MPa，烧结气氛为纯氢气；

实施例6：

步骤一：将质量分数为：铜粉58％，铁粉12％，二硫化钼粉2％，颗粒石墨粉5％，鳞片石墨粉4％，铬含量为55wt％的铬铁粉2％，铬含量为65wt％的铬铁粉1％，硅铁粉3％，硼铁粉3％，锰含量为65wt％的锰铁粉5％，锰含量为75wt％的锰铁粉2％，钒铁粉3％的原料粉末按比例配制混合料，将混合料于V型混料机混合7h；

步骤三：将压坯放在镀铜钢背上，置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为1000℃，保温时间为2h，烧结单位压力为2MPa，烧结气氛为氢气与氮气比例3:1的混合气体；

实施例7：

步骤一：将质量分数为：铜粉58％，铁粉13％，二硫化钼粉2％，颗粒石墨粉6％，鳞片石墨粉3％，铬含量为55wt％的铬铁粉1％；铬含量为65wt％的铬铁粉2％，硅铁粉3％，硼铁粉4％，锰含量为65wt％的锰铁粉3％，锰含量为75wt％的锰铁粉3％，钒铁粉2％的原料粉末按比例配制混合料，将混合料于V型混料机混合8h；

步骤三：将压坯放在镀铜钢背上，置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为990℃，保温时间为2h，烧结单位压力为2MPa，烧结气氛为氢气与氮气比例3:1的混合气体；

对比例1：

配制混合料，其原料包括：铜粉56％，铁粉20％，二硫化钼粉3％，颗粒石墨粉9％，鳞片石墨粉6％，二氧化硅3％、氧化铝3％。将混合料于V型混料机混合8h，在500MPa的压制压力下制得压坯。将压坯放在镀铜钢背上，置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为960℃，保温时间为2h，烧结压力为3MPa，烧结气氛为纯氢气。保温结束后，移除加热炉体，另外加上冷却罩，仍保持施加单位压力2MPa，喷水冷却至200℃以下后撤除施加压力，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5％，铬含量为65wt％的铬铁粉2％，碳化钨粉7％，氧化锆3％。将混合料于V型混料机混合8h，在400MPa的压制压力下制得压坯。将压坯放在镀铜钢背上，置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为980℃，保温时间为3h，烧结压力为3MPa，烧结气氛为氢气与氮气比例3:1的混合气体。保温结束后，移除加热炉体，另外加上冷却罩，仍保持施加单位压力2MPa，喷水冷却至200℃以下后撤除施加压力，最后水冷至80℃以下出炉。

对比例3：

配制混合料，其原料包括：铜粉56％，铁粉15％，二硫化钼粉3％，颗粒石墨粉7％，鳞片石墨粉7％，锰含量为65wt％的锰铁粉4％，碳化钒粉8％。将混合料于V型混料机混合8h，在500MPa的压制压力下制得压坯。将压坯放在镀铜钢背上，置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结温度为1000℃，保温时间为2h，烧结压力为2Mpa，烧结气氛为氢气与氮气比例3:1的混合气体。保温结束后，移除加热炉体，另外加上冷却罩，仍保持施加单位压力1MPa，喷水冷却至200℃以下后撤除施加压力，最后水冷至80℃以下出炉。

以上实施例和对比例中铜基摩擦材料的力学性能情况如下表1。

表1力学性能

以上实施例和对比例均按照本田雅阁前片1:1试样要求，在LINK台架试验中采用SAE J2522-AK Master标准进行摩擦制动试验，制动条件为：有效制动半径107.5mm，惯量63.7kg·m²，对偶材料为碳陶制动盘。测试结果如下表2。

表2实施例和对比例材料的摩擦磨损性能

实施例1～7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1～7，所述预合金粉(在百分比范围内)的任意组合方式都属于本发明的权利范围。与对比例相比较，本发明所提出的铜基摩擦材料配方合理，在与碳陶制动盘配副时，摩擦系数高，磨损小，制动平稳，表现出良好的适配性能。

Claims

1.一种适用于碳陶制动盘的铜基摩擦材料，其特征在于，所述摩擦材料所用原料由下述按质量百分比组成的组分：铜粉52-60%，铁粉12-20%，二硫化钼粉2-4%，颗粒石墨粉5-9%，鳞片石墨粉3-6%，铬铁粉1-4%，硅铁粉1-4%，硼铁粉2-6%，锰铁粉4-8%，钒铁粉1-3%；所述铜粉中铜含量≥99.5wt%；所述铁粉中铁含量≥99.5wt%；所述铬铁粉中铬含量为55%~65wt%；所述硅铁粉中硅含量为75wt%；所述硼铁粉中硼含量为17wt%；所述锰铁粉中锰含量为65 wt%~75wt%；所述钒铁粉中钒含量为50wt%；

所述摩擦材料通过下述步骤制备：

步骤一：按照成分比例配制混合料，将混合料于V型混料机混合；

步骤二：将步骤一所得混合料进行压制成型，得到压坯；

步骤三：将步骤二所得压坯放在镀铜钢背上，置于钟罩式加压烧结炉中进行烧结，烧结气氛为纯氢气或者为氢气与氮气比例3:1的混合气体；

步骤四：步骤三保温结束后，移除加热炉体，另外加上冷却罩，仍保持施加单位压力1-2MPa，喷水冷却至200℃以下后撤除施加压力，最后水冷至80℃以下出炉；

步骤一中混料时间为4-8h；步骤二中单位压制压力为400-500MPa；步骤三中烧结温度为960-1020℃，保温时间为2-3h，烧结单位压力为2-3MPa。

2.根据权利要求1所述一种适用于碳陶制动盘的铜基摩擦材料，其特征在于：所述铜粉的粒度为25~75µm，所述铁粉的粒度为25~75µm，所述二硫化钼粉的粒度为3~10µm，所述颗粒石墨粉的粒度为180~270µm，所述鳞片石墨粉的粒度为270~400µm，所述铬铁粉的粒度为25~75µm，所述硅铁粉的粒度为25~75µm，所述硼铁粉的粒度为25~75µm，所述锰铁粉的粒度为25~75µm，所述钒铁粉的粒度为25~75µm。

3.根据权利要求1所述一种适用于碳陶制动盘的铜基摩擦材料，其特征在于：

所述铬铁粉为铬含量为55wt%或65wt%的铬铁粉，或者所述铬铁粉为铬含量55wt%与65wt%两种铬铁粉的任意组合；

所述锰铁粉为锰含量为65wt%或75wt%的锰铁粉，或者所述锰铁粉为锰含量65wt%与75wt%两种锰铁粉的任意组合。