CN112387978B - 一种刹车片用CuFe合金粉末的制备方法 - Google Patents

一种刹车片用CuFe合金粉末的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种刹车片用CuFe合金粉末的制备方法，具体按照以下步骤进行：按重量百分比计，调整CuFe合金粉末中Fe元素的含量，使Fe元素的百分含量为整个CuFe合金粉末的5％‑30％；将配好的合金料装入真空感应炼熔炉内的坩埚内,开启机械泵，打开低真空挡板阀抽真空，进行阶段熔炼并精炼1min‑2min；将熔化的合金液倒入漏包中，合金液通过漏嘴流出的过程中，经过压缩气体将压力控制在0.5～10MPa时进行喷射，喷射流速控制4‑20L/min，合金液被分散成细小液滴，在降落的过程中冷却凝固；在对粉末收集即可，本发明制备的CuFe合金粉末形貌呈球形，粉末气体含量低、粉末中Fe相均匀分布于Cu颗粒集体中，适合广泛推广。

Description

一种刹车片用CuFe合金粉末的制备方法
技术领域
本发明涉及有色金属材料制造领域，尤其涉及一种刹车片用CuFe合金粉末的制备方法。
背景技术
高性能的刹车片是提高刹车制动力最直接、有效、简单的方法。目前高性能的刹车片大多采用碳纤维和金属材质为主要原料，并强调不含石棉的环保配方，其中的金属材质大多采用钢元素，但钢元素的成本太高，不适合广泛推广，所以需要一种耐磨耐热的材料来代替钢元素金属材质。
由于在粉末冶金制品中，铜粉和铁粉是用量最大的两种粉末，所以目前也有较多的刹车片采用含铁含铜的半金属材质制备，但由于传统粉末冶金制品的制备是将铜粉、铁粉混合使用，两者混合不均匀以及两者熔化温度相差较大，烧结温度难以确定等特点，导致制成品的质量和性能受到严重的影响；另外一种铜铁复合粉的生产方法是采用扩散法，把铜粉和铁粉按一定比例混合均匀，然后加热到一定温度，使铜粉包覆在铁粉颗粒表面，由于该方法是一种以物理的方式把铜包覆在铁粉颗粒表面，因此，也存在很多不足之处。
且目前的的铜铁合金的抗拉强度和布氏硬度等性能，不能直接用来当作刹车片的材料，需要更进一步的增强铜铁合金的材料性能。针对以上问题，我们通过熔炼+雾化的方法制备出铜铁合金粉末，彻底解决了两种粉末混合不均匀的问题及难以烧结的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种刹车片用CuFe合金粉末的制备方法。
本发明的技术要点为：
一种刹车片用CuFe合金粉末的制备方法，按照以下步骤进行：
步骤1：配料
按百分含量计，调整CuFe合金粉末中Fe元素的含量，使Fe元素的百分含量为整个CuFe合金粉末的5％-30％，得到配好的合金料；
步骤2：装炉
将步骤1中配好的合金料装入真空感应炼熔炉内的坩埚内,合上炉盖，关闭放气阀，清理观察窗；
步骤3：抽真空
开启机械泵，打开低真空挡板阀抽真空，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；
步骤4：熔炼
熔炼选用的坩埚必须为不含碳的坩埚；熔炼时，当真空度抽到р≤4Pa时，加热升温，功率升至20KW-30KW，保温5min-10min，功率升至40KW-50KW，保温5min-10min，加热功率升至60KW-70KW，保持5min-10min，待坩埚内原料上下达到均匀后，降功率至20KW以下，打开充氩气阀，向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至约0.08Mpa时，关闭充氩阀，升功率至70KW±5KW，精炼1min-2min，然后使熔液的的温度保持在1500℃，缓慢向熔液里加入80wt％且与合金粉体积比为0.5:1的硅铁，加入的同时对熔液进行搅拌，搅拌5min后取样检测，如熔液未见残渣，继续加入剩余的硅铁，继续搅拌3-5min，完成炼熔，如取样时熔液出现残渣，停止加入硅铁，并继续搅拌3-5min，完成炼熔，保持温度在1500℃是为了保证后续雾化时，溶液可持续喷出，间歇的加入硅铁是为了防止炼熔时熔液各处材料分布不均，导致后续制备出的合金粉末性能不均；
步骤5：将熔化的合金液倒入漏包中，向漏包中加入4wt％的稀土和7wt％的镁元素，并使稀土和镁元素处于漏包底部一侧设置的凹槽内，再在稀土和镁元素上附着一层铁屑，并将铁屑压紧，再注入步骤4中CuFe合金的熔液，进行搅拌，搅拌3min，待熔液表面有长而有力的火苗蹿出后，经过压缩气体将压力控制在0.5～10MPa时使合金液经过漏嘴进行喷射，喷射流速控制4-20L/min，合金液被分散成细小液滴，在降落的过程中冷却凝固，稀土和镁元素可对铜铁合金的熔液进行净化，去除硫元素等杂质，如单独采用镁元素，则会产生镁元素残余，通过镁元素和稀土的配合，提高雾化时铜铁合金球型粉末的圆整性，减少晶体偏析程度，提高伸长率和抗拉强度，得到合金粉末；
步骤6：将步骤5所得合金粉末收集。
进一步的，其中步骤1中Fe元素的含量控制是通过加入CuFe母合金的形式进行调整，且CuFe母合金中Fe和Cu的含量百分比为1-1.5:1，CuFe母合金粒径分布较窄，具有很高的实用性，且成本较低，其中Fe和Cu的重量比为1-1.5:1保证制备出合金的高硬度和耐磨耐热的性能；
进一步的，在所述步骤1配料结束后，将CuFe母合金进行预处理：将CuFe母合金在车床上进行切割，使其形状呈长条状，长50mm，厚5mm，宽10mm，方便铜铁母合金进行后续的炼熔。
进一步的，步骤4炼熔结束后，向炼熔好的熔液里加入的硅铁中铝含量为0.01wt％，硅含量为2.5wt％，可使合金显微组织更加稳定、力学性能更强，减轻铸好合金的壁厚敏感性，使铸件薄、厚截面处显微组织的差别小，硬度差别也小，有利于共晶团生核，使共晶团数增多；还可增加合金的流动性，减少残留应力。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
第一，本发明通过将CuFe合金制备成球型粉末，使CuFe合金粉末气体含量低、粉末中Fe相均匀分布于Cu颗粒集体中，采用该CuFe合金粉末可以制备出性能更佳的含铜铁成分的刹车片。
第二，本发明通过在熔炼步骤结束后向炼熔好的熔液里加入硅铁，可使合金显微组织更加稳定、力学性能更强，减轻铸好合金的壁厚敏感性，使铸件薄、厚截面处显微组织的差别小，硬度差别也小，有利于共晶团生核，使共晶团数增多；还可增加合金的流动性，减少残留应力，使CuFe合金的材料性能更加适合制备成刹车片。
第三，本发明在雾化喷射前向漏包中加入稀土和镁元素，并使稀土和镁元素位于漏包底部，再注入步骤4中CuFe合金的熔液，待熔液表面有长而有力的火苗蹿出后，再经过漏嘴喷射，稀土和镁元素可对铜铁合金的熔液进行净化，去除硫元素等杂质，如单独采用镁元素，则会产生镁元素残余，通过镁元素和稀土的配合，提高雾化时铜铁合金球型粉末的圆整性，减少晶体偏析程度，提高伸长率和抗拉强度。
具体实施方式
实施例一：
一种刹车片用CuFe合金粉末的制备方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1：配料
按百分含量计，调整CuFe合金粉末中Fe元素的含量，使Fe元素的百分含量为整个CuFe合金粉末的5％，得到配好的合金料；
步骤2：装炉
将步骤1中配好的合金料装入真空感应炼熔炉内的坩埚内,合上炉盖，关闭放气阀，清理观察窗；
步骤3：抽真空
开启机械泵，打开低真空挡板阀抽真空，待炉内真空压力р＝0.08MPa时，开启罗茨泵；
步骤4：熔炼
熔炼选用的坩埚为不含碳的坩埚；熔炼时，当真空度抽到р＝4Pa时，加热升温，功率升至20KW，保温5min，功率升至40KW，保温5min，加热功率升至60KW，保持5min，待坩埚内原料上下达到均匀后，降功率至18KW，打开充氩气阀，缓慢向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至0.08Mpa时，关闭充氩阀，升功率至65KW，精炼1min，然后使熔液的的温度保持在1500℃，缓慢向熔液里加入80wt％且与合金粉体积比为0.5:1的硅铁，且硅铁中铝含量为0.01wt％，硅含量为2.5wt％，加入的同时对熔液进行搅拌，搅拌5min后取样检测，如熔液未见残渣，继续加入剩余的硅铁，继续搅拌5min，完成炼熔，如取样时熔液出现残渣，停止加入硅铁，并继续搅拌5min，完成炼熔；
步骤5：将熔化的合金液倒入漏包中，向漏包中加入4wt％的稀土和7wt％的镁元素，并使稀土和镁元素处于漏包底部一侧设置的凹槽内，再在稀土和镁元素上附着一层铁屑，并将铁屑压紧，再注入步骤4中CuFe合金的熔液，进行搅拌，搅拌3min，待熔液表面有长而有力的火苗蹿出后，经过压缩气体将压力控制在0.5MPa时使合金液经过漏嘴进行喷射，喷射流速控制4L/min，合金液被分散成细小液滴，在降落的过程中冷却凝固，得到合金粉末；
步骤6：将步骤5所得合金粉末收集；
其中步骤1中Fe元素的含量控制是通过加入CuFe母合金的形式进行调整，且CuFe母合金中Fe和Cu的含量百分比为1:1；
在所述步骤1配料结束后，将CuFe母合金进行预处理，将CuFe母合金在车床上进行切割，使其形状呈长条状，长50mm，厚5mm，宽10mm。
测得制备好的CuFe合金的球形粉末制成的刹车片的性能如表1所示：
表1：CuFe合金的球形粉末制成的刹车片的性能表
Figure BDA0002735498950000061
实施例二：
一种刹车片用CuFe合金粉末的制备方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1：配料
按百分含量计，调整CuFe合金粉末中Fe元素的含量，使Fe元素的百分含量为整个CuFe合金粉末的15％，得到配好的合金料；
步骤2：装炉
将步骤1配好的合金料装入真空感应炼熔炉内的坩埚内,合上炉盖，关闭放气阀，清理观察窗；
步骤3：抽真空
开启机械泵，打开低真空挡板阀抽真空，待炉内真空压力р＝0.05MPa时，开启罗茨泵；
步骤4：熔炼
熔炼选用的坩埚为不含碳的坩埚；熔炼时，当真空度抽到р＝3Pa时，加热升温，功率升至25KW，保温8min，功率升至45KW，保温8min，加热功率升至65KW，保持8min，待坩埚内原料上下达到均匀后，降功率至15KW，打开充氩气阀，缓慢向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至0.08Mpa时，关闭充氩阀，升功率至70KW，精炼1.5min，然后使熔液的的温度保持在1500℃，缓慢向熔液里加入80wt％且与合金粉体积比为0.5:1的硅铁，加入的同时对熔液进行搅拌，搅拌5min后取样检测，如熔液未见残渣，继续加入剩余的硅铁，继续搅拌5min，完成炼熔，如取样时熔液出现残渣，停止加入硅铁，并继续搅拌5min，完成炼熔；
步骤5：将熔化的合金液倒入漏包中，向漏包中加入4wt％的稀土和7wt％的镁元素，并使稀土和镁元素处于漏包底部一侧设置的凹槽内，再在稀土和镁元素上附着一层铁屑，并将铁屑压紧，再注入步骤4中CuFe合金的熔液，进行搅拌，搅拌3min，待熔液表面有长而有力的火苗蹿出后，经过压缩气体将压力控制在5MPa时使合金液经过漏嘴进行喷射，喷射流速控制10L/min，合金液被分散成细小液滴，在降落的过程中冷却凝固，得到合金粉末；
步骤6：将步骤5所得合金粉末收集；
其中步骤1中Fe元素的含量控制是通过加入CuFe母合金的形式进行调整，且CuFe母合金中Fe和Cu的含量百分比为1.2:1；
在所述步骤1配料结束后，将CuFe母合金进行预处理，将CuFe母合金在车床上进行切割，使其形状呈长条状，长50mm，厚5mm，宽10mm。
测得制备好的CuFe合金的球形粉末制成的刹车片的性能如表2所示：
表2：CuFe合金的球形粉末制成的刹车片的性能表
Figure BDA0002735498950000071
Figure BDA0002735498950000081
本实施例二相比于实施例一，通过表2与表1数据的比对，本实施例二制备的CuFe合金刹车片的各项性能均得到一定程度的提高。
实施例三：
一种刹车片用CuFe合金粉末的制备方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1：配料
按百分含量计，调整CuFe合金粉末中Fe元素的含量，使Fe元素的百分含量为整个CuFe合金粉末的30％，得到配好的合金料；
步骤2：装炉
将步骤1中配好的合金料装入真空感应炼熔炉内的坩埚内,合上炉盖，关闭放气阀，清理观察窗；
步骤3：抽真空
开启机械泵，打开低真空挡板阀抽真空，待炉内真空压力р＝0.01MPa时，开启罗茨泵；
步骤4：熔炼
熔炼选用的坩埚为不含碳的坩埚；熔炼时，当真空度抽到р＝1Pa时，加热升温，功率升至30KW，保温10min，功率升至50KW，保温10min，加热功率升至70KW，保持10min，待坩埚内原料上下达到均匀后，降功率至5KW，打开充氩气阀，缓慢向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至0.08Mpa时，关闭充氩阀，升功率至75KW，精炼2min，然后使熔液的的温度保持在1500℃，缓慢向熔液里加入80wt％且与合金粉体积比为0.5:1的硅铁，加入的同时对熔液进行搅拌，搅拌5min后取样检测，如熔液未见残渣，继续加入剩余的硅铁，继续搅拌5min，完成炼熔，如取样时熔液出现残渣，停止加入硅铁，并继续搅拌5min，完成炼熔；
步骤5：将熔化的合金液倒入漏包中，向漏包中加入4wt％的稀土和7wt％的镁元素，并使稀土和镁元素处于漏包底部一侧设置的凹槽内，再在稀土和镁元素上附着一层铁屑，并将铁屑压紧，再注入步骤4中CuFe合金的熔液，进行搅拌，搅拌3min，待熔液表面有长而有力的火苗蹿出后，经过压缩气体将压力控制在10MPa时使合金液经过漏嘴进行喷射，喷射流速控制20L/min，合金液被分散成细小液滴，在降落的过程中冷却凝固，得到合金粉末；
步骤6：将步骤5所得合金粉末收集；
其中步骤1中Fe元素的含量控制是通过加入CuFe母合金的形式进行调整，且CuFe母合金中Fe和Cu的含量百分比为1.5:1；
在所述步骤1配料结束后，将CuFe母合金进行预处理，将CuFe母合金在车床上进行切割，使其形状呈长条状，长50mm，厚5mm，宽10mm。
测得制备好的CuFe合金的球形粉末制成的刹车片的性能如表3所示：
表3：CuFe合金的球形粉末制成的刹车片的性能表
Figure BDA0002735498950000091
实施例四：
所述实施例四与所述实施例一不同之处仅在于：
步骤5：将熔化的合金液倒入漏包中，合金液通过漏嘴流出的过程中，经过压缩气体将压力控制在10MPa时进行喷射，喷射流速控制20L/min，合金液被分散成细小液滴，在降落的过程中冷却凝固。
测得制备好的CuFe合金的球形粉末制成的刹车片的性能如表4所示：
表4：CuFe合金的球形粉末制成的刹车片的性能表
Figure BDA0002735498950000101
通过实施例一、实施例三和实施例四的对比，通过表1、表3和表4数据比对可知，实施例三的配比制备方式制备出的刹车片性能更佳。
实施例五：
所述实施例五与所述实施例三不同之处仅在于：
步骤1中Fe元素以CuFe母合金的形式加入，且CuFe母合金中Fe和Cu的含量百分比为1:1。
测得制备好的CuFe合金的球形粉末制成的刹车片的性能如表5所示：
表5：CuFe合金的球形粉末制成的刹车片的性能表
Figure BDA0002735498950000102
通过观察实施例五的表5数据以及与表1-4数据进行一一对比，可清楚的看到，所述实施例五的方法所制备的CuFe合金粉末制备刹车片的综合性能是实施例一至五中最优的。

Claims (1)

1.一种刹车片用CuFe合金粉末的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤1：配料
按百分含量计，调整CuFe合金粉末中Fe元素的含量，使Fe元素的百分含量为整个CuFe合金粉末的5%-30%，得到配好的合金料；
步骤2：装炉
将步骤1中配好的合金料装入真空感应炼熔炉内的坩埚内，合上炉盖，关闭放气阀，清理观察窗；
步骤3：抽真空
开启机械泵，打开低真空挡板阀抽真空，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；
步骤4：熔炼
熔炼选用的坩埚必须为不含碳的坩埚；熔炼时，当真空度抽到р≤4Pa时，加热升温，功率升至20KW-30KW，保温5min-10min，功率升至40KW-50KW，保温5min-10min，加热功率升至60KW-70KW，保持5min-10min，待坩埚内原料上下达到均匀后，降功率至20KW以下，打开充氩气阀，向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至0.08Mpa时，关闭充氩阀，升功率至70KW±5KW，精炼1min-2min，然后使熔液的温度保持在1500℃，缓慢向熔液里加入80wt%且与合金粉体积比为0.5:1的硅铁，加入的同时对熔液进行搅拌，搅拌5min后取样检测，如熔液未见残渣，继续加入剩余的硅铁，继续搅拌3-5min，完成炼熔，如取样时熔液出现残渣，停止加入硅铁，并继续搅拌3-5min，完成炼熔，保持温度在1500℃是为了保证后续雾化时，熔液可持续喷出，间歇的加入硅铁是为了防止炼熔时熔液各处材料分布不均，导致后续制备出的合金粉末性能不均；
步骤5：将熔化的合金液倒入漏包中，向漏包中加入4 wt%的稀土和7 wt %的镁元素，并使稀土和镁元素处于漏包底部一侧设置的凹槽内，再在稀土和镁元素上附着一层铁屑，并将铁屑压紧，再注入步骤4中CuFe合金的熔液，进行搅拌，搅拌3min，待熔液表面有火苗蹿出后，经过压缩气体将压力控制在0.5~10MPa时使合金液经过漏嘴进行喷射，喷射流速控制4-20L/min，合金液被分散成细小液滴，在降落的过程中冷却凝固，稀土和镁元素可对铜铁合金的熔液进行净化，去除硫元素等杂质，如单独采用镁元素，则会产生镁元素残余，通过镁元素和稀土的配合，提高雾化时铜铁合金球型粉末的圆整性，减少晶体偏析程度，提高伸长率和抗拉强度，得到合金粉末；
步骤6：将步骤5所得合金粉末收集；
其中步骤1中Fe元素的含量控制是通过加入CuFe母合金的形式进行调整，且CuFe母合金中Fe和Cu的含重量比为1-1.5:1；
在所述步骤1配料结束后，将CuFe母合金进行预处理：将CuFe母合金在车床上进行切割，使其形状呈长条状，长50mm，厚5mm，宽10mm；
步骤4硅铁中铝含量为0.01wt %，硅含量为2.5 wt%。
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