CN112981171B - 一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料及制备方法 - Google Patents

一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料及制备方法，该材料主要包含Cu、Fe、Cr‑Fe、MoS2、Sn、焦炭和鳞片石墨。其中各成分质量百分比如下：Cu（余量）、Fe（12~16%）、Cr‑Fe（12~16%）、MoS2（2~4%）、Sn（1~4%）、焦炭（1~9%）和鳞片石墨（1~9%）。焦炭和鳞片石墨的总量不高于9%，二者以适当的比例加入。原料粉末经混料、冷压、烧结三步形成摩擦材料。本发明提供的含混合石墨的铜基摩擦材料在高速制动条件下具有摩擦系数高，摩擦性能稳定的特点。由于材料中含有焦炭，在保证了强度和摩擦系数的同时，缓解了制动过程中的摩擦振动现象，从而提高了铜基摩擦材料的摩擦磨损性能及其稳定性，尤其适用于高速列车制动闸片。

Description

一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料及制备方法
技术领域
本发明属于摩擦材料制造技术领域，特别涉及一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料及制备方法，尤其是用于制造高速列车的制动闸片材料。
背景技术
目前高速列车中使用最广泛的制动材料为铜基粉末冶金摩擦材料，这类材料大多以铜为基体，含有铁、二氧化硅、铬铁合金等硬质颗粒组成的增磨相，以及石墨、二硫化钼等固体润滑颗粒组成的润滑相。基体主导着材料的强度、韧性和导热性等整体性能。增磨相铁、二氧化硅、铬铁合金等硬质颗粒起到增磨作用。增磨相具有很高的硬度和强度，能够增加摩擦系数，同时防止基体流失从而提高耐磨性。而石墨等润滑相，起到润滑作用，可调整摩擦系数，提高摩擦材料的工作稳定性和耐磨性，也有利于降低对偶材料的磨损，并使摩擦副工作平稳。随着列车速度及制定负荷的不断增加，制动材料工作过程表面平均温度达到500℃以上，瞬时温度接近1000℃以上，对铜基粉末冶金材料的摩擦磨损性能提出了更高的要求。然而，现有铜基摩擦材料在这种服役条件下易于出现摩擦系数不稳定，磨损量大等问题。因此，亟需开发新的摩擦材料，弥补现有摩擦材料的不足。
在铜基粉末冶金摩擦材料方面，已有一些相关专利报道。
如中国专利申请号200610134187.X（一种铜基粒子强化摩擦材料）描述的铜基粉末冶金摩擦材料，其配方为Cu（30~70%）、Fe（5~18%）、Cr-Fe（0~15%）、SiO2（2~15%）、Al2O3（2~15%）、Sn（4~11%）、Al(1~15%)和鳞片石墨（5~20%）。其摩擦材料的摩擦系数为0.35~0.49，磨损量0.41~0.65cm3/MJ。
如中国专利申请号201710085015.6（铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法）描述的铜基粉末冶金摩擦材料，其配方为Sn（6~8%）、Fe（3~6%）、Ni（4~7%）、SiO2（4~7%）、石墨粉（5~6%）、纳米SiC（0.5~4%）、Cu（余量）。其摩擦材料的摩擦系数为0.28~0.47。
中国专利申请号201710907845.2公布了一种利用3D打印装置制备摩擦材料的方法，对比文件中公开了：Cu：40~60%、Fe：5~30%、Sn：1~15%、Cr：0~10%、Cr-Fe：0~8%、SiO2：5~10%、Al2O3：3~15%，MoS2：0~6%、石墨：5~12%。但是，在摩擦材料中只采用石墨组元只为单一石墨。
中国专利公开号CN105014956A公布了一种适于复合材料硬胶接结构的闭角内增压工艺，该专利中使用了人造石墨和鳞片石墨的混合物加入树脂基摩擦材料中，可降低材料的热衰退，但是对比文件提及的材料基本为有机物，大多用于制动能量较低的汽车等运输工具的制动，制动能量和制动时材料的瞬时温度均较低。而铜基摩擦材料多用于高速列车，制动能量大、瞬时温度高，可达500℃以上。而且，此专利涉及的材料中，由鳞片状石墨和人造石墨组成的润滑剂含量为11~15%。
比较这些专利可知，当前铜基粉末冶金摩擦材料中只应用鳞片石墨，在较低速度下(小于300km/h~350km/h)摩擦材料的摩擦系数在低速阶段较高，但在更高的制动速度(大于350km/h)和制动能量情况下，现有铜基摩擦材料存在摩擦系数不稳定，磨损量大的问题，难以满足列车在高速状态下的制动要求。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料，这种摩擦材料同时含有鳞片石墨和焦炭，这两种物质都具有成本低、耐高温、导热和自润滑等性能，同时焦炭还具有一定的硬度，可提高摩擦材料的摩擦系数和耐磨性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料，其是由以下原料烧结而成，各原料成分按质量百分比如下：Cu（余量）、Fe（12~16%）、Cr-Fe（12~16%）、MoS2（2~4%）、Sn（1~4%）、焦炭（1~9%）和鳞片石墨（1~9%）。
原料成分配方中焦炭和鳞片石墨的质量百分数总和不大于9%，二者以适当的比例加入。
所述原料均为粉末，铜粉为200目电解铜粉；铁粉为200目还原铁粉；二硫化钼粉末为200目；高纯铬铁合金粉末和锡粉均为100目；鳞片石墨粉为80目；焦炭粉为机械破碎后形成的粉末，低于80目。
焦炭和鳞片石墨的质量百分数总和为9%，焦炭和鳞片状石墨含量的最优比例为7：2，即摩擦材料中按重量比含有焦炭7%，鳞片状石墨2%。
一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）混料：首先Cu、Fe、Cr-Fe、MoS2和Sn放入V型混料机中混料2~4h，然后加入石墨混料2~4h；
（2）冷压：采用立式液压机，压强为400~600MPa，保压时间为10~30s；
（3）烧结：采用管式炉或热压烧结机，烧结温度为900~950℃，在真空或氩气气氛下烧结，保温1~2h。
步骤（1）中V型混料机的转速为4~6r/min。
步骤（2）中立式液压机工作时的下压速率为15~30mm/min。
步骤（3）中烧结过程的温度曲线设置为：10~60min从室温到800℃，保温10-60min，10-60min从800℃升温到900~950℃，试样保温1~2h，然后随炉冷却。
采用上述技术方案，本发明所使用的焦炭是由煤在约1000℃的高温条件下经干馏而获得。主要成分为固定碳，其次为灰分，所含挥发分和硫分均甚少，呈银灰色，具金属光泽，质硬而多孔。焦炭具有气孔率较高、硬度低、成本低等特点，且能减少制动噪音，已广泛应用于各种摩擦材料中，添加适量焦炭的摩擦材料，能增大材料气孔率从而缓解制动过程中的振动现象，改善摩擦材料的摩擦磨损性能。焦炭主要用于高炉冶炼过程的铁矿石还原，即充当了还原剂和热量来源。焦炭又可用于肥料工业，利用焦炭与水蒸气、空气作用，制成半水煤气，然后再使氢与空气中的氮结合生成氨。焦炭还是生产乙炔、氰氨基钙、二硫化碳和电极等反应剂，也是城市煤气工业的重要原料。
天然鳞片石墨，晶体发育较为完善，石墨化程度更在98%以上，而天然微晶石墨的石墨化程度通常在93%以下。鳞片石墨矿石中，石墨晶体直径大于1μm，呈鳞片状；矿石品位较低，但可选性好；与石墨伴生的矿物常有云母、长石、石英、透闪石、透辉石、石榴子石和少量黄铁矿、方解石等，有的还伴生有金红石及钒等有用组分；矿石呈鳞片状、花岗鳞片或粒状变晶结构，片状、片麻状或块状构造。天然鳞片石墨：是一种单晶，组织结构较简单，仅存在结晶学上的缺陷（如点缺陷、位错、层错等），宏观上表现出各向异性的特征。天然微晶石墨的晶粒较小，晶粒之间杂乱排列且存在杂质脱除后的孔洞，宏观上表现出各向同性。天然石墨：通常以粉体形态存在，可单独使用，但通常与其它材料复合后使用。鳞片石墨根据固定碳含量分为高纯石墨、高碳石墨、中碳石墨及低碳石墨。高纯石墨(固定碳含量大于或等于99.9%)主要用于柔性石墨密封材料，核石墨，代替白金坩埚用于化学试剂熔融及润滑剂基料等；高碳石墨(固定碳含量94.0%～99.9%)主要用于耐火材料、润滑剂基料、电刷原料、电碳制品、电池原料、铅笔原料、填充料及涂料等；中碳石墨(固定碳含量80%～94%)主要用于坩埚、耐火材料、铸造材料、铸造涂料、铅笔原料、电池原料及染料等；低碳石墨(固定碳含量50.0%～80.0%)主要用于铸造涂料。石墨具有的较好的润滑性和一定的可塑性，天然鳞片石墨的晶体发育较完善，摩擦系数较小，润滑性最好。
本发明所述的含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料相较于同类材料具有高速制动条件下摩擦系数高，磨损率低的优点，如图1和图2所示。性能上，焦炭本身硬度低、气孔率高的特点能够缓解材料在制动过程中的振动现象，从而降低磨损量；低温摩擦时，片状结构的鳞片石墨其晶体发育完善，润滑效果较人工石墨好，高温摩擦时，焦炭本身是一种多相材料，制动时在高温下有机物氧化分解会产生残留物质与石墨结合形成结构稳定的润滑膜，因此无论高温低温，两类石墨配合使用能够显著降低材料的磨损量；另外，摩擦材料配方中不含锌、铅等对环境有害的金属，符合环保要求。
综上所述，本发明所述摩擦材料在制动过程中具有良好的摩擦系数、耐磨性和工作稳定性，同时具有强度高、硬度大、摩擦振动和摩擦噪音小特点，更适合于制造高速列车制动闸片。
附图说明
图1是不同焦炭和鳞片石墨含量铜基摩擦材料在高速制动条件下的平均摩擦系数（注：对磨盘7000r/min的转速相当于高速列车时速380km/h）。
图2是不同焦炭和鳞片石墨含量铜基摩擦材料在高速制动条件下的磨损量比较。
图3是不同焦炭和鳞片石墨含量铜基摩擦材料在制动过程中的瞬时摩擦系数(7000r/min)。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明进一度说明：
实施例1：
一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料，各成分按质量百分比如下：Cu（57%）、Fe（16%）、Cr-Fe（12%）、MoS2（2%）、Sn（4%）、焦炭（0%）和鳞片石墨（9%）。其中，铜粉为200目电解铜粉；铁粉为200目还原铁粉；二硫化钼粉末为200目；高纯铬铁合金粉末和锡粉均为100目；所述鳞片石墨粉为80目；所述焦炭粉为机械破碎后形成的粉末，低于80目。
由上述材料制造摩擦材料，首先将Cu、Fe、Cr-Fe、MoS2、Sn放入V型混料机混料4h，然后加入焦炭和鳞片石墨混料2h。将混合粉末放入模具中，采用400MPa压力冷压，制成毛坯。将冷压制毛坯放入真空热压烧结炉中，抽真空，通氩气，采用930℃烧结并保温2h。随炉冷却至100℃之下后，取出摩擦材料。
制得的摩擦材料其密度为5.37g/cm3、硬度为22.1HBW。采用西安顺通MM3000型摩擦磨损试验机分别用3000r/min、4000r/min、5000r/min、6000r/min、和7000r/min转速下进行刹车实验，测得其摩擦系数分别为0.374、0.381、0.365、0.365和0.382，磨损量分别为176mg、271mg、376mg、708mg和1462mg。
实施例2：
一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料，各成分按质量百分比如下：Cu（57%）、Fe（16%）、Cr-Fe（12%）、MoS2（2%）、Sn（4%）、焦炭（2%）和鳞片石墨（7%）。其中，铜粉为200目电解铜粉；铁粉为200目还原铁粉；二硫化钼粉末为200目；高纯铬铁合金粉末和锡粉均为100目；所述鳞片石墨粉为80目；所述焦炭粉为机械破碎后形成的粉末，低于80目。
由上述材料制造摩擦材料，首先将Cu、Fe、Cr-Fe、MoS2、Sn放入V型混料机混料4h，然后加入焦炭和鳞片石墨混料2h。将混合粉末放入模具中，采用400MPa压力冷压，制成毛坯。将冷压制毛坯放入真空热压烧结炉中，抽真空，通氩气，采用930℃烧结并保温2h。随炉冷却至100℃之下后，取出摩擦材料。
制得的摩擦材料其密度为5.37g/cm3、硬度为22.1HBW。采用西安顺通MM3000型摩擦磨损试验机分别用3000r/min、4000r/min、5000r/min、6000r/min、和7000r/min转速下进行刹车实验，测得其摩擦系数分别为0.382、0.385、0.399、0.427和0.446，磨损量分别为174mg、175mg、336mg、815mg和1622mg。高速时的平均摩擦系数、瞬时摩擦系数和磨损量与只含有鳞片石墨的铜基摩擦材料相当，如图1-3所示。
实施例3：
一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料，各成分按质量百分比如下：Cu（58%）、Fe（12%）、Cr-Fe（16%）、MoS2（4%）、Sn（1%）、焦炭（4.5%）和鳞片石墨（4.5%）。其中，铜粉为200目电解铜粉；铁粉为200目还原铁粉；二硫化钼粉末为200目；高纯铬铁合金粉末和锡粉均为100目；鳞片石墨粉为80目；焦炭粉为机械破碎后形成的粉末，低于80目。
由上述材料制造摩擦材料，首先将Cu、Fe、Cr-Fe、MoS2、Sn放入V型混料机混料4h，然后加入焦炭和鳞片石墨混料2h。将混合粉末放入模具中，采用400MPa压力冷压，制成毛坯。将冷压制毛坯放入真空热压烧结炉中，抽真空，通氩气，采用950℃烧结并保温2h。随炉冷却至100℃之下后，取出摩擦材料。
制得的摩擦材料其密度为4.88g/cm3、硬度为14.3HBW。采用西安顺通MM3000型摩擦磨损试验机分别用3000r/min、4000r/min、5000r/min、6000r/min、和7000r/min转速下进行刹车实验，测得其摩擦系数分别为0.392、0.393、0.415、0.435和0.445，磨损量分别为183mg、250mg、269mg、520mg和1357mg。高速时的平均摩擦系数、瞬时摩擦系数和磨损量均优于只含有鳞片石墨的铜基摩擦材料，如图1-3所示。
实施例4：
一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料，各成分按质量百分比如下：Cu（58%）、Fe（14%）、Cr-Fe（14%）、MoS2（2%）、Sn（3%）、焦炭（7%）和鳞片石墨（2%）。其中，铜粉为200目电解铜粉；铁粉为200目还原铁粉；二硫化钼粉末为200目；高纯铬铁合金粉末和锡粉均为100目；鳞片石墨粉为80目；焦炭粉为机械破碎后形成的粉末，低于80目。
由上述材料制造摩擦材料，首先将Cu、Fe、Cr-Fe、MoS2、Sn放入V型混料机混料4h，然后加入焦炭和鳞片石墨混料2h。将混合粉末放入模具中，采用400MPa压力冷压，制成毛坯。将冷压制毛坯放入真空热压烧结炉中，抽真空，通氩气，采用950℃烧结并保温1h。随炉冷却至100℃之下后，取出摩擦材料。
制得的摩擦材料其密度为5.27g/cm3、硬度为19.1HBW。采用西安顺通MM3000型摩擦磨损试验机分别用3000r/min、4000r/min、5000r/min、6000r/min、和7000r/min转速下进行刹车实验，测得其平均摩擦系数分别为0.403、0.416、0.420、0.437和0.454，磨损量分别为160mg、195mg、285mg、564mg和965mg。高速时的平均摩擦系数、瞬时摩擦系数和磨损量均优于只含有鳞片石墨的铜基摩擦材料，如图1-3所示。
实施例5：
一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料，各成分按质量百分比如下：Cu（58%）、Fe（14%）、Cr-Fe（14%）、MoS2（2%）、Sn（3%）、焦炭（9%）和鳞片石墨（0%）。其中，铜粉为200目电解铜粉；铁粉为200目还原铁粉；二硫化钼粉末为200目；高纯铬铁合金粉末和锡粉均为100目；焦炭粉为机械破碎后形成的粉末，低于80目。
由上述材料制造摩擦材料，首先将Cu、Fe、Cr-Fe、MoS2、Sn放入V型混料机混料4h，然后加入焦炭和鳞片石墨混料2h。将混合粉末放入模具中，采用400MPa压力冷压，制成毛坯。将冷压制毛坯放入真空热压烧结炉中，抽真空，通氩气，采用950℃烧结并保温1h。随炉冷却至100℃之下后，取出摩擦材料。
制得的摩擦材料其密度为5.27g/cm3、硬度为19.1HBW。采用西安顺通MM3000型摩擦磨损试验机分别用3000r/min、4000r/min、5000r/min、6000r/min、和7000r/min转速下进行刹车实验，测得其平均摩擦系数分别为0.398、0.397、0.405、0.412和0.427，磨损量分别为242mg、208mg、251mg、484mg和964mg。高速时的平均摩擦系数、瞬时摩擦系数和磨损量均优于只含有鳞片石墨的铜基摩擦材料，如图1-3所示。
以上实施例说明了本发明的基本原理和特点，但上述仅仅说明了本发明的较优实施例，并不受所述实施例的限制。本领域的普通技术人员在本专利的启发下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式变形和改进，这些均属于本发明的保护范围之内。因此，本发明专利和保护范围应以所附权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：其是由以下原料烧结而成，各原料成分按质量百分比如下：Cu：余量、Fe：12~16%、Cr-Fe：12~16%、MoS2：2~4%、Sn：1~4%、焦炭：7%和鳞片石墨2%；
所述原料均为粉末，铜粉为200目电解铜粉；铁粉为200目还原铁粉；二硫化钼粉末为200目；高纯铬铁合金粉末和锡粉均为100目；鳞片石墨粉为80目；焦炭粉为机械破碎后形成的粉末，低于80目；
一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）混料：首先Cu、Fe、Cr-Fe、MoS2和Sn放入V型混料机中混料2~4h，然后加入石墨混料2~4h；
（2）冷压：采用立式液压机，压强为400~600MPa，保压时间为10~30s；
（3）烧结：采用管式炉或热压烧结机，烧结温度为900~950℃，在真空或氩气气氛下烧结，保温1~2h。
2.根据权利要求1所述的一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）混料：首先Cu、Fe、Cr-Fe、MoS2和Sn放入V型混料机中混料2~4h，然后加入石墨混料2~4h；
（2）冷压：采用立式液压机，压强为400~600MPa，保压时间为10~30s；
（3）烧结：采用管式炉或热压烧结机，烧结温度为900~950℃，在真空或氩气气氛下烧结，保温1~2h。
3.根据权利要求2所述的一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中V型混料机的转速为4~6r/min。
4.根据权利要求2所述的一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料及制备方法，其特征在于：步骤（2）中立式液压机工作时的下压速率为15~30mm/min。
5.根据权利要求2所述的一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料及制备方法，其特征在于：步骤（3）中烧结过程的温度曲线设置为：10~60min从室温到800℃，保温10-60min，10-60min从800℃升温到900~950℃，试样保温1~2h，然后随炉冷却。
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