CN113153927B - 一种航空高功率密度湿式离合器用粉末冶金摩擦片材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空高功率密度湿式离合器用粉末冶金摩擦材料，该摩擦材料采用体积百分数计量的组分为：铜35～55％、锡1～5％、二氧化硅4～6％、二氧化锆4～6％，鳞片石墨20～35％、颗粒石墨5～15％，二硫化钼1～2％。本发明具有独特的体积百分比控制成分配比，材料组分简单，采用颗粒石墨和鳞片石墨的组合石墨体系，对粉末粒度分布范围进行可控设计，采用体积百分比大于50％非金属组元的摩擦材料，通过配料、混料、压制和烧结等工艺，制得低密度粉末冶金摩擦材料，具有良好的高功率密度脱接排服役能力，满足航空高功率密度湿式离合器的脱接排功能。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金摩擦材料技术领域，尤其涉及一种先进直升机变速传动系统高功率密度摩擦离合器用粉末冶金摩擦材料。
背景技术
航空摩擦离合器是实现变速传动系统两档转速平稳切换的执行机构，具有功率密度高(≥2KW/Kg)、体积小、效率高等特点，近年来受到了广泛的应用，尤其在先进直升机等特殊应用领域。由于高功率密度对同种结构低重量的要求，也导致了该种类离合器产生的热量较高。离合器的性能受到温度的影响，其中最为显著的影响在于对离合器摩擦片材料综合摩擦磨损性能的影响。要确保高功率密度离合器的有效可靠运行，就必须保证离合器具有足够的能量吸收和散热能力，在离合器结构确定的条件下，难点在于离合器摩擦片的材料设计。
目前，应用于离合器的摩擦材料主要有树脂基材料和粉末冶金摩擦材料。树脂基摩擦材料采用树脂和橡胶作为基体，添加金属和非金属的摩擦组元及润滑组元，采用热压工艺制备而成，具有工艺简单，但耐温性和抗热衰退能力较差，主要应用在低功率密度如汽车离合器中。粉末冶金摩擦材料是以金属及其合金粉末为基体，添加合适的润滑组元和摩擦组元，采用粉末冶金工艺制成，具有导热性好，耐热性好，抗热衰性能强，使用寿命长，摩擦性能稳定等特点。由于离合器工作时，频繁的脱接排导致离合器摩擦副表面温度高、散热的润滑油传导热量多，粉末冶金摩擦材料将被推广应用于离合器中。
中国专利文献CN 112123646 A公开一种低磨损碳纤维汽车离合器摩擦片生产用硫化方法，包括以下步骤：混合原料制备、投料合模、加压热硫化、排压取件、胚料后处理和半成品检验；其重量份比为碳纤维20份、无机类陶瓷纤维材料15份、六钛酸钾晶须15份、芳纶纤维10份、树脂粘接剂8份、纤维类增强剂5份、工艺调节剂5份、摩擦调节剂3份、石墨颗粒8份、氮化硼4份和竹炭纤维6份。该材料为汽车离合器用树脂基摩擦材料，组元配比采用重量百分比。
中国专利文献CN 112010584 A一种高强度耐磨损复合纤维汽车离合器摩擦片，包括以下重量份原料：玻璃纤维35～45份、碳纤维30～40份、碳化硅10～15份、石墨粉15～20份、蓝晶石粉末5～10份、六钛酸钾晶须10～15份、芳纶纤维10～15份、环氧树脂胶粘剂10～16份、纤维类增强剂5～10份、工艺调节剂5～10份、摩擦调节剂5～10份、氮化硼3～5份、竹炭纤维10～20份；该材料也是一种树脂基汽车离合器摩擦材料，组元多，也采用重量百分比。
中国专利文献CN112176216A公开了一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法。该铜基粉末冶金摩擦材料是由原料经过配料混合后，经过冷压后在高温热压烧结而成，原料按质量百分比计，包括铁粉8～15％；锡粉5～8％；二氧化硅4～7％；碳化硅2～3％；石墨粉12～16％；二硫化钼粉3～6％；余量为铜粉。该摩擦材料具有高强度、好的耐热性及耐磨性，采用的石墨粉，未采用颗粒石墨和颗粒石墨与鳞片石墨的组合体系。计量采用质量百分比，不能直观了解各组元在摩擦表面的分布状态。
中国专利文献CN101493127公开了一种铜基粉末冶金高速闸片，该材料的各组分按照质量划分，包括铜粉50～70％、铋粉2～5％、粒状石墨5～11％、氮化硼1～4％、锡粉4～8％、铬粉1～5％、钛粉1～5％、镍粉2～6％、铁粉3～8％、氧化铝2～6％、二氧化硅3～8％、锆英石2～7％。该摩擦材料含有12种组元，组元复杂，也采用的质量百分比，未采用鳞片石墨和颗粒石墨与鳞片石墨的组合体系。
中国专利文献CN102094916A公开了一种纳米增强铜基摩擦片的制作方法，该材料的主要制备方法包括：配料，球磨混料，压型，芯板镀铜，加压烧结，油槽加工；铜基摩擦片的主要成份按质量百分比计为：Cu 60～70％、Sn 2～6％、Zn 3～8％、C 12～25％、SiO2 2～5％、纳米SiO2 0.5～1.5％。该摩擦材料相比传统方法制备的摩擦材料具有更好的摩擦磨损性能及耐热性能，但制备工艺相对复杂，采用的也是质量百分比设计。
中国专利文献CN104028763A公开一种黄铜增强湿式铜基摩擦片的制作方法。其涉及摩擦片由如下组分以及重量百分比组成：Cu 20～40％、Sn 2～8％、黄铜30～50％、C 5～10％、硅酸锆7～15％。制备工艺流程主要为：配料，混料，芯板镀铜，喷洒预烧结，压槽，复烧，精压。制备的铜基摩擦片性能优异，克服了现有摩擦片无法满足军工产品及重载机械的需求的问题，但该材料在成份配比中采用的仍是质量百分比的设计方法。
中国专利CN111097913A公开了一种高硬度内花键齿湿式铜基摩擦片的制作方法。摩擦片层的组分重量百分比为：Cu粉65～74％，Fe粉6～10％，Sn粉8～13％，Pb粉0～4％，Zn粉0～4％，石墨粉5～8％，石英粉3～6％；制备工艺流程为：配料，混料，压型，芯板加工，芯板镀铜，贴片，加压烧结，淬火处理，回火处理，校平，油槽加工，摩擦片表面精磨。摩擦材料具有强度高、可靠性强、精度高、使用寿命长等特点，提高了大型作业车辆的使用性能和运行稳定性，保证传动性能的可靠性。但此材料在组分设计配比中使用的还是质量百分比的设计及配比方法。
从上述可知，现有功率密度低于2KW/Kg的汽车离合器主要采用树脂基摩擦材料，组元复杂，配比采用重量百分比。而粉末冶金摩擦材料主要用于干式制动，或者用于对功率密度要求较低的工程机械离合器以及重型装备如坦克离合器等，配比采用重量百分比。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，一方面是提供一种先进直升机变速传动系统高功率密度摩擦离合器用粉末冶金摩擦材料，满足高功率密度条件下脱接排的各项指标，其中静摩擦系数≥0.10，动摩擦系数≥0.09；另一方面，采用高体积百分比非金属组元，提供一种材料组分简易、密度较低且组元分布直观的航空高功率密度湿式离合器用粉末冶金摩擦材料。
为解决上述技术问题，本发明所提出的技术方案为：材料的各组分按照体积百分比计量，包括铜35～55％、锡1～5％、二氧化硅4～6％、二氧化锆4～6％，鳞片石墨20～40％、颗粒石墨5～20％，二硫化钼1～2％。
作为优选方案之一；所述材料的各组分按照体积百分比计量，包括铜35～45％、锡1～2％、二氧化硅4～6％、二氧化锆4～6％，鳞片石墨20～40％、颗粒石墨5～20％，二硫化钼1～2％。
作为进一步的优选方案之一；所述材料的各组分按照体积百分比计量，包括铜40～45％、锡1～2％、二氧化硅4～5％、二氧化锆4～6％，鳞片石墨20～40％、颗粒石墨10～20％，二硫化钼1～2％。
作为更进一步的优选方案之一；所述材料的各组分按照体积百分比计量，包括铜45％、锡2％、二氧化硅5％、二氧化锆6％，鳞片石墨30％、颗粒石墨10％，二硫化钼2％。
作为更进一步的优选方案之一；所述材料的各组分按照体积百分比计量，铜40％、锡1％、二氧化硅4％、二氧化锆6％，鳞片石墨30％、颗粒石墨17％，二硫化钼2％。
在本发明中，所述材料组元由通常采用质量百分数改变为体积百分数，窄的粒度范围，精确控制体积百分比，直观的描述摩擦材料工作的表面状态。
作为优选，确定原材料窄的粒度范围，精确控制体积百分比。铜粉采用电解法制备，D80粒度为74μm；锡粉为电解粉，其D80粒度为40μm；二氧化硅为经筛选的天然硅砂，二氧化硅含量为99.80％，D80粒度为150μm，二氧化锆为粉末为煅烧粉末或电熔粉末，其D80粒度为150μm。石墨包括颗粒石墨和鳞片石墨，其粒度分别为150～600μm、74μm。二硫化钼为人工合成，纯度大于99.8％，粒度范围是1～10μm。
本发明的摩擦材料制备工艺为混料、压制成型以及加压烧结。采用三维混合机进行混料，掺入煤油，混合时间为2～4h；采用液压机将混合粉末压制成型，压制压力为400～600MPa；利用加压烧结炉在氢气保护下对压坯进行烧结，烧结温度为820～880℃，保温时间为2～3h。。
由于采用了上述的技术方案，本发明的有益效果：本发明具有独特的体积百分比控制成分配比，采用适当粒径以及适当比例的颗粒石墨和鳞片石墨的组合石墨体系，采用体积百分比大于50％非金属组元的摩擦材料，通过配料、混料、压制和烧结等工艺，制得低密度粉末冶金摩擦材料(表1)，具有良好的高功率密度脱接排服役能力，满足航空高功率密度湿式离合器的脱接排功能。
表1摩擦材料的主要物理机械性能
经优化后，所得摩擦材料的静摩擦系数为0.10～0.14，动摩擦系数0.09～0.13、剪切强度为10～30MPa、硬度为10～20(HBW/10/250/30)。
附图说明
图1为本发明实施例1所得摩擦材料的摩擦系数图；
图2为本发明实施例2所得摩擦材料的摩擦系数图；
图3为本发明实施例3所得摩擦材料的摩擦系数图；
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1：
按照如下成分和体积百分比：铜45％、锡2％、二氧化硅5％、二氧化锆6％，鳞片石墨30％、颗粒石墨10％，二硫化钼2％配料，其中，铜粉采用电解法制备，D80粒度为74μm；锡粉为电解粉，其D80粒度为40μm；二氧化硅为经筛选的天然硅砂，二氧化硅含量为99.80％，D80粒度为150μm，二氧化锆为粉末为煅烧粉末或电熔粉末，其D80粒度为150μm。石墨包括颗粒石墨和鳞片石墨，其粒度分别为150～600μm、74μm。二硫化钼为人工合成，纯度大于99.8％，粒度范围是1～10μm。掺入煤油20ml/kg，采用三维混合机进行混料，混料转速为400rpm，混合时间为3h；采用液压机将混合粉末压制成型，压制压力为450MPa；采用加压烧结炉在氢气保护下对压坯进行烧结，烧结温度为830℃，保温时间3h。
采用MM-3000摩擦试验机对本实施例的摩擦材料进行了检测试验，摩擦材料的脱接排曲线平稳，静摩擦系数为0.11，动摩擦系数0.09、剪切强度为20～30MPa、硬度为15～20(HBW/10/250/30)。试验结果表明，采用该摩擦材料满足航空高功率离合器的脱接排要求。
实施例2：
按照如下成分和体积百分比：铜40％、锡1％、二氧化硅4％、二氧化锆6％，鳞片石墨30％、颗粒石墨17％，二硫化钼2％配料，其中，铜粉采用电解法制备，D80粒度为74μm；锡粉为电解粉，其D80粒度为40μm；二氧化硅为经筛选的天然硅砂，二氧化硅含量为99.80％，D80粒度为150μm，二氧化锆为粉末为煅烧粉末或电熔粉末，其D80粒度为150μm。石墨包括颗粒石墨和鳞片石墨，其粒度分别为150～600μm、74μm。二硫化钼为人工合成，纯度大于99.8％，粒度范围是1～10μm。掺入煤油20ml/kg，采用三维混合机进行混料，混料转速为400rpm，混合时间为3h；采用液压机将混合粉末压制成型，压制压力为550MPa；采用加压烧结炉在氢气保护下对压坯进行烧结，烧结温度为860℃，保温时间3h。
采用MM-3000摩擦试验机对本实施例的摩擦材料进行了检测试验，摩擦材料的脱接排曲线平稳，静摩擦系数为0.12，动摩擦系数0.1，剪切强度为10～20MPa、硬度为10～18(HBW/10/250/30)。试验结果表明，采用该摩擦材料满足航空高功率离合器的脱接排要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应涵盖在本发明的保护范围之内。
对比例1：
按照如下成分和体积百分比：铜45％、锡2％、二氧化硅5％、二氧化锆6％，鳞片石墨30％、颗粒石墨10％，二硫化钼2％配料，其中，铜粉采用电解法制备，D80粒度为74μm；锡粉为电解粉，其D80粒度为40μm；二氧化硅为经筛选的天然硅砂，二氧化硅含量为99.80％，D80粒度为150μm，二氧化锆为粉末为煅烧粉末或电熔粉末，其D80粒度为150μm。石墨包括颗粒石墨和鳞片石墨，其粒度分别为50～100μm、100μm(与实例1比较，仅改变石墨粒度)。二硫化钼为人工合成，纯度大于99.8％，粒度范围是1～10μm。掺入煤油20ml/kg，采用三维混合机进行混料，混料转速为400rpm，混合时间为3h；采用液压机将混合粉末压制成型，压制压力为450MPa；采用加压烧结炉在氢气保护下对压坯进行烧结，烧结温度为830℃，保温时间3h。
采用MM-3000摩擦试验机对本实施例的摩擦材料进行了检测试验，摩擦材料的脱接排曲线平稳，但静摩擦系数为0.08(低于最低要求的0.10)，动摩擦系数0.07(低于最低要求的0.09)、剪切强度为10～20MPa、硬度为8～15(HBW/10/250/30)。
试验结果表明，仅改变石墨粒度，采用该摩擦材料不能满足航空高功率离合器的脱接排要求。
Claims (5)
1.一种航空高功率密度湿式离合器用粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述材料的各组分按照体积百分比计量，包括铜40～45%、锡1～2%、二氧化硅4～5%、二氧化锆4～6%，鳞片石墨20～40%、颗粒石墨10～20%，二硫化钼1～2%;
摩擦材料制备工艺为混料、压制成型以及加压烧结;采用三维混合机进行混料，掺入煤油，混合时间为2~4h；采用液压机将混合粉末压制成型，压制压力为400~600MPa；利用加压烧结炉在氢气保护下对压坯进行烧结，烧结温度为820~880℃，保温时间为2~3h;
摩擦材料制备时，所用铜粉采用电解法制备，D80粒度为74μm；锡粉为电解粉，其D80粒度为40μm；二氧化硅为经筛选的天然硅砂，二氧化硅含量为99.80%，D80粒度为150μm，二氧化锆为粉末为煅烧粉末或电熔粉末，其D80粒度为150μm；石墨包括颗粒石墨和鳞片石墨，其粒度分别为 150~600μm、74μm；二硫化钼为人工合成，纯度大于99.8 %，粒度范围是1~10μm。
2.根据权利要求1所述的航空高功率密度湿式离合器用粉末冶金摩擦材料组元，其特征在于：所述材料的各组分按照体积百分比计量，包括铜45%、锡2%、二氧化硅5%、二氧化锆6%，鳞片石墨30%、颗粒石墨10%，二硫化钼2%。
3.根据权利要求1所述的航空高功率密度湿式离合器用粉末冶金摩擦材料组元，其特征在于：铜40%、锡1%、二氧化硅4%、二氧化锆6%，鳞片石墨30%、颗粒石墨17%，二硫化钼2%。
4.根据权利要求1所述的一种航空高功率密度湿式离合器用粉末冶金摩擦材料航空高功率密度湿式离合器，其特征在于：石墨包括天然鳞片石墨和人造颗粒石墨，其组合比例为1:2~1:5。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的一种航空高功率密度湿式离合器用粉末冶金摩擦材料，其特征在于：非金属组元在摩擦材料中的体积比≥50%，材料密度小于5.0g/cm3。
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