CN1149273C - 含钢纤维的金属陶瓷摩擦材料及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含钢纤维的金属陶瓷摩擦材料，该材料包含铜粉和锡粉、短切钢纤维、铁粉、无机氧化物或矿物以及石墨。其制造方法是首先将各组份材料按比例加入混合器进行混合至均匀，然后在室温及一定压力下，将混好的粉料压成毛坯，脱模后在烧结炉中烧结，随炉冷却，即为本发明的材料。按照本发明配方和方法制得的金属陶瓷摩擦材料，比无钢纤维的同类摩擦材料具有更好的耐磨性、更合理和稳定的摩擦系数、对偶磨损亦很小。
Description
本发明涉及一种含钢纤维的金属陶瓷摩擦材料及制造方法，属摩擦材料技术领域。
摩擦材料是一种用于机械制动、控速及传能的多组分复合材料，广泛用于汽车、摩托车、拖拉机、坦克、火车、船舶、飞机等运输工具及机床、石油钻机等机械中。汽车上主要用做离合器和制动器面片，早期普遍使用石棉树脂材料。近因石棉的致癌作用而逐渐被淘汰；现今世界范围内普通车辆中大量使用的是半金属摩擦材料，这是一种以树脂为基体加入钢纤维、铜纤维、碳纤维、玻璃纤维、有机合成纤维等纤维为增强剂，铁粉、铜粉、石墨粉、二硫化钼、各种矿物粉等为摩擦性能调节剂，通过模压成型的复合材料。但由于树脂的耐热性较差，故一般不适合重载运输工具如重载汽车、坦克、火车、飞机等。这些运输工具多使用铸铁、铁基或铜基的烧结复合材料(或称金属陶瓷)或碳/碳复合材料。用于汽车领域的金属陶瓷摩擦材料一般以铜或铜合金作为基体。
如美国专利5,925,837描述的一种用于制动的铜基摩擦材料配方为：铁粉或钢棉(10～40％w)、铝分(0～10％)、锌或锡或铅粉(0～15％)、石墨(3～15％)、Al2O3或SiO2(0～10％)，制造工艺为：375-623MPa下成型，在100～300℃预处理1～3小时，350～750℃的空气中烧结24～60小时，材料表面有不大于1mm氧化层，后加工磨去氧化层，清洗后为最终产品。
与树脂基的石棉或半金属摩擦材料相比，金属陶瓷摩擦材料具有摩擦系数大因而传扭或制动效果更好、更耐磨等优点，特别是在重载、高温等环境下，表现出更突出的摩擦磨损性能，因而具有广泛的应用。然而，由于铜比石棉或半金属摩擦材料高得多的成本很大程度上限制了金属陶瓷摩擦材料在汽车领域的应用。由于钢纤维比铜粉便宜得多，因而，加入钢纤维会明显降低材料成本。
本发明的目的是推出一种含钢纤维的金属陶瓷摩擦材料及制造方法，在已有的金属陶瓷(烧结)摩擦材料中加入钢纤维，以降低摩擦材料的成本，并改善材料的机械及摩擦、磨损性能，降低磨损，改善不同比压下摩擦系数的稳定性。
本发明提出的含钢纤维的金属陶瓷摩擦材料组成是：
铜粉和锡粉(比例为92∶8)53～69％，其粒度为-200目，铜粉氧含量不大于0.2％，
短切钢纤维10～30％，其长度为2～6毫米，当量直径为40～130微米，
铁粉0～10％，其粒度为-200～300目；
无机氧化物或矿物(如二氧化硅SiO2或三氧化二铝Al2O3)3～8％，其粒度为-100～200目；
天然石墨、人造石墨或它们的混合物(5～12％)，其粒度为-28目～60目；
二硫化钼(胶体粉剂)0～4％。
本发明提出的含钢纤维的金属陶瓷摩擦材料的制造方法，包括以下步骤：
1.混粉
将各组份材料的重量百分比按：铜粉和锡粉(比例为92∶8)53～69％，其粒度为-200目，铜粉氧含量不大于0.2％；短切钢纤维10～30％，其长度为2～6毫米，当量直径为40～130微米；铁粉0～10％，其粒度为-200～300目；无机氧化物或矿物(如二氧化硅SiO2或三氧化二铝Al2O3)3～8％，其粒度为-100～+200目；天然石墨、人造石墨或它们的混合物(5～12％)，其粒度为-28目～60目；二硫化钼(胶体粉剂)0～4％的比例加入混合器进行混合至均匀。按密度从大到小的顺序加入粉末组份为佳，即先加铜、铁、锡等金属粉，再加二氧化硅等摩擦剂，最后加石墨等润滑剂。混合基本均匀后，再分批加入钢纤维。直径较小、长径比较大的钢纤维易在混合过程中发生不同程度的缠结和团聚，导致组份分布不均匀，故应特别注意。在组份材料混合时，可加入少量机油(约混合物重量的0.5％)以防止组份在后续工序中发生偏聚，并使压坯后脱模易于进行。
2.压坯
在室温及150--300MPa压力下，将混好的粉料，在一定形状(根据摩擦材料产品的形状要求)的模具中压成毛坯
3.烧结
脱模后，将毛坯放在镀有铜或锡的钢背上，按层码放在高强石墨垫板上，在烧结炉中烧结。烧结时采用还原性保护气氛(如氢气、氮气)，烧结压力1～2MPa，烧结温度700～920℃，烧结时间3～8小时后，随炉冷却。取出后，机械磨平，既为本发明的材料。
使用本发明的配方和制备方法，制得的金属陶瓷摩擦材料耐磨性，比无钢纤维的同类摩擦材料具有更好的耐磨性、更合理和稳定的摩擦系数、对对偶磨损(如铸铁)亦很小。
具体实施方式
实施例1.
将各组分按下列重量百分比比例混合至均匀：铜粉63％，锡粉5.4％，铁粉4％，天然鳞片石墨10.4％，二硫化钼1.8％，二氧化硅5.4％，钢纤维A(当量直径40～60微米，长度～3.5毫米)10％。
将合适重量的混合放入模具中，在200MPa的压力下压制5～10秒，取出后成为毛坯。将毛坯放在镀铜的钢背上，以高强石墨为垫板，以10％的氢、90％的氮混合气为保护气氛，在860℃、1.5MPa压力下烧结4小时，随炉冷却至100℃以下取出，机械磨平。
制得的材料的弯曲强度125MPa，硬度HB34。在MM-1000摩擦材料试验机上，比压分别为0.4、0.6、0.8和1.0MPa时，各制动5次，摩擦系数分别为0.45、0.38、0.32和0.33，测得材料磨损率为0.038mm/20次，对偶(铸铁)磨损为0.003mm。
实施例2.
除了将钢纤维A换成钢纤维B(当量直径46～75微米，长度～5.5毫米)，其它组分及含量、制造工艺与实施例1相同。
制得的材料弯曲强度119MPa，硬度HB35。在MM-1000摩擦材料试验机上，比压分别为0.4、0.6、0.8和1.0MPa时，各制动5次，摩擦系数分别为0.46、0.38、0.35和0.31，材料磨损率为0.023mm/20次，对偶(铸铁)磨损小于0.003mm。
实施例3.
除了将钢纤维A换成钢纤维C(直径70～130微米，长度～2.5毫米)，其它组分及含量、制造工艺与实施例1相同。
制得的材料弯曲强度113MPa，硬度HB32。在MM-1000摩擦材料试验机上，比压分别为0.4、0.6、0.8和1.0MPa时，各制动5次，摩擦系数分别为0.41、0.38、0.36和0.35，材料磨损率为0.057mm/20次，对偶(铸铁)磨损0.003mm。
实施例4.
将各组分按下列比例混合至均匀：铜粉56％，锡粉5％，铁粉3.5％，天然鳞片石墨9％，二硫化钼1.5％，二氧化硅5％，钢纤维B(直径40-60微米，长度～3.5毫米)20％。
制造工艺与实施例1相同。
制得的材料弯曲强度138MPa，硬度HB37。在MM1000摩擦材料试验机上，比压分别为0.4、0.6、0.8和1.0MPa时，各制动5次，摩擦系数分别为0.44、0.42、0.39和0.36，材料磨损率为0.030mm/20次，对偶(铸铁)磨损0.007mm。
实施例5.
将各组分按下列比例混合至均匀：铜粉49％，锡粉4.5％，铁粉3％，天然鳞片石墨8％，二硫化钼1.5％，二氧化硅4％，钢纤维B(直径40-60微米，长3.5毫米)30％。
制造工艺与实施例1相同。
制得的材料弯曲强度158MPa，硬度HB43。在MM1000摩擦材料试验机上，比压分别为0.4、0.6、0.8和1.0MPa时，各制动5次，摩擦系数分别为0.41、0.38、0.36和0.35，材料磨损率为0.027mm/20次，对偶(铸铁)磨损0.003mm。
实施例6.
配方与实施例4相同。
除了150MPa的压力下压制5～10秒压制成坯，并在900℃、1.0MPa压力下烧结3小时外，其它工艺条件与实施例1相同。
制得的材料弯曲强度125MPa，硬度HB35。在MM-1000摩擦材料试验机上，比压分别为0.4、0.6、0.8和1.0MPa时，各制动5次，摩擦系数分别为0.45、0.38、0.32和0.34，材料磨损率为0.042mm/20次，对偶(铸铁)磨损小于0.003mm。
实施例7.
配方与实施例5相同。
除了在280MPa下压制成坯，并在720℃、2.0MPa压力下烧结7小时外，其它工艺条件与实施例1相同。
制得的材料弯曲强度134MPa，硬度HB38。在MM-1000摩擦材料试验机上，比压分别为0.4、0.6、0.8和1.0MPa时，摩擦系数分别为0.43、0.38、0.36和0.35，材料磨损率为0.040mm/20次，对偶磨损小于0.003mm。
实施例8.
除了用5％三氧化铝代替二氧化硅外，其它组分及含量、制造工艺条件与实施例4相同。
制得的材料弯曲强度126MPa，硬度HB36。在MM-1000摩擦材料试验机上，比压分别为0.4、0.6、0.8和1.0MPa时，各制动5次，摩擦系数分别为0.42、0.38、0.35和0.33，材料磨损率为0.030mm/20次，对偶磨损0.005mm。
实施例9：
将各组分按下列比例混合至均匀：铜粉63％，锡粉5.4％，铁粉4.0％，天然鳞片石墨5.6％，人造石墨5.6％，二氧化硅6.4％，钢纤维B(直径40-60微米，长3.5毫米)10％。
制造工艺与实施例1相同。
制得的材料弯曲强度118MPa，硬度HB32。在MM-1000摩擦材料试验机上，比压分别为0.4、0.6、0.8和1.0MPa时，各制动5次，摩擦系数分别为0.42、0.38、0.35和0.33，材料磨损率为0.020mm/20次，对偶磨损小于0.003mm。
Claims (2)
1、一种含钢纤维的金属陶瓷摩擦材料，其特征在于该材料中各组分的重量百分比为：
铜粉和锡粉53～69％，其粒度为-200目，铜粉氧含量不大于0.2％，其中铜粉∶锡粉＝92∶8，
短切钢纤维10～30％，其长度为2～6毫米，当量直径为40～130微米，
铁粉0～10％，其粒度为-200～300目，
无机氧化物或矿物3～8％，其粒度为-100～200目，
石墨5～12％，其粒度为-28目～60目，
二硫化钼0～4％。
2、一种含钢纤维的金属陶瓷摩擦材料的制造方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)将重量百分比为：
铜粉和锡粉53～69％，其粒度为-200目，铜粉氧含量不大于0.2％，其中铜粉∶锡粉＝92∶8，
短切钢纤维10～30％，其长度为2～6毫米，当量直径为40～130微米，
铁粉0～10％，其粒度为-200～300目，
无机氧化物或矿物3～8％，其粒度为-100～200目，
石墨5～12％，其粒度为-28目～60目，
二硫化钼0～4％的各组份材料按比例加入混合器进行混合至均匀；
(2)在室温及150-300MPa压力下，将混好的粉料，在模具中压成毛坯，毛坯的形状根据摩擦材料产品而定；
(3)脱模后，将毛坯放在镀有铜或锡的钢背上，按层码放在高强石墨垫板上，在烧结炉中烧结，烧结时采用还原性保护气氛，烧结压力为1～2MPa，烧结温度700～920℃，烧结时间3～8小时后，随炉冷却，取出后，机械磨平，既为摩擦材料。
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