CN114932220A - 一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

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田雅萍
徐腈蔓
刘锦霖
王型俊
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Abstract

本发明公开了一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料及其制备方法，摩擦材料由以下重量百分比的原料制成：铜粉50～60％，铁粉15～25％，石墨10～15％，二硫化钼1～2％，高碳铬铁4～7％，金属铬粉1～3％，陶瓷颗粒5～10％。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明引入的铬粉、高碳铬铁与铜基体界面润湿性好，二者相互协同强化，通过高温烧结反应得到的产物碳化铬也能与铜基体形成互溶扩散，在制动过程中能够保持稳定的摩擦性能和优异的耐磨效果，有效解决了摩擦材料在高速制动过程中摩擦系数低且不稳定、磨损量大的问题。

Description

一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料及其制备方法。
背景技术
铜基复合材料具有高耐磨性，良好的导热性，以及较好的机械强度，使其得到广泛的应用。特别作为高速列车刹车片用摩擦材料，是高速列车制动系统的关键部件，在紧急制动的过程中起着至关紧要的作用。
铜基复合摩擦材料主要是以铜金属为基体，通过添加润滑组元和摩擦组元等原料，经过混合、压坯成形和烧结的工艺方法制得，在使用过程中充分发挥基体组元、润滑组元和摩擦组元三者的协同作用。目前，铜基复合摩擦材料在制动过程中存在着高速工况下摩擦系数低，摩擦性能不稳定，磨损量大的问题，严重影响列车安全运行；同时高速动车组面临进一步提速的趋势，制动初速度变大，这对铜基复合摩擦材料的可靠性提出更高的要求。为确保列车行驶和制动过程的安全性与稳定性，亟需解决摩擦材料高速下摩擦系数低，摩擦性能不稳定的问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料及其制备方法，旨在解决现有的铜基摩擦材料在高速工况下摩擦系数低，摩擦性能不稳定，磨损量大的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料，由以下重量百分比的原料制成：铜粉50～60％，铁粉15～25％，石墨10～15％，二硫化钼1～2％，高碳铬铁4～7％，金属铬粉1～3％，陶瓷颗粒5～10％。
本发明还提供了一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、配混料：
按原料种类和重量比要求，称取所需原料；预先将金属铬粉和石墨粉末放入三维混料机中混合40～60min，转速20～30r/min；然后再和其余原料一起放入V型混料机中混合3～5h，获得混合均匀的粉料；
步骤二、压坯成形：
将步骤一混合好的粉料放入四柱液压机模腔中，冷压压制成摩擦材料坯体，压制压力为700～850MPa，保压时间为15～25s，然后脱模取出，得到成形坯体；
步骤三、高温加压烧结：
将步骤二压制成形的坯体放入钟罩式烧结炉中加压烧结，烧结过程中通入氢气和氮气分别作为还原气氛和保护气氛，烧结压力为4.0～5.0MPa，烧结温度为950～1050℃，保温时间为120～180min；保温完成后采用水冷却至100℃以下，取出，获得铜基复合摩擦材料。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明引入的铬粉、高碳铬铁与铜基体界面润湿性好，二者相互协同强化，通过高温烧结反应得到的产物碳化铬也能与铜基体形成互溶扩散，在制动过程中能够保持稳定的摩擦性能和优异的耐磨效果，有效解决了摩擦材料在高速制动过程中摩擦系数低且不稳定、磨损量大的问题。具体优点如下：
(1)本发明的铜基复合摩擦材料提高了材料的硬度和强度，降低了铜基复合摩擦材料在制动过程中的磨损量，同时延长了摩擦材料的使用周期。
(2)本发明将金属铬粉加入到铜基复合摩擦材料中，调整高碳铬铁与铬粉的比例，以及高温烧结下得到的产物碳化铬，在协同作用下，提高了摩擦材料的摩擦系数及其稳定性，从而提高制动效率。
具体实施方式
本发明的稳定高耐磨铜基复合摩擦材料中的各粉末材料及重量占比为：铜粉50～60％，铁粉15～25％，石墨10～15％，二硫化钼1～2％，高碳铬铁4～7％，金属铬粉1～3％，陶瓷颗粒5～10％。上述材料中，铜粉为电解铜粉，纯度为99.5％，粒径为50～75μm；铁粉为还原铁粉或泡沫铁粉，纯度为99％，粒径为50～150μm；石墨为人造颗粒石墨，含碳量大于95％，粒径为100～300μrn；二硫化钼为片状粉末，纯度为98％，粒径为30～50μm；高碳铬铁为不规则颗粒状粉末，纯度为95％，粒径为50～150μm；铬粉为不规则片状粉末，纯度为99％，粒径小于75μm；陶瓷颗粒为氧化铝和二氧化硅，均为不规则形状粉末，纯度为95％，粒径均为50～100μm。
本发明的稳定高耐磨铜基复合摩擦材料的制备方法为：首先选取合适粒径的筛网，使用振动筛分机将金属铬粉和高碳铬铁原材料筛选至所需粒径；随后按照配方中各种粉末原材料的配比称取粉末的重量，预先将金属铬粉和石墨粉末放入三维混料机中混合均匀，再和其余原材料放入V型混料机中混合均匀；其次将混合好的粉末用四柱液压机压制成坯体；再次将成形坯体放入钟罩炉在保护气氛和压力下高温加压烧结，最终得到所需的铜基复合摩擦材料。具体步骤如下：
S1：原材料粒径筛分，选取合适粒径的筛网，使用振动筛分机振动5～15min，将金属铬粉和高碳铬铁原材料筛分至所需粒径。
S2：配混料，按粉末原材料种类和重量占比要求，称取所需粉末材料，预先将金属铬粉和石墨粉末放入三维混料机中混合40～60min，转速20～30r/min，再和其余原材料放入V型混料机中混合3～5h，获得混合均匀的粉料。
S3：压坯成形，混合好的粉料放入四柱液压机模腔中，进行冷压压制成摩擦材料坯体，压制参数为：成型压力为700～850MPa，保压时间为15～25s，脱模取出，得到成形坯体。
S4：高温加压烧结，将成形好的压坯放入钟罩式烧结炉中加压烧结，高温加压烧结工艺参数为：通入纯度均大于99％的氢气和氮气分别作为还原气氛和保护气氛，氢气和氮气流量比为1：3，气压压力大于0.3MPa；以升温速率300～360℃/h从室温升温至500℃，并在温度达到300℃时加压至1.5～2.0MPa；再以升温速率240～300℃/h升温至800℃，加压至3.0～3.5MPa，保温30～60min；最后以升温速率120～180℃/h升温至950～1050℃，加压至4.0～5.0MPa，保温时间120～180min；保温完成后采用水冷却至100℃以下，取出，获得铜基复合摩擦材料。
以下将结合具体实施例对本发明作更进一步的详细描述：
实施例1
本实施例提供了一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料及其制备方法，摩擦材料的粉末材料及其重量配比为：铜55％，铁18％，石墨12％，二硫化钼1％，高碳铬铁4％，铬粉3％，氧化铝陶瓷、二氧化硅陶瓷颗粒7％。
上述摩擦材料的制备过程，主要包括以下几个步骤：
S1：原材料粒径筛分，选取合适粒径的筛网，使用振动筛分机振动5min，将金属铬粉和高碳铬铁原材料筛分至所需粒径。
S2：配混料，按上述粉末原材料种类和重量占比要求，称取所需粉末材料，预先将金属铬粉和石墨粉末放入三维混料机中混合60min，转速22r/min，再和其余原材料放入V型混料机中混合4h，获得混合均匀的粉料。
S3：压坯成形，混合好的粉料放入四柱液压机模腔中，进行冷压压制成摩擦材料坯体，具体的压制参数为：成型压力为850MPa，保压时间为15s，脱模取出，得到成形坯体。
S4：高温加压烧结，将成形好的压坯放入钟罩式烧结炉中加压烧结，具体的高温加压烧结工艺参数为：通入纯度均大于99％的氢气和氮气分别作为还原气氛和保护气氛，氢气和氮气流量比为1∶3，气压压力0.7MPa；以升温速率360℃/h从室温升温至500℃，并在温度达到300℃时加压至1.5MPa；再以升温速率240℃/h升温至800℃，加压至3.5MPa，保温30min；最后以升温速率150℃/h升温至950℃，加压至4.2MPa，保温时间180min；保温完成后采用水冷却至100℃以下，取出，获得铜基复合摩擦材料。
实施例2
本实施例提供了一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料及其制备方法，摩擦材料的粉末材料及其重量配比为：铜55％，铁18％，石墨12％，二硫化钼1％，高碳铬铁5％，铬粉2％，氧化铝陶瓷、二氧化硅陶瓷颗粒7％。
上述摩擦材料的制备过程，主要包括以下几个步骤：
S1：原材料粒径筛分，选取合适粒径的筛网，使用振动筛分机振动10min，将金属铬粉和高碳铬铁原材料筛分至所需粒径。
S2：配混料，按上述粉末原材料种类和重量占比要求，称取所需粉末材料，预先将金属铬粉和石墨粉末放入三维混料机中混合50min，转速26r/min，再和其余原材料放入V型混料机中混合5h，获得混合均匀的粉料。
S3：压坯成形，混合好的粉料放入四柱液压机模腔中，进行冷压压制成摩擦材料坯体，具体的压制参数为：成型压力为800MPa，保压时间为20s，脱模取出，得到成形坯体。
S4：高温加压烧结，将成形好的压坯放入钟罩式烧结炉中加压烧结，具体的高温加压烧结工艺参数为：通入纯度均大于99％的氢气和氮气分别作为还原气氛和保护气氛，氢气和氮气流量比为1：3，气压压力0.5MPa；以升温速率300℃/h从室温升温至500℃，并在温度达到300℃时加压至1.8MPa；再以升温速率300℃/h升温至800℃，加压至3.2MPa，保温60min；最后以升温速率180℃/h升温至1000℃，加压至4.4MPa，保温时间120min；保温完成后采用水冷却至100℃以下，取出，获得铜基复合摩擦材料。
实施例3
本实施例提供了一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料及其制备方法，摩擦材料的粉末材料及其重量配比为：铜55％，铁18％，石墨12％，二硫化钼1％，高碳铬铁6％，铬粉1％，氧化铝陶瓷、二氧化硅陶瓷颗粒7％。
上述摩擦材料的制备过程，主要包括以下几个步骤：
S1：原材料粒径筛分，选取合适粒径的筛网，使用振动筛分机振动15min，将金属铬粉和高碳铬铁原材料筛分至所需粒径。
S2：配混料，按上述粉末原材料种类和重量占比要求，称取所需粉末材料，预先将金属铬粉和石墨粉末放入三维混料机中混合40min，转速30r/min，再和其余原材料放入V型混料机中混合5h，获得混合均匀的粉料。
S3：压坯成形，混合好的粉料放入四柱液压机模腔中，进行冷压压制成摩擦材料坯体，具体的压制参数为：成型压力为750MPa，保压时间为25s，脱模取出，得到成形坯体。
S4：高温加压烧结，将成形好的压坯放入钟罩式烧结炉中加压烧结，具体的高温加压烧结工艺参数为：通入纯度均大于99％的氢气和氮气分别作为还原气氛和保护气氛，氢气和氮气流量比为1∶3，气压压力0.3MPa；以升温速率300℃/h从室温升温至500℃，并在温度达到300℃时加压至2.0MPa；再以升温速率300℃/h升温至800℃，加压至3.0MPa，保温60min；最后以升温速率120℃/h升温至1050℃，加压至4.3MPa，保温时间120min；保温完成后采用水冷却至100℃以下，取出，获得铜基复合摩擦材料
对比例
本实施例提供了一种铜基复合摩擦材料及其制备方法，摩擦材料的粉末材料及其重量配比为：铜58％，铁18％，石墨12％，二硫化钼1％，高碳铬铁4％，氧化铝陶瓷、二氧化硅陶瓷颗粒7％。
上述摩擦材料的制备过程，主要包括以下几个步骤：
S1：原材料粒径筛分，选取合适粒径的筛网，使用振动筛分机振动5min，将高碳铬铁原材料筛选至所需粒径。
S2：配混料，按上述粉末原材料种类和重量占比要求，称取所需粉末材料，随后放入V型混料机中混合3h，获得混合均匀的粉料。
S3：压坯成形，混合好的粉料放入四柱液压机模腔中，进行冷压压制成摩擦材料坯体，具体的压制参数为：成型压力为700MPa，保压时间为25s，脱模取出，得到成形坯体。
S4：高温加压烧结，将成形好的压坯放入钟罩式烧结炉中加压烧结，具体的高温加压烧结工艺参数为：通入纯度均大于99％的氢气和氮气分别作为还原气氛和保护气氛，氢气和氮气流量比为1∶3，气压压力0.5MPa；以升温速率360℃/h从室温升温至500℃，并在温度达到300℃时加压至1.8MPa；再以升温速率240℃/h升温至800℃，加压至3.2MPa，保温30min；最后以升温速率150℃/h升温至1000℃，加压至4.7MPa，保温时间180min；保温完成后采用水冷却至100℃以下，取出，获得铜基复合摩擦材料
对上述的实施例1～3和对比例进行理化性能测试，包括平均摩擦系数、磨损量、摩擦系数稳定性、布氏硬度、剪切强度和抗压强度；其中平均摩擦系数和磨损量的测试方法参照TJ/CL 307-2019《动车组闸片暂行技术条件》，定义如下：
平均摩擦系数：瞬时摩擦系数在制动距离S1上的积分，符号为μ，计算公式见式1。
Figure BDA0003632279830000081
式1中：
S1-气动夹钳从达到全部制动力的95％时起到停车时止的距离。
μa-瞬时摩擦系数，在任意给定制动瞬间切向力与闸片总压力之比。
磨损量计算见式2。
Figure BDA0003632279830000082
式2中：
L-单位制动能量的磨损量，单位为立方厘米每兆焦(cm3/MJ)；
W1-试验前材料重量称重结果，单位为克(g)；
W2-试验后材料重量称重结果，单位为克(g)；
E-试验过程中全部制动试验所产生的制动能量，单位为兆焦(MJ)；
ρ-摩擦材料的密度，单位为克每立方厘米(g/cm3)。
摩擦系数稳定性的计算方法：参照平均摩擦系数的检测方法，在初速度为300km/h的条件下，进行15次制动试验，得到15次制动所得的平均摩擦系数，按照式3计算公式求其标准差，来评判摩擦系数稳定性。标准差数值越小，其稳定性越好，反之越差。
Figure BDA0003632279830000091
式3中：
Figure BDA0003632279830000092
-15次300km/h初速度制动平均摩擦系数的算术平均值；
μ1、μ2…μ15-分别为15次300km/h初速度制动下的平均摩擦系数。
试验结果见表1。
表1试验结果
Figure BDA0003632279830000093
从上述的检测结果可知，本发明制备的铜基复合摩擦材料在300km/h初速度制动下具有足够高且稳定的摩擦系数，磨损量也较小；实施例与对比例相比，磨损量从0.31cm3/MJ降低至0.19～0.24cm3/MJ，摩擦系数稳定性提高了46.67～54.87％左右，使用寿命可以提高22.58～30.29％，铜基复合摩擦材料的布氏硬度、剪切强度、抗压强度均有明显的提升。

Claims (10)

1.一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料，其特征在于：由以下重量百分比的原料制成：铜粉50～60％，铁粉15～25％，石墨10～15％，二硫化钼1～2％，高碳铬铁4～7％，金属铬粉1～3％，陶瓷颗粒5～10％。
2.根据权利要求1所述的一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料，其特征在于：所述铜粉为电解铜粉，纯度为99.5％，粒径为50～75μm。
3.根据权利要求1所述的一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料，其特征在于：所述铁粉为还原铁粉或泡沫铁粉，纯度为99％，粒径为50～150μm。
4.根据权利要求1所述的一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料，其特征在于：所述石墨为人造颗粒石墨，含碳量大于95％，粒径为100～300μm。
5.根据权利要求1所述的一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料，其特征在于：所述二硫化钼为片状粉末，纯度为98％，粒径为30～50μm。
6.根据权利要求1所述的一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料，其特征在于：所述高碳铬铁为不规则颗粒状粉末，纯度为95％，粒径为50～150μm。
7.根据权利要求1所述的一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料，其特征在于：所述铬粉为不规则片状粉末，纯度为99％，粒径小于75μm。
8.根据权利要求1所述的一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料，其特征在于：所述陶瓷颗粒为氧化铝和二氧化硅，均为不规则形状粉末，纯度为95％，粒径均为50～100μm。
9.一种权利要求1所述的稳定高耐磨铜基复合摩擦材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、配混料：
按原料种类和重量比要求，称取所需原料；预先将金属铬粉和石墨粉末放入三维混料机中混合40～60min，转速20～30r/min；然后再和其余原料一起放入V型混料机中混合3～5h，获得混合均匀的粉料；
步骤二、压坯成形：
将步骤一混合好的粉料放入四柱液压机模腔中，冷压压制成摩擦材料坯体，压制压力为700～850MPa，保压时间为15～25s，然后脱模取出，得到成形坯体；
步骤三、高温加压烧结：
将步骤二压制成形的坯体放入钟罩式烧结炉中加压烧结，烧结过程中通入氢气和氮气分别作为还原气氛和保护气氛，烧结压力为4.0～5.0MPa，烧结温度为950～1050℃，保温时间为120～180min；保温完成后采用水冷却至100℃以下，取出，获得铜基复合摩擦材料。
10.根据权利要求1所述的一种稳定高耐磨铜基复合摩擦材料的制备方法，其特征在于：步骤三所述通入氢气和氮气的纯度均大于99％，氢气和氮气流量比为1:3，气压压力大于0.3MPa；烧结时，以升温速率300～360℃/h从室温升温至500℃，并在温度达到300℃时加压至1.5～2.0MPa；再以升温速率240～300℃/h升温至800℃，加压至3.0～3.5MPa，保温30～60min；最后以升温速率120～180℃/h升温至950～1050℃，加压至4.0～5.0MPa，保温时间120～180min。
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