CN115126808A - 一种适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于粉末冶金摩擦材料技术领域，具体涉及一种适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料，并进一步公开其制备方法。本发明所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料，包括摩擦部分、导热体和摩擦背板，其中，所述摩擦部分由摩擦粉料形成，作为主要接触部分，在制动过程中提供阻力；导热体作为热传导通道，可以将产生的摩擦热向后传输，有效提高摩擦热的传导以降低制动过程中摩擦表面温度，从而达到稳定摩擦系数；摩擦背板则用于连接摩擦粉料，同时对整个摩擦材料起固定作用。本发明所述摩擦材料的摩擦性能稳定，适用于高速制动下的应用。

Description

一种适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金摩擦材料技术领域，具体涉及一种适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料，并进一步公开其制备方法。
背景技术
摩擦材料是利用其与对偶材质接触产生的摩擦力将运动物体的动能转化为热能的一种结构--功能复合材料，它是各类机械设备的制动器、离合器和摩擦传动装置中不可或缺的材料之一。摩擦材料的摩擦稳定性、耐磨性、耐热性、抗疲劳特性等性能决定了设备能否平稳、安全的运行。
随着人口、经济、生产要素的流动愈加频繁，对铁路运输的速度也提出了越来越高的要求，传统用于时速低于250km/h的高分子合成材料由于强度低、耐热性差、热衰退严重，己无法满足更高速度的车辆制动的要求。目前，对于时速>250km/h的高速动车组，采用的刹车片主要是具有较高导热、良好耐热性、高摩擦系数的铜基粉末冶金摩擦材料，尤其是复合摩擦材料。这类材料的基体主要为铜并辅以少量的铁，可以较好的兼顾导热性以及强度方面的需求，并通过添加其他功能性材料获得更优的性能。
然而，现有的复合粉末冶金摩擦材料，由于其多相组成及孔隙率高的特点，通常导致其热导率降低，不能将制动摩擦产生的热量及时从摩擦表面扩散至周围环境。在高速制动的情况下，摩擦热可能会使摩擦材料中处于摩擦表面的铜或者铁等金属软化，引起摩擦系数降低，进而导致摩擦材料失效。因此，开发一种具有合适的摩擦系数且可有效降低摩擦表面温度的摩擦材料以满足高速制动下的摩擦性能要求，具有积极的意义。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料，所述摩擦材料具有合适的摩擦系数且可有效降低摩擦表面温度，可满足高速制动模式下的摩擦性能要求；
本发明所要解决的第二个技术问题在于提供上述铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料，所述摩擦材料包括摩擦背板、导热体和摩擦粉料；
具体的，所述导热体包括高导热性金属形成的导热体，例如铜、铝、铁、钨等高导热性金属材料，也可以选用上述导热金属中的几种金属材料的组合，可以根据对热导率的需求和强度的需求对成分进行调节。例如，需要更多的提升材料的导热性，可以选择铜导热体，而铁质的导热体能够有效的增加制动中材料整体的强度，也可以将铜铁导热体搭配使用，即设置铜导热体与铁导热体的组合排列。
优选的，所述导热体包括铜基导热体，包括但不限于纯铜和/或铜合金。
优选的，所述导热体的直径范围为0.5-3mm，所述导热体的长度与所述摩擦材料的高度相同，即所述导热体在排布时，其长度方向的两端位置贯通所述摩擦材料的两侧横截面，进而形成贯通所述摩擦材料高度方向的导热通道。
本发明所述摩擦材料中，对于导热体的尺寸和数量的调整也是从导热性能和强度的角度来出发来考虑的，通常横截面的尺寸越大、数量越多导热性能越好，但是，铜导热体可能会导致高温下的软化，因此，导热体的数量设置可根据性能和导热体的材料进行匹配。所述导热体的数量为3-12 个。
根据摩擦制动测试结果，常规尺寸的摩擦材料中适宜的导热体数量为3-12个，铜基导热体高速制动的摩擦系数的排序为12根<3根<6根，摩擦材料的导热性能肯定会随着根数而上升，但是因为铜高温力学性能差，摩擦系数会有一定的降低，故可根据材料性能的平衡，对于常规尺寸的摩擦材料而言，选择3根或6根导热体进行均相的分步。
优选的，所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料，所述摩擦材料中，所述导热体呈中心对称分布排列，或者说，是与摩擦材料中摩擦粉体材料部分的重心呈现中心对称设置。在本发明所述摩擦材料中，为了使单个摩擦材料的摩擦性能均匀、稳定，需要在结构上使导热体的重心与摩擦材料的重心重合，即确保多个导热体均匀分布，以确保在受到压力时表面的应力能够均匀分布。而作为更优选的结构，本发明所述摩擦材料中，优选各个导热体的长度相同，截面的形状也不一定是圆形的，可以通过改变截面的形状来改善导热体与基体的结合性能，所述导热体形状可以是圆柱、方柱、多边形柱体等规则形状。
本发明方案中，所述摩擦粉料可以为传统的粉末冶金材料的方案，具体而言，所述摩擦粉料以其总量计，包括如下质量含量的组分：铜粉40- 60wt％、铁粉25-35wt％、二氧化硅3-10wt％、三氧化二铝3-10wt％、铬粉 3-15wt％、二硫化钼2-5wt％、石墨2-10wt％。
具体的，所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料：
所述铜粉包括雾化铜和/或电解铜，所述铜粉的粒径为5-50μm；
所述铁粉包括还原铁粉和/或羰基铁粉，所述铁粉的粒径为1-80μm。
本发明还公开了一种制备所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料的方法，包括如下步骤：
(1)按照选定量的质量比例，取铜粉、铁粉、二氧化硅、三氧化二铝、铬粉、二硫化钼和石墨混合均匀，得到摩擦粉料，备用；
(2)将所述摩擦粉料、导热体和摩擦背板按照选定的排列方式进行压制得到素坯；
(3)将得到的素坯进行高温烧结处理，即得所需摩擦材料。
具体的，所述步骤(1)中，先将配方中除石墨之外的其他组份经过高速搅拌器初步混合，再加入石墨于V-型混料机中混合均匀，得到混合粉末。
具体的，所述步骤(1)中，所述混合步骤为球磨混料，控制参数包括：球料比为1：2-8，磨球材质为钢球，球磨介质为乙醇，球磨气氛为氮气，球磨时间为2-4h，转速为10-100rpm。
具体的，所述步骤(2)中，所述导热体之间按照选定的方式进行排列，实际操作中，可以将混合粉末倒入四柱压机模腔后，再将固定有铜柱的摩擦背板插入，压制得到素坯。所述导热体与摩擦背板的固定方式包括但不限于焊接、胶体连接、过盈装配。
具体的，所述步骤(2)中，所述压制步骤的控制参数包括：控制压力200-500MPa，保压时间10-60s。
所述高温烧结步骤的控制参数包括：控制烧结温度为880-1050℃，升温速率为1-10℃/min，保温时间为40-100min，并施加氮氢混合气氛进行保护，控制氮气与氢气的流量比为10：1-1：1。
本发明所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料，包括摩擦部分、导热体和摩擦背板，其中，所述摩擦部分由摩擦粉料形成，作为主要接触部分，在制动过程中提供阻力；导热体作为热传导通道，可以将产生的摩擦热向后传输，有效提高摩擦热的传导以降低制动过程中摩擦表面温度，从而达到稳定摩擦系数；摩擦背板则用于连接摩擦粉料，同时对整个摩擦材料起固定作用。本发明所述摩擦材料的摩擦性能稳定，适用于高速制动下的应用。
本发明所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料，优选铜基导热体，借助于铜金属的极高导热性，能够形成导热通道进而将摩擦过程中表面生成的摩擦热及时的向后传导，从而降低材料软化对摩擦系数的影响，极大的提高了所述摩擦材料的稳定性和使用寿命。本发明所述摩擦材料可以根据制动条件对所述导热体的成分、尺寸、数量进行相应的调整，以提高所述摩擦材料的性能。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，
图1为本发明实施例1-3及对比例1中所述摩擦材料的结构示意图，从左至右分别为对比例1、实施例1-3中摩擦材料的结构；
图2为本发明实施例1-3及对比例1中所述摩擦材料的摩擦系数-制动速度曲线结果；
图3为本发明实施例1-3及对比例1中所述摩擦材料的摩擦次表面温度-制动速度曲线结果。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的结构，本实施例所述适合高速制动的粉末冶金摩擦材料为正六边形结构，包括摩擦背板、导热体和摩擦粉料部分；其中，
所述摩擦粉料部分，以其原料的总量计，包括如下质量含量的组分：铜粉55wt％、铁粉25wt％、二氧化硅3wt％、三氧化二铝3wt％、铬粉 4wt％、二硫化钼2wt％、石墨8wt％；所述铜粉为粒径40μm的雾化铜，所述铁粉为粒径70μm的还原铁粉；
所述导热体部分选择直径1.7mm的纯铜柱型体，各导热体长度及形状均相同，所述导热体的数量为3个，各导热体之间贯通所述摩擦材料的横截面而形成贯通的导热通达，各所述导热体的排列方式为呈中心对称分布，设置的位置尽量贴近整个摩擦材料的中间位置处。
本实施例所述适合高速制动的粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照选定量的质量比例，先将配方中除石墨之外的其他组份经过高速搅拌器初步混合，再加入石墨于V-型混料机中进行球磨混料，控制球料比为1：5，磨球材质为钢球，球磨介质为乙醇，球磨气氛为氮气，球磨时间为3h，转速为60rpm，混合均匀，得到混合粉末，备用；
将所述导热体按照设计的结构与所述摩擦背板(钢背板)进行固定，固定方式采用常规焊接，备用；
(2)将所述摩擦粉料倒入四柱压机模腔，再将固定有导热体的所述摩擦背板按照设计位置插入其中，经压制得到素坯，控制压力300MPa，保压时间40s；
(3)将得到的素坯进行高温烧结处理，温度控制在950℃，升温速率控制在5℃/min，保温时间控制在60min，并施加氮氢混合气氛进行保护，氮气与氢气的流量比控制在5：1，即得所需摩擦材料。
实施例2
如图1所示的结构，本实施例所述适合高速制动的粉末冶金摩擦材料为正六边形结构，包括摩擦背板、导热体和摩擦粉料部分；其中，
所述摩擦粉料部分，以其原料的总量计，包括如下质量含量的组分：铜粉55wt％、铁粉25wt％、二氧化硅3wt％、三氧化二铝3wt％、铬粉 4wt％、二硫化钼2wt％、石墨8wt％；所述铜粉为粒径40μm的雾化铜，所述铁粉为粒径70μm的还原铁粉；
所述导热体部分选择直径1.7mm的纯铜柱型体，各导热体的长度及形状均相同，所述导热体的数量为6个，各导热体之间贯通所述摩擦材料的横截面而形成贯通的导热通达，各所述导热体的排列方式为呈中心对称分布，设置的位置尽量贴近整个摩擦材料的中间位置处。
本实施例所述适合高速制动的粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照选定量的质量比例，先将配方中除石墨之外的其他组份经过高速搅拌器初步混合，再加入石墨于V-型混料机中进行球磨混料，控制球料比为1：5，磨球材质为钢球，球磨介质为乙醇，球磨气氛为氮气，球磨时间为3h，转速为60rpm，混合均匀，得到混合粉末，备用；
将所述导热体按照设计的结构与所述摩擦背板(钢背板)进行固定，固定方式采用常规焊接，备用；
(2)将所述摩擦粉料倒入四柱压机模腔，再将固定有导热体的所述摩擦背板按照设计位置插入其中，经压制得到素坯，控制压力300MPa，保压时间40s；
(3)将得到的素坯进行高温烧结处理，温度控制在950℃，升温速率控制在5℃/min，保温时间控制在60min，并施加氮氢混合气氛进行保护，氮气与氢气的流量比控制在5：1，即得所需摩擦材料。
实施例3
如图1所示的结构，本实施例所述适合高速制动的粉末冶金摩擦材料为正六边形结构，包括摩擦背板、导热体和摩擦粉料部分；其中，
所述摩擦粉料部分，以其原料的总量计，包括如下质量含量的组分：铜粉55wt％、铁粉25wt％、二氧化硅3wt％、三氧化二铝3wt％、铬粉 4wt％、二硫化钼2wt％、石墨8wt％；所述铜粉为粒径40μm的雾化铜，所述铁粉为粒径70μm的还原铁粉；
所述导热体部分选择直径1.7mm的纯铜柱型体，各导热体长度及形状均相同，所述导热体的数量为12个，各导热体之间贯通所述摩擦材料的横截面而形成贯通的导热通达，各所述导热体的排列方式为中心对称分布，设置的位置尽量贴近整个摩擦材料的中间位置处。
本实施例所述适合高速制动的粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照选定量的质量比例，先将配方中除石墨之外的其他组份经过高速搅拌器初步混合，再加入石墨于V-型混料机中进行球磨混料，控制球料比为1：5，磨球材质为钢球，球磨介质为乙醇，球磨气氛为氮气，球磨时间为3h，转速为60rpm，混合均匀，得到混合粉末，备用；
将所述导热体按照设计的结构与所述摩擦背板(钢背板)进行固定，固定方式采用常规焊接，备用；
(2)将所述摩擦粉料倒入四柱压机模腔，再将固定有导热体的所述摩擦背板按照设计位置插入其中，经压制得到素坯，控制压力300MPa，保压时间40s；
(3)将得到的素坯进行高温烧结处理，温度控制在950℃，升温速率控制在5℃/min，保温时间控制在60min，并施加氮氢混合气氛进行保护，氮气与氢气的流量比控制在5：1，即得所需摩擦材料。
实施例4
本实施例所述适合高速制动的粉末冶金摩擦材料包括摩擦背板、导热体和摩擦粉料部分；其中，所述摩擦背板、导热体的结构和组成同实施例 2，其区别仅在于，所述摩擦粉料部分，以其原料的总量计，包括如下质量含量的组分：铜粉40wt％、铁粉35wt％、二氧化硅10wt％、三氧化二铝 3wt％、铬粉3wt％、二硫化钼5wt％、石墨4wt％。
实施例5
本实施例所述适合高速制动的粉末冶金摩擦材料包括摩擦背板、导热体和摩擦粉料部分；其中，所述摩擦背板、导热体的结构和组成同实施例 2，其区别仅在于，所述摩擦粉料部分，以其原料的总量计，包括如下质量含量的组分：铜粉60wt％、铁粉25wt％、二氧化硅3wt％、三氧化二铝4wt％、铬粉3wt％、二硫化钼3wt％、石墨2wt％。
实施例6
本实施例所述适合高速制动的粉末冶金摩擦材料包括摩擦背板、导热体和摩擦粉料部分；其中，所述摩擦背板、导热体的结构和组成同实施例 2，其区别仅在于，所述摩擦粉料部分，以其原料的总量计，包括如下质量含量的组分：铜粉40wt％、铁粉25wt％、二氧化硅5wt％、三氧化二铝10wt％、铬粉15wt％、二硫化钼2wt％、石墨3wt％。
实施例7
本实施例所述适合高速制动的粉末冶金摩擦材料包括摩擦背板、导热体和摩擦粉料部分；其中，所述摩擦背板、导热体的结构和组成同实施例 2，其区别仅在于，所述摩擦粉料部分，以其原料的总量计，包括如下质量含量的组分：铜粉45wt％、铁粉25wt％、二氧化硅5wt％、三氧化二铝5wt％、铬粉8wt％、二硫化钼2wt％、石墨10wt％。
对比例1
本对比例所述摩擦材料的结构、原料及制备方法同实施例1-3，其区别仅在于，不设置所述导热体，仅按照常规方法选择摩擦粉料和摩擦背板进行压制并烧结。
对比例2
如图1所示的结构，本实施例所述适合高速制动的粉末冶金摩擦材料包括摩擦背板、导热体和摩擦粉料部分；其中，
所述摩擦粉料部分，以其原料的总量计，包括如下质量含量的组分：铜粉45wt％、铁粉25wt％、二氧化硅3wt％、三氧化二铝3wt％、铬粉4wt％、二硫化钼2wt％、石墨8wt％、铜纤维(直径0.3mm，长度3-5mm)8wt％；所述铜粉为粒径40μm的雾化铜，所述铁粉为粒径70μm的还原铁粉；
本实施例所述适合高速制动的粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照选定量的质量比例，先将配方中除石墨之外的其他组份经过高速搅拌器初步混合，再加入石墨于V-型混料机中进行球磨混料，控制球料比为1：5，磨球材质为钢球，球磨介质为乙醇，球磨气氛为氮气，球磨时间为3h，转速为60rpm，混合均匀，得到混合粉末，备用；
将所述导热体按照设计的结构与所述摩擦背板(钢背板)进行固定，固定方式采用常规焊接，备用；
(2)将所述摩擦粉料倒入四柱压机模腔，再将固定有导热体的所述摩擦背板按照设计位置插入其中，经压制得到素坯，控制压力300MPa，保压时间40s；
(3)将得到的素坯进行高温烧结处理，温度控制在950℃，升温速率控制在5℃/min，保温时间控制在60min，并施加氮氢混合气氛进行保护，氮气与氢气的流量比控制在5：1，即得所需摩擦材料。
对比例3
本对比例所述摩擦材料的方案同实施例1-3，其区别仅在于，以碳化硅颗粒代替所述铜基导热体，在制备过程中，所述铜纤维材料与所述摩擦粉末一并进行混匀，并进行后续与摩擦背板的压制及烧结处理。
实验例
分别对上述实施例1-3级对比例1-2制得摩擦材料的摩擦性能进行测试，所述摩擦材料的摩擦系数-制动速度曲线结果见附图2，所述摩擦材料的摩擦次表面温度-制动速度曲线结果见附图3。
由附图2-3中数据可以看出，与对比例1方案相比，所述摩擦材料中铜导热体数量的增加，材料摩擦表面温度降低，且所述摩擦材料中，随着导热体数量的增加，材料的摩擦系数呈现出先升高后降低的趋势(导热体 12根时摩擦性能有所降低)，这是因为，导热体的设置虽然有助于导热性能的改善，但是，铜柱导热体过多也会导致摩擦材料与钢盘的实际接触面积变小，且铜柱导热体的强度会比基体略高，对于摩擦性能(摩擦系数) 有些许影响，不过其综合性能依然可以满足高速制动的要求。综上所述，所述摩擦材料可以根据不同制动性能的需要选择控制导热体的数量。
由附图2-3中数据可以看出，对比例2方案中材料的摩擦制动效果并不好，实际上起不到导热的作用，这是因为铜纤维本身并不能够做到形成连续的导热通道，以改善导热性能。
而对比例3中方案，由于刹车片本身属于替换品，因此应该尽可能的保护制动盘的表面不被损坏，而碳化硅颗粒本身属于陶瓷相，其硬度过高，会导致对偶的钢盘磨损严重，且陶瓷与金属基体的结合性能不好，因此，碳化硅颗粒本身并不适用于制动刹车片的制备，其性能也不理想。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述摩擦材料包括摩擦背板、导热体和摩擦粉料；
所述导热体包括高导热性金属形成的导热体。
2.根据权利要求1所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述导热体包括铜基导热体。
3.根据权利要求1或2所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述导热体的直径范围为0.5-3mm，所述导热体的长度与所述摩擦材料的高度相同。
4.根据权利要求1-3任一项所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述摩擦材料中，所述导热体呈中心对称分布排列。
5.根据权利要求4所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述摩擦粉料以其总量计，包括如下质量含量的组分：铜粉40-60wt％、铁粉25-35wt％、二氧化硅3-10wt％、三氧化二铝3-10wt％、铬粉3-15wt％、二硫化钼2-5wt％、石墨2-10wt％。
6.根据权利要求1-5任一项所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：
所述铜粉包括雾化铜和/或电解铜，所述铜粉的粒径为5-50μm；
所述铁粉包括还原铁粉和/或羰基铁粉，所述铁粉的粒径为1-80μm。
7.一种制备权利要求1-6任一项所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照选定量的质量比例，取铜粉、铁粉、二氧化硅、三氧化二铝、铬粉、二硫化钼和石墨混合均匀，得到摩擦粉料，备用；
(2)将所述摩擦粉料、导热体和摩擦背板按照选定的排列方式进行压制得到素坯；
(3)将得到的素坯进行高温烧结处理，即得所需摩擦材料。
8.根据权利要求7所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述混合步骤为球磨混料，控制参数包括：球料比为1：2-8，磨球材质为钢球，球磨介质为乙醇，球磨气氛为氮气，球磨时间为2-4h，转速为10-100rpm。
9.根据权利要求7或8所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述压制步骤的控制参数包括：控制压力200-500MPa，保压时间10-60s。
10.根据权利要求7-9任一项所述适合高速制动的铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述高温烧结步骤的控制参数包括：控制烧结温度为880-1050℃，升温速率为1-10℃/min，保温时间为40-100min，并施加氮氢混合气氛进行保护，控制氮气与氢气的流量比为10：1-1：1。
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