CN115283675B - 一种铜基摩擦材料烧结工艺及模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及摩擦材料烧结技术领域，尤其是一种铜基摩擦材料烧结工艺，所述烧结工艺包括以下步骤：S1，配料：各粉料的质量占比为：铜粉40～60％，铁粉10～20％，铬铁粉5～15％，石墨5～15％，二硫化钼2～5％，陶瓷颗粒1～8％，镍粉1～5％，铬粉1～5％，以上各料粉组分总和为100％；S2，混料：将步骤S1中配制好的粉料放入混料机中混合搅拌3～5h；S3，压胚：将步骤S2中混合后的粉料冷压成型，成型压力800～1000MPa，保压时间10～30s；S4，烧结：将步骤S3中压制好的坯料放入模具中，将模具和胚料一起置于网带式烧结炉中，通入保护气氛并进行烧结，烧结温度为900～1000℃，烧结时间为60～180mi n。同时，本发明还提供一种用于上述烧结工艺的模具。本发明技术方案简化了加工工艺，能耗少，且加工产品精度高。

Description

一种铜基摩擦材料烧结工艺及模具

技术领域

本发明涉及摩擦材料烧结技术领域，尤其是一种铜基摩擦材料烧结工艺，以及用于烧结使用的模具。

背景技术

铜基粉末冶金摩擦材料以其优异的导热性能及机械性能广泛应用于高速列车制动闸片。随着我国高铁行业的不断发展，势必对高速列车用铜基粉末冶金闸片提出更高的要求。

传统的烧结工艺主要分为钟罩炉烧结和网带炉烧结，使用钟罩炉烧结的过程中为了避免铜基摩擦材料烧结时膨胀量过大，通常会通过钟罩炉的液压装置额外施加一定压力，此工艺方法能较有效控制材料尺寸精度，但存在效率低、能耗大的缺点，不利于规模化生产。而使用网带炉进行烧结时，虽然能使烧结过程连续运转，避免因更换冷却罩、加热罩、升温、冷却等造成的生产效率低等问题，但其没有加压装置，不能较好的控制烧结材料尺寸精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺更加简单，能够实现无压烧结，且精度高、耗能少的摩擦材料烧结工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种铜基摩擦材料烧结工艺，所述烧结工艺包括以下步骤：

S1，配料：各粉料的质量占比为：铜粉40～60％，铁粉10～20％，铬铁粉5～15％，石墨5～15％，二硫化钼2～5％，陶瓷颗粒1～8％，镍粉1～5％，铬粉1～5％，以上各料粉组分总和为100％；

S2，混料：将步骤S1中配制好的粉料放入混料机中混合搅拌3～5h；

S3，压胚：将步骤S2中混合后的粉料冷压成型，成型压力800～1000MPa，保压时间10～30s；

S4，烧结：将步骤S3中压制好的坯料放入模具中，将模具和胚料一起置于网带式烧结炉中，通入保护气氛并进行烧结，烧结温度为900～1000℃，烧结时间为60～180min。

进一步的，在步骤S2混料中，所述混合搅拌时间为4h。

进一步的，在步骤S3压胚中，所述保压时间为20s。

进一步的，在步骤S4烧结中，所述保护气氛为氮氢混合气体，所述氮氢混合气体中的氮气和氢气的比例为1：1～5。

优选的，在步骤S4烧结中，所述氮氢混合气体中的氮气和氢气的比例为1：3。

进一步的，在步骤S4烧结中，所述烧结温度为980℃，所述烧结时间为120min。

本发明还提供一种模具，用于铜基摩擦材料烧结，包括壳体和盖板，所述壳体和盖板固定形成一密封的安装腔，所述安装腔内叠设有若干模板，所述模板上均匀设置有若干料槽，所述盖板上设置有第一固定孔，所述模板上设置有与所述第一固定孔对应的第二固定孔，预紧螺栓贯穿所述第一固定孔和所述第二固定孔使所述盖板和所述模板之间固定。

进一步改进的，所述模板包括位于最上层的第一模板和位于第一模板下方的若干第二模板，所述第一模板上开设有若干第三固定孔，所述第二模板上设置有与所述第三固定孔对应的第四固定孔，第一连接螺栓贯穿所述第三固定孔和第四固定孔使所述第一模板和所述第二模板之间固定。

进一步改进的，所述第三固定孔的径向截面为阶梯状，包括高低依次设置的让位部和连接部，所述让位部与所述第一连接螺栓的螺盖适配。

进一步改进的，所述盖板外缘处均匀设置有若干第五固定孔，所述壳体上设置有与所述第五固定孔对应的第六固定孔，第二连接螺栓贯穿所述第五固定孔和所述第六固定孔使所述盖板固定在所述壳体顶部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用模具配合网带炉中实现铜基摩擦材料的不加压限位烧结。将压制好的坯体放入模具中，利用模具的模腔限位，限制坯体烧结时高度尺寸的膨胀，去掉了额外的加压装置，从而实现无压烧结。此外将装有压坯的所述模具放入网带炉中依次通过炉内烧结，实现了压坯的连续烧结，避免了传统加压烧结过程中因更换加热罩、冷却罩，烧结炉升温、降温等造成的生产效率低，能耗大等问题，同时解决了网带炉烧结时无加压装置导致的产品尺寸精度差和粘接强度低等问题。

本发明的模具利用层层堆叠的方式设置模板，使位于上部的模板对位于下部的模板料槽限位，最上层模板的料槽被所述模具的盖板底面限位，每一层模板均可用于产品加工，更加节省加工空间，提高加工效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案,下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例的加工流程图；

图2为本发明第二实施例的模具结构爆炸图；

图3为本发明第二实施例的模具剖面图；

图中：

1、壳体；

11、第六固定孔；

2、盖板；

21、第一固定孔；22、第五固定孔；

3、模板；

31、料槽；32、第二固定孔；33、第一模板；34、第二模板；331、第三固定孔；332、让位部；333、连接部；341、第四固定孔；

4、预紧螺栓；

5、第一连接螺栓；

6、第二连接螺栓。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例一：

请参考图1，一种铜基摩擦材料烧结工艺，所述烧结工艺包括以下步骤：

S1，配料：各粉料的质量占比为：铜粉40～60％，铁粉10～20％，铬铁粉5～15％，石墨5～15％，二硫化钼2～5％，陶瓷颗粒1～8％，镍粉1～5％，铬粉1～5％，以上各料粉组分总和为100％。

S2，混料：将步骤S1中配制好的粉料放入混料机中混合搅拌3～5h。优选的，所述混合搅拌时间为4h。

S3，压胚：将步骤S2中混合后的粉料冷压成型，成型压力800～1000MPa，保压时间10～30s。

当压力低于800MPa时压坯密度较小，尺寸偏差较大，压力高于1000Mpa时压坯密度过高且出现微小细裂纹。因此，900mpa压力保压20秒具有较高的良品率和生产效率。

S4，烧结：将步骤S3中压制好的坯料放入模具中，将模具和胚料一起置于网带式烧结炉中，通入保护气氛并进行烧结，烧结温度为900～1000℃，烧结时间为60～180min。所述保护气氛为氮氢混合气体，所述氮氢混合气体中的氮气和氢气的比例为1：1～5。所述烧结温度为980℃，所述烧结时间为120min。优选的，本实施例中，所述氮气和氢气的比例为1：3。

本实施例建立一个参考例，采用上述铜基摩擦材料烧结工艺和传统钟罩炉烧结和网带炉烧结在一个参照环境内获得其各自对应的产品参数。

实验数据：

通过实施例一公开的结构的参数进行实际测试，实验参数具体如下：

各粉料质量占比分别为铜粉40～60％，铁粉10～20％，铬铁粉5～15％，石墨5～15％，二硫化钼2～5％，陶瓷颗粒1～8％，镍粉1～5％，铬粉1～5％；

搅拌时间：4h；

成型压力：800～1000MPa；

保压时间：20s；

保护气氛：氮气和氢气比例为1：3的氮氢混合气体；

烧结时间：120min；

烧结温度：980℃。

对比项：钟罩炉烧结、网带炉烧结。

参考例1：

将粉料在混料机中混合4h，混合均匀后放入成型模具中，成型压力800MPa，保压时间20s。将压坯置于小背板上一起放入所述模具中，再将所述模具连同所述压胚一起放入网带式烧结炉中，在氮氢比例1：3的混合气氛中烧结成型，烧结温度为980℃，保温时间为120min。

参考例2：

将粉料在混料机中混合4h，混合均匀后放入成型模具中，成型压力900MPa，保压时间20s。将压坯置于小背板上一起放入所述模具中，再将所述模具连同所述压胚一起放入网带式烧结炉中，在氮氢比例1：3的混合气氛中烧结成型，烧结温度为980℃，保温时间为120min。

参考例3：

粉料在混料机中混合4h，混合均匀后放入成型模具中，成型压力1000MPa，保压时间20s。将压坯置于小背板上一起放入所述模具中，再将所述模具连同所述压胚一起放入网带式烧结炉中，在氮氢比例1：3的混合气氛中烧结成型，烧结温度为980℃，保温时间为120min。

对比例1：(钟罩炉烧结)

将混合均匀的粉料放入成型模具中，在500MPa压力下冷压成型，保压时间10s。再将冷压形成的压坯置于小背板上一起放入钟罩烧结炉中，在氮氢比例1：3的混合气氛中烧结成型，烧结温度为980℃，烧结压力4MPa，保温时间为120min。

对比例2：(网带炉烧结)

将混合均匀的粉料放入成型模具中，在1000MPa压力下冷压成型，保压时间10s。再将冷压形成的压坯置于小背板上一起放入网带烧结炉中，在氮氢比例1：3的混合气氛中烧结成型，烧结温度为980℃，保温时间为120min。

其中，参考例1～3均采用新的烧结工艺，将压制好的坯料放在对应模具中，通过模具本身对坯料进行限位塑性，从而不需要额外的加压装置控制材料尺寸精度，提高加工效率，简化工艺并降低能耗。同时，由于不需要加压装置进行塑性，所述坯料进一步采用网带炉进行烧结，使烧结过程连续运转，避免因更换冷却罩、加热罩、升温、冷却等造成的生产效率低等问题。对比例1和对比例2均为现有技术中的加工工艺，不多赘述。通过以上五组实验分别获得对应的五组不同的产品参数及加工效率，试验结果如下表所示，表1为参考例与对比例物理性能测试及效率统计表。

表1

实验项目包括硬度、剪切强度、粘接强度、高度误差以及烧结效率等。根据表1可知，参考例1～3各项性能与对比例1相当，说明本实施例烧结工艺能达到传统加压烧结的产品标准要求。但采用本实施例烧结工艺的参考例1～3在24h的生产过程中烧结效率约为3600个/天，而传统钟罩炉的烧结效率则约为2000个/天，相较于采用传统钟罩炉加压烧结的对比例1的烧结效率提升约80％。本实施例烧结工艺大大提高了生产效率，且不需要设置额外的加压装置控制尺寸精度，能耗小，有利于规模化生产。

而传统普通网带炉烧结的对比例2中，烧结效率约为3600个/天，与参考例1～3的烧结效率相同。但通过本实施例烧结工艺加工出的产品的硬度、剪切强度以及粘接强度对比与对比例2有明显的不同程度的提高，高度尺寸误差也更加小。显然，本实施例比采用传统普通网带炉烧结的对比例2具有更优的产品参数和成品率。

本实施例烧结工艺既解决了钟罩炉烧结效率低、能耗大的缺点，又解决了网带炉烧结产品尺寸精度差、粘接强度低的问题，通过模具限制坯料膨胀，保证了产品的尺寸精度和粘接强度，在通过网带炉烧结提高效率，降低能耗，实现了无压烧结。

实施例二：

请参考图2-3，一种用于上述铜基摩擦材料烧结工艺中的模具，包括壳体1和盖板2，所述壳体1包括一底板和环设在所述底板外缘处的侧壁，所述盖板2盖合在所述侧壁上与所述壳体1形成一密封的安装腔。所述安装腔内叠设有若干模板3，所述模板3上均匀设置有若干料槽31用于放置坯料。所述模板3之间依次贴合，且位于最下层的模板3底面与所述安装腔底面(壳体1的底板的顶面)贴合，位于最上层的模板3的顶面与所述安装腔的顶面(盖板2底面)贴合，使料槽31形成封闭的加工模腔，达到相应的限位效果。

具体的，所述盖板2中部环设有四个第一固定孔21，每个所述模板3上均设置有与所述第一固定孔21对应的第二固定孔32，预紧螺栓4贯穿所述第一固定孔21和所述第二固定孔32使所述盖板2和所述模板3之间固定，并对所述模板3的位置进行限位，避免加工过程中所述模板3发生位移影响加工精度。

本实施例中，所述模板3包括位于最上层的第一模板33和位于第一模板33下方的若干第二模板34，所述第一模板33上开设有若干第三固定孔331，所述第二模板34上设置有与所述第三固定孔331对应的第四固定孔341，第一连接螺栓5贯穿所述第三固定孔331和第四固定孔341使所述第一模板33和所述第二模板34之间固定。

进一步的，所述第三固定孔331的径向截面为阶梯状，包括高低依次设置的让位部332和连接部333，所述让位部332的直径大于所述连接部333的直径。所述让位部332与所述第一连接螺栓5的头部适配，所述连接部333与所述第一连接螺栓5的螺杆适配。所述第一连接螺栓5安装时，其头部完全位于所述第一模板33内并与所述第一模板33顶面齐平，所述头部顶面与所述盖板2底面贴合，使位于殴第一模板33上的料槽31可以于所述盖板2配合形成封闭的加工模腔。

本实施例中，所述盖板2外缘处均匀设置有若干第五固定孔22，所述壳体1的侧壁上设置有与所述第五固定孔22对应的第六固定孔11，第二连接螺栓6贯穿所述第五固定孔22和所述第六固定孔11使所述盖板2固定在所述壳体1顶部。

本实施例中，所述模板3的厚度为41mm，所述料槽31的深度为31mm，需设置有至少10mm的厚度以保证所述模板3的强度以及刚度，同时具有较多的承载空间，效率更高。本实施例中，所述料槽31体积大于待加工坯料体积，所述料槽31和待加工坯料的体积比约为1.3～1.1：1。所述料槽31侧壁设置有若干排气孔(图中未示出)。优选的，所述排气孔设置在所述料槽31侧壁顶部，所述排气孔孔径0.03～0.06mm。加工过程中，所述待加工坯料受热膨胀，此时模腔内气体被压缩并从所述排气孔中排出，气体的排出速率略小于坯料的膨胀速率，使上部气体首先从所述排气孔中排出，剩余气体在所述料槽31和上层结构形成的模腔内形成相对于坯料向上膨胀方向的压力，对所述坯料顶面施加一向下的压力，使其在加热过程中周向膨胀更加均匀，与所述料槽侧壁贴合。随加工时间变化，模腔内的气体全部从所述排气孔中排出，所述坯料膨胀至与模腔各面贴合，形成最终形状。通过上述设置，可使坯料在加热的过程中膨胀得更加均匀，由于本方案对工件的塑性完全依靠与料槽形成的模腔，因此通过预先设置一较小的排气孔，使气体的排出量与坯料的膨胀量形成差值，进而形成向下的压力，对坯料上顶面形成一个限位的作用，作用力大小及限位高度随气体状态排出而变化，使坯料趋向于先周向膨胀贴合，再随气体的继续排出逐渐进行轴向膨胀至与上顶面贴合。避免坯料各方向不受控的同步膨胀，而膨胀速率和膨胀量可能存在差值，易导致成品精度不足，影响加工效率和成品率。

工作原理：将压制好的坯料放在小背板上，再连通所述坯料和小背板一起放在所述料槽31中，将所述第一模板33和第二模板34依次重叠后用所述第一连接螺栓5固定，使其形成一个固定的整体，此时，所述第二模板34上的料槽31均已成为密闭空间。将固定好的模板连接体放入所述壳体1中，并盖上所述盖板2，使所述第一固定孔21和所述第二固定孔32，以及所述第五固定孔22和第六固定孔11之间分别对齐，所述第二连接螺栓6贯穿所述第五固定孔22和所述第六固定孔11使所述盖板2固定在所述壳体1顶部形成密闭安装腔，此时，所述第一模板33顶面与所述盖板2底面贴合。所述预紧螺栓4贯穿所述第一固定孔21和所述第二固定孔32使所述盖板2和所述模板3之间紧固，利用所述盖板2对位于所述第一模板33料槽内的烧结材料进行限位，保证烧结完成后的坯体的高度，同时对模板连接体进行限位，避免其发生相对于所述壳体1和盖板2的运动，影响加工精度。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于铜基摩擦材料烧结工艺的模具，其特征在于，包括壳体（1）和盖板（2），所述壳体（1）和盖板（2）固定形成密封的安装腔，所述安装腔内叠设有若干模板（3），所述模板（3）上均匀设置有若干料槽（31），所述盖板（2）上设置有若干第一固定孔（21），所述模板（3）上设置有与所述第一固定孔（21）对应的第二固定孔（32），预紧螺栓（4）贯穿所述第一固定孔（21）和所述第二固定孔（32）使所述盖板（2）和所述模板（3）之间固定；所述料槽（31）侧壁设置有若干排气孔，所述排气孔设置在所述料槽（31）侧壁顶部，所述排气孔孔径0.03~0.06mm；所述模板（3）包括位于最上层的第一模板（33）和位于第一模板（33）下方的若干第二模板（34），所述第一模板（33）上开设有若干第三固定孔（331），所述第二模板（34）上设置有与所述第三固定孔（331）对应的第四固定孔（341），第一连接螺栓（5）贯穿所述第三固定孔（331）和第四固定孔（341）使所述第一模板（33）和所述第二模板（34）之间固定。

2.根据权利要求1所述的一种模具，其特征在于，所述第三固定孔（331）的径向截面为阶梯状，包括高低依次设置的让位部（332）和连接部（333），所述让位部（332）与所述第一连接螺栓（5）的头部适配。

3.根据权利要求1所述的一种模具，其特征在于，所述盖板（2）外缘处均匀设置有若干第五固定孔（22），所述壳体（1）上设置有与所述第五固定孔（22）对应的第六固定孔（11），第二连接螺栓（6）贯穿所述第五固定孔（22）和所述第六固定孔（11）使所述盖板（2）固定在所述壳体（1）顶部。