CN115301941B - 一种制动铜铁基复合摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于制动摩擦材料制备技术领域，公开了一种制动铜铁基复合摩擦材料及其制备方法，在Fe‑Cu粉基体中添加强化组元Ni，合金组元Mn和Cr，摩擦组元WC，润滑组元石墨烯和铜包石墨，具体制备工艺为：1、选择原辅粉料；2、按照质量配比称量粉末；3、使用超声分散法与机械搅拌混合粉末；4、将混料冷压成圆柱形压坯；5、将压坯放入真空烧结炉热压烧结；6、取出试样超声清洗后风干；7、检测试样性能。本发明通过组分优化设计和工艺探索，所得粉末冶金铜铁摩擦材料孔隙率低且分布均匀，增强润滑膜的连续性，石墨烯在摩擦过程中产生的热能更好的传导至摩擦材料之外，结构不被破坏，保持石墨烯的完整性的同时减少团聚。
Description
技术领域
本发明涉及制动摩擦材料制备技术领域，特别提供了一种制动铜铁基复合摩擦材料及其制备方法。
背景技术
摩擦材料的工作原理是在各种制动装置中，利用摩擦材料的摩擦学性能将动能化为热能或其它形式的能量，从而使转动装置制动。粉末冶金摩擦材料是指以金属或合金为基体，添加强化组元，润滑组元，摩擦组元，运用粉末冶金技术制成的摩擦材料，广泛用于摩擦式离合器和摩擦式制动器的摩擦片的制作。摩擦材料要有稳定的摩擦系数，一定的高温力学性能，良好的导热性，耐磨性。运用粉末冶金技术制成的摩擦材料具有孔隙度相对容易控制、基本上一次成型、摩擦系数稳定、导热性优良、磨合性能好、环境污染小、使用寿命长等优点。
现阶段，粉末冶金铜基摩擦材料以其导热系数高、摩擦稳定和磨损量低等优点在交通运输、航天航空和军工国防等领域有广泛的应用前景。然而，铜基粉末冶金摩擦材料存在造价较高，硬度低，烧结后的致密度不高和磨损率高等一些问题，尤其是在高速轨道列车制动材料方面的应用，铁基粉末冶金摩擦材料与对偶件具有亲和性，噪声大，摩擦系数不稳定等问题，所以将铜基体与铁基体结合，可以更好的控制成本，同时保证良好的摩擦性能。目前粉末冶金铜铁基摩擦材料含碳量较低，摩擦材料的摩擦学性能和润滑性能差，同时因为铜与碳互不润湿，两种材料界面结合较差，使得基体连续性下降，强度降低，磨损加大。
发明内容
为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明从调节原料粉末的性质与含量入手，来改善粉末的润湿性的同时增加材料摩擦系数的稳定性，通常情况下碳以石墨形式直接添加到基体材料中，过多的石墨会分割合金基体，使得材料孔隙率增高，因此当润滑组元采用铜包石墨代替与铜润湿性能较差的石墨，能够有效提高铜铁基摩擦材料的摩擦磨损性能；而加入少量石墨烯可以在摩擦的接触面形成一层摩擦防护膜，避免了摩擦材料和对偶件的直接接触，由于石墨烯具有较低的表面能和非常高的强度，在摩擦过程中减少了能量的损耗，提高材料摩擦性能的稳定性，降低材料的摩擦系数和磨损量。
本发明采用的技术方案如下：
一种制动铜铁基复合摩擦材料，以质量100％计按如下配比组成：WC：1wt％-6wt％，Ni：3wt％-5wt％；Mn：1wt％-2wt％；Cr：1wt％-2wt％；铜包石墨：6wt％；石墨烯：0.1wt％-0.4wt％，铜包铁粉Fe-Cu取余量。
进一步的，所述Mn和Cr的质量比为1:1。
本发明所述的制动铜铁基复合摩擦材料的制备方法，是以Fe-Cu粉为基体，添加强化组元Ni、摩擦组元WC、润滑组元石墨烯、铜包石墨和合金组元Mn和Cr，制备出了制动铜铁复合摩擦材料；制备制动铜铁复合摩擦材料的具体工艺步骤如下：
第一步、选择原辅粉料；
铜包铁粉(Fe-Cu)：粒径＜75μm，WCu＝50％；
Ni粉：粒径＜75μm，WNi＞99.9％；
锰粉：粒径＜100μm，WMn＞99.9％；
铬粉：粒径＜100μm，WCr＞99.9％；
WC粉：粒径＜75μm，WWC＞99.9％；
铜包石墨粉：粒径＜75μm，WCu＝50％；
石墨烯粉末：粒径＜10μm，WGNs＞99.9％；
第二步、按照上述质量配比称量粉末，WC：1wt％-6wt％，Ni：3wt％-5wt％；Mn粉和Cr粉：1wt％-2wt％，Mn粉和Cr粉质量比为1:1；铜包石墨：6wt％；石墨烯：0.1wt％-0.4wt％，Fe-Cu取余量。
第三步、使用超声分散法与机械搅拌混合粉末，先将铜包石墨与石墨烯加入到无水乙醇中，在频率30KHz条件下，处理20min，然后将Fe-Cu、Ni粉、锰粉、铬粉、WC粉加入到混合液中，在超声40KHz条件加，搅拌1h，搅拌速率为100r/min，原料混合完成后，在60℃条件下干燥24h得到混合粉末；
第四步、将混料冷压成圆柱形压坯，在800MPa-1000MPa压力下将粉末冷压成直径为20mm，厚度为2mm的圆柱形压坯；
第五步、将压坯放入真空烧结炉热压烧结，压力为100MPa，加热速度为100℃/min-200℃/min，当温度达到1150℃后，加热保温2h后停止加热；随炉冷却至室温；
第六步、取出试样超声清洗后风干；
第七步、检测试样性能：硬度(HRC)65-100，摩擦系数0.3-0.6，磨损率(2-5.5)×10-10g/N.m。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
首先本次发明的粉末混合方法相较于传统的混料方式可以让粉末混合更均匀，同时减少石墨烯的团聚现象，保护石墨烯的结构不被破坏。同时采用石墨烯粉末和铜包石墨粉末替代石墨粉末，两种润滑组元共同作用可以优化材料的摩擦性能。铜包石墨改善了铜包铁粉与石墨粉末的润湿性，制备得到的摩擦材料镀铜层中具有细小的空间三维网络结构，与强化组元Ni一同提高了铜铁摩擦材料的整体强度，并且在摩擦磨损过程中，包覆在铜里面的石墨会被剥离出来并在摩擦表面形成润滑膜，防止与对偶件之间发生严重的磨损；石墨烯具有小尺寸的特点，可以填充在摩擦出的裂痕和犁沟之间，保持润滑膜的连续性，此外石墨烯本身具有高强度和优秀的导热性能，与铜包石墨共同保护摩擦材料的基体不被破坏。摩擦材料孔隙的数量较少且较小，孔隙分布更加均匀，具有高强度、低磨损率、稳定摩擦系数的特点。
附图说明
图1是本发明实施例3制备的材料的表面形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案进行进一步详细的说明。这些说明只是举例说明本发明的特征和优点，而非限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
实施例1
(1)制造工艺：
铜包铁粉(Fe-Cu)(粒径＜75μm，WCu＝50％)；
Ni粉(粒径＜75μm，WNi＞99.9％)；
锰粉(粒径＜100μm，WMn＞99.9％)；
铬粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)；
WC粉(粒径＜75μm，WWC＞99.9％)；
铜包石墨粉(粒径＜75μm，WCu＝50％)；
石墨烯粉末(粒径＜10μm，WGNs＞99.9％)；
第二步、设计质量配比，WC：1wt％，Ni：3wt％；Mn粉1wt％，Cr粉：1wt％；铜包石墨：6wt％，石墨烯：0.1wt％，Fe-Cu：87.9wt％。
第三步、按上述原料配比称取各原料，先将铜包石墨与石墨烯加入到无水乙醇中，在频率30KHz条件下，处理20min，然后将Fe-Cu、Ni粉、锰粉、铬粉、WC粉加入到混合液中，在超声40KHz条件加，搅拌1h，搅拌速率为100r/min，原料混合完成后，在60℃条件下干燥24h得到混合粉末。
在800MPa-1000MPa压力下将粉末冷压成直径为20mm，厚度为2mm的圆柱形压坯；
将冷坯体放入热真空热压烧结炉中烧结，压力为100MPa；加热速度为100℃/min-200℃/min，当温度达到1150℃后，加热保温2h后停止加热；随炉冷却至室温；
取出试样超声清洗后风干；
(2)检测结果：硬度HRC65、摩擦系数0.45、磨损率5.3×10-10g/N.m。
实施例2
(1)制造工艺：
铜包铁粉(Fe-Cu)(粒径＜75μm，WCu＝50％)；
Ni粉(粒径＜75μm，WNi＞99.9％)；
锰粉(粒径＜100μm，WMn＞99.9％)；
铬粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)；
WC粉(粒径＜75μm，WWC＞99.9％)；
铜包石墨粉(粒径＜75μm，WCu＝50％)；
石墨烯粉末(粒径＜片径＜7-15μm，WGNs＞99.9％)；
第二步、设计质量配比，WC：2wt％，Ni：4wt％；Mn粉：1.5wt％；Cr粉：1.5wt％；铜包石墨：6wt％；石墨烯：0.2wt％，Fe-Cu：84.8wt％。
第三步、按上述原料配比称取各原料，先将铜包石墨与石墨烯加入到无水乙醇中，在频率30KHz条件下，处理20min，然后将Fe-Cu、Ni粉、锰粉、铬粉、WC粉加入到混合液中，在超声40KHz条件加，搅拌1h，搅拌速率为100r/min，原料混合完成后，在60℃条件下干燥24h得到混合粉末。
在800MPa-1000MPa压力下将粉末冷压成直径为20mm，厚度为2mm的圆柱形压坯；
将冷坯体放入热真空热压烧结炉中烧结，压力为100MPa；加热速度为100℃/min-200℃/min，当温度达到1150℃后，加热保温2h后停止加热；随炉冷却至室温；
取出试样超声清洗后风干；
(2)检测结果：硬度HRC75、摩擦系数0.4、磨损率4×10-10g/N.m。
实施例3
(1)制造工艺：
铜包铁粉(Fe-Cu)(粒径＜75μm，WCu＝50％)；
Ni粉(粒径＜75μm，WNi＞99.9％)；
锰粉(粒径＜100μm，WMn＞99.9％)；
铬粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)；
WC粉(粒径＜75μm，WWC＞99.9％)；
铜包石墨粉(粒径＜75μm，WCu＝50％)；
石墨烯粉末(粒径＜10μm，WGNs＞99.9％)；
第二步、设计质量配比，WC：3wt％，Ni：4wt％；Mn粉：1.5wt％；Cr粉：1.5wt％；铜包石墨：6wt％；石墨烯：0.3wt％，Fe-Cu：83.7wt％。
第三步、按上述原料配比称取各原料，先将铜包石墨与石墨烯加入到无水乙醇在频率30KHz条件下，处理20min，然后将Fe-Cu、Ni粉、锰粉、铬粉、WC粉加入到混合液中，在超声40KHz条件加，搅拌1h，搅拌速率为100r/min，原料混合完成后，在60℃条件下干燥24h得到混合粉末。
在800MPa-1000MPa压力下将粉末冷压成直径为20mm，厚度为2mm的圆柱形压坯；
将冷坯体放入热真空热压烧结炉中烧结，压力为100MPa；加热速度为100℃/min-200℃/min，当温度达到1150℃后，加热保温2h后停止加热；随炉冷却至室温；
取出试样超声清洗后风干；
(2)检测结果：硬度HRC95、摩擦系数0.35、磨损率2.5×10-10g/N.m。
实施例4
(1)制造工艺：
铜包铁粉(Fe-Cu)(粒径＜75μm，WCu＝50％)；
Ni粉(粒径＜75μm，WNi＞99.9％)；
锰粉(粒径＜100μm，WMn＞99.9％)；
铬粉(粒径＜100μm，WCr＞99.9％)；
WC粉(粒径＜75μm，WWC＞99.9％)；
铜包石墨粉(粒径＜75μm，WCu＝50％)；
石墨烯粉末(片径＜7-15μm，WGNs＞99.9％)；
第二步、设计质量配比，WC：4wt％，Ni：5wt％；Mn粉：2wt％；Cr粉：2wt％；铜包石墨：6wt％；石墨烯：0.4wt％，Fe-Cu：80.6wt％。
第三步、按上述原料配比称取各原料，先将铜包石墨与石墨烯加入到无水乙醇中，在频率30KHz条件下，处理20min，然后将Fe-Cu、Ni粉、锰粉、铬粉、WC粉加入到混合液中，在超声40KHz条件加，搅拌1h，搅拌速率为100r/min，原料混合完成后，在60℃条件下干燥24h得到混合粉末。
在800MPa-1000MPa压力下将粉末冷压成直径为20mm，厚度为2mm的圆柱形压坯；
将冷坯体放入热真空热压烧结炉中烧结，压力为100MPa；加热速度为100℃/min-200℃/min，当温度达到1150℃后，加热保温2h后停止加热；随炉冷却至室温；
取出试样超声清洗后风干；
(2)检测结果：硬度HRC85、摩擦系数0.45、磨损率5.1×10-10g/N.m。
对比例
本申请相比较于专利CN112553534A，在成分配比上做出改变，基体组元由Fe-25Cu改为Fe-Cu粉末，增加了Cu元素含量，使摩擦材料的导热性，易加工性增强。增加Ni等组元的含量来增强摩擦材料的综合力学性能。其次在原有润滑组元铜包石墨的基础上加入了强度大且导热性能优秀的石墨烯，通过加入石墨烯可以使摩擦材料在制动过程中产生的热量更容易被传导至摩擦材料外，以此保护摩擦材料在制动过程中因热量升高导致材料磨损率上升。
相较于专利CN112553534A，各组元混料方式由传统的球磨混料变为超声分散法与机械搅拌混合粉末，将各组元溶于乙醇溶液进行超声分散，然后进行搅拌，这样混料的方式不仅可以使各组元混合均匀，还可以保护石墨烯结构在混料时不被破坏，这样石墨烯在Fe-Cu基体里产生的团聚现象就会减小。同时升温速度变快，有利于晶粒细化，减少晶粒长大的时间，起到一定的细晶强化作用。
通过以上对组元成分以及混料方式，升温速度做出的改变，本次实验得到的摩擦材料，保持着一定的摩擦系数，同时磨损率大大降低，材料的硬度也得到了提高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种制动铜铁基复合摩擦材料，其特征在于，以质量100％计按如下配比组成：WC：1wt％-6wt％，Ni：3wt％-5wt％；Mn：1wt％-2wt％；Cr：1wt％-2wt％；铜包石墨：6wt％；石墨烯：0.1wt％-0.4wt％，铜包铁粉Fe-Cu取余量；
制备方法包括以下工艺步骤：
第一步、选择原辅粉料；
铜包铁粉Fe-Cu：粒径＜75μm，WCu＝50％；
Ni粉：粒径＜75μm，WNi＞99.9％；
锰粉：粒径＜100μm，WMn＞99.9％；
铬粉：粒径＜100μm，WCr＞99.9％；
WC粉：粒径＜75μm，WWC＞99.9％；
铜包石墨粉：粒径＜75μm，WCu＝50％；
石墨烯粉末：粒径＜10μm，WGNs＞99.9％；
第二步、按照上述质量配比称量粉末；
第三步、使用超声分散法与机械搅拌混合粉末，先将铜包石墨与石墨烯加入到无水乙醇中，在频率30KHz条件下，处理20min，然后将Fe-Cu、Ni粉、锰粉、铬粉、WC粉加入到混合液中，在超声40KHz条件加，搅拌1h，搅拌速率为100r/min，原料混合完成后，在60℃条件下干燥24h得到混合粉末；
第四步、将混料冷压成圆柱形压坯，在800MPa-1000MPa压力下将粉末冷压成直径为20mm，厚度为2mm的圆柱形压坯；
第五步、将压坯放入真空烧结炉热压烧结，压力为100MPa，加热速度为100℃/min-200℃/min，当温度达到1150℃后，加热保温2h后停止加热；随炉冷却至室温；
第六步、取出试样超声清洗后风干；
第七步、检测试样性能。
2.如权利要求1所述的一种制动铜铁基复合摩擦材料，其特征在于，所述Mn和Cr的质量比为1:1。
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| CN202210966411.0A CN115301941B (zh) | 2022-08-12 | 一种制动铜铁基复合摩擦材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115301941A CN115301941A (zh) | 2022-11-08 |
| CN115301941B true CN115301941B (zh) | 2024-07-12 |
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112059189A (zh) * | 2020-08-24 | 2020-12-11 | 北京科技大学 | 一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片及制备方法 |
| CN112553534A (zh) * | 2019-10-18 | 2021-03-26 | 大连大学 | 一种铜铁基摩擦材料的制备方法 |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112553534A (zh) * | 2019-10-18 | 2021-03-26 | 大连大学 | 一种铜铁基摩擦材料的制备方法 |
| CN112059189A (zh) * | 2020-08-24 | 2020-12-11 | 北京科技大学 | 一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片及制备方法 |
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