CN115740428A - 一种粉末冶金摩擦材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉末冶金摩擦材料及其制备方法和应用，所述粉末冶金摩擦材料，由主要原料与辅料制成，其主要原料按质量百份比计，组成如下：铜粉50～70％，铁粉10～25％，石墨5～15％，硅砂5～15％，铬铁粉1～6％，二硫化钼1～5％，锡粉2～6％；所述辅料为煤油。本发明所提供的粉末冶金摩擦材料热传导性能良好，能降低高能载时的材料工作温度，材料的均匀性高，性能稳定，有良好的峰均比，磨损率低满足使用寿命的要求，低速抗粘接性能好，降低摩擦表面在低速条件下的粘接磨损，寿命长，可满足低速重载重型直升机的使用。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金摩擦材料制备技术领域，具体涉及一种粉末冶金摩擦材料及其制备方法和应用。
背景技术
重型直升机(最大起飞重量超过20吨)具有较快的速度，运载能力大，能通过内载或外部吊挂的方式运载重型施工设备或大型武器装备，且无需大型机场起降，具有无可替代的战略意义。
然而重型直升机的设计机轮尺寸偏小，导致刹车装置的设计空间有限，刹车副的单位面积能载很大，现有的粉末冶金摩擦材料一般是针对高速低单位面积能载的使用条件，在低速(小于常规的160～300km/h的制动工作速度)高单位面积能载的情况下，制动力矩、制动稳定性、材料的寿命均存在问题，具体表现为动静摩擦系数不能满足制动性能要求，材料的稳定系数、力矩峰均比不能满足要求，材料的磨损率不能满足要求。因此粉末冶金摩擦材料无法应用于重型直升机。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种粉末冶金摩擦材料。
本发明的第二个目的在于提供一种粉末冶金摩擦材料的制备方法。
本发明的第三个目的在于提供一种粉末冶金摩擦材料的应用，将所述粉末冶金摩擦材料用于低速重载重型直升机。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种粉末冶金摩擦材料，所述粉末冶金摩擦材料，由主要原料与辅料制成，其主要原料按质量百分比计，组成如下：铜粉50～70％，铁粉10～25％，石墨5～15％，硅砂5～15％，铬铁粉1～6％，二硫化钼1～5％，锡粉2～6％；所述辅料为煤油。
本发明所提供的粉末冶金摩擦材料，以Cu作为基体，其具有高的导热率，保证摩擦过程散热良好，具有良好的塑性且易于压制，可以降低高能载工作条件下的材料温度，提高摩擦系数降低磨损稳定摩擦过程；Fe提高材料整体的硬度，强度，适量的铁还可以提高在低速条件下与摩擦钢对偶的胶合作用来提高摩擦系数；石墨起到提高材料耐磨性能，改善摩擦过程稳定性的作用，Sn的作用是对铜基体起到合金化，提高材料整体性能，FeCr的加入提高铁的合金化程度，可以起到降低摩擦系数，稳定摩擦系数，同时还有一定降低磨损的作用。SiO2是一种良好的低速摩擦剂，起到提高摩擦系数的作用，同时由于高硬度的特性可以在摩擦过程中带走对偶表面的磨屑，减少黏着，而且较为便宜，成本较低；MoS2在高能载的工作条件下作为高温摩擦调节剂，可以起到提高摩擦系数的作用，同时由于其分子层间的抗剪切力很低，又可以起到跟石墨类似的稳定摩擦系数的作用；在上述主元及成份配比的协调作用下，本发明所提供的粉末冶金摩擦材料热传导性能良好，能降低高能载时的材料工作温度，材料的均匀性高，性能稳定，有良好的峰均比，磨损率低满足使用寿命的要求，低速抗粘接性能好，降低摩擦表面在低速条件下的粘接磨损，寿命长，可满足低速重载重型直升机的使用。
优选的方案，所述主要原料按质量百分比计，组成如下：铜粉62～67％，铁粉13～15％，石墨7～9％，硅砂5～7％，铬铁粉2～3％，二硫化钼1～3％，锡粉2～3％。
优选的方案，所述石墨为由平均粒径为50目的鳞片石墨A、平均粒径为80目的鳞片石墨B、平均粒径为100目的鳞片石墨C组成，按质量比计，鳞片石墨A：鳞片石墨B：鳞片石墨C＝1～4：1～4：1～4，优选为2～3:2～3:2～3。
发明人发现，当石墨采用三种不同粒径的鳞片石墨时，可以增强材料的压制性能，降低石墨偏析程度提高材料一致性，同时可以改善摩擦面掉块和降低磨损。
在实际操作过程中，所用50目鳞片石墨的牌号为LG300-94，80目鳞片石墨的牌号为LG180-94，100目鳞片石墨的牌号为LG(-)150-94。
优选的方案，所述铜粉为电解铜粉，所述铜粉的粒径为45～75μm。
优选的方案，所述铁粉为还原铁粉，所述铁粉的粒径为45～75μm。
优选的方案，所述铬铁粉的粒径为45～75μm。
优选的方案，所述锡粉的粒径为45～75μm。
优选的方案，所述二硫化钼为胶体二硫化钼，二硫化钼的粒径为1.5～4μm。
发明人发现，采用上述粒径的各原料，最终材料的性能最优。
优选的方案，所述煤油为航空煤油，所述煤油的加入量为主要原料总质量的1.0～2.0％。
本发明一种粉末冶金摩擦材料的制备方法，先称取二硫化钼通过40目筛网后与铜粉混合，然后再加入铁粉，铬铁粉，锡粉过40目筛网后混合，获得混合粉A，将石墨与煤油混合获得混合粉B，将混合粉B、硅砂加入混合粉A中先进行人工预混，再于混料机混合获得混合料，将混合料压制成型获得压坯，将压坯与支撑钢背贴合后，进行烧结，即得粉末冶金摩擦材料。
发明人发现，混料的过程对最终摩擦材料的性能具有较大的影响，加料过程需先将二硫化钼通过40目筛网，与铜粉混合，不然胶体二硫化钼易成团混合不均，航空煤油需先与石墨充分接触，不然会导致鳞片石墨混合过程偏析不均匀，因此只有采用本发明提供的混料方式才可使各组份完全混合均匀，从而经过最终的烧结后，使各组份均匀，获得优异性能的粉末冶金摩擦材料。
优选的方案，混料机的转速为40～100转/min，混料机中混合的时间为1～6h。
优选的方案，所述压制成型的压力为200～500Mpa，保压的时间≤5s，优选为1～3s。发明人发现，通过本发明混合好后的粉末，只需保压1～3s即能够压制成型，而若压制时间过长反而会导致材料内应力过大，材料粉末形变严重，粉末易分层且脱模之后材料易膨胀导致密度发生变化。
在本发明中，所用钢背采用1.2mm的20号优质碳素结构钢冷轧钢板加工而成，烧结完成后钢背表面镀层应色泽均匀，无材料剥落及严重气泡。
优选的方案，所述烧结时，单位面积压力为1.0～2.0MPa，烧结的温度为900～950℃，烧结的时间为2～4h。
进一步的优选，所述烧结的过程为：先于50-80min内，由室温升温至380～420℃，控制单位面积压力为0.4～0.6MPa，再于110～130min内，由380～420℃升温至910～940℃，控制单位面积压力为1.0～2.0MPa，然后于910～940℃，保温2～3h，然后随炉冷却至室温。
采用上述升温方式，可以保证各不同相变温度的组元之间的反应充分发生，提高材料的力学性能和材料整体力学性能的一致性，升温程序不合理会导致材料烧结过程不充分，影响材料的强度，硬度，密度等性能。
本发明还提供一种粉末冶金摩擦材料的应用，将所述粉末冶金摩擦材料用于低速重载重型直升机。
在实际操作过程中，使用车床、磨床等设备对烧结后的粉末冶金摩擦材料进行后续处理，使产品的外形、尺寸、表面状态满足要求，将机加工处理完成的摩擦片使用铆钉和液压机铆接在准备好的刹车副骨架上，形成最终的刹车副产品。
有益效果
本发明所提供的一种粉末冶金摩擦材料，以Cu作为基体，其具有高的导热率，保证摩擦过程散热良好，具有良好的塑性且易于压制，可以降低高能载工作条件下的材料温度，提高摩擦系数降低磨损稳定摩擦过程；Fe提高材料整体的硬度，强度，适量的铁还可以提高在低速条件下与摩擦钢对偶的胶合作用来提高摩擦系数；石墨起到提高材料耐磨性能，改善摩擦过程稳定性的作用，Sn的作用是对铜基体起到合金化，提高材料整体性能，FeCr的加入提高铁的合金化程度，可以起到降低摩擦系数，稳定摩擦系数，同时还有一定降低磨损的作用。SiO2是一种良好的低速摩擦剂，起到提高摩擦系数的作用，同时由于高硬度的特性可以在摩擦过程中带走对偶表面的磨屑，减少黏着，而且较为便宜，成本较低；MoS2在高能载的工作条件下作为高温摩擦调节剂，可以起到提高摩擦系数的作用，同时由于其分子层间的抗剪切力很低，又可以起到跟石墨类似的稳定摩擦系数的作用；在上述主元及成份配比的协调作用下，本发明所提供的粉末冶金摩擦材料热传导性能良好，能降低高能载时的材料工作温度，材料的均匀性高，性能稳定，有良好的峰均比，磨损率低满足使用寿命的要求，低速抗粘接性能好，降低摩擦表面在低速条件下的粘接磨损，寿命长，可满足低速重载重型直升机的使用，且大幅提高了使用寿命，现有摩擦材料应用于重型直升机的使用寿命不超过500次制动，本发明使用寿命可达800次制动。
附图说明
图1实施例1所提供的刹车副的图样。
图2实施例1所提供的摩擦片的图样。
具体实施方式
实施例1
材料配方：Cu含量64％，Fe含量14％，50目石墨含量3％，80目石墨含量3％，100目石墨含量3％，MoS2含量2％，海砂(硅砂)含量6％，FeCr含量2％，Sn含量3％，额外加入总质量1.5％的航空煤油。
制备过程为：
混料：按配方比例称取二硫化钼通过40目筛网后与铜粉混合，称取除石墨、海砂以外的全部粉末加入前述混合粉末中然后通过40目筛网后混合均匀，称取石墨并加入航空煤油混合均匀后与海砂一起加入前述混合粉末中，将混合料装入混料机混合6小时。
压型：称取适量的混合料置于专用模具中以300MPa压力进行压制，保压时间2秒。
烧结：1阶段：室温～400℃，单位面积压力0.5MPa，升温时间60min
2阶段：400℃～920℃，单位面积压力1.0MPa，升温时间120min
3阶段：920℃，单位面积压力1.0MPa，保温时间150min
4阶段：冷却，11#炉压1.0MPa，冷却到室温烧结过程通氢气气体作为保护气体。
将烧结后所得使用车床、磨床等设备对烧结后的粉末冶金摩擦材料进行后续处理，使产品的外形、尺寸、表面状态满足要求(如图2所示)，将机加工处理完成的摩擦片使用铆钉和液压机铆接在准备好的刹车副骨架上，形成最终的刹车副产品(如图1所示)。应用于某型号低速重型直升机(工作速度为≤70km/h，重载:最大起飞重量超过20吨)的使用寿命达800次制动。
另将实施例1所得摩擦材料在摩擦磨损试验台上使用重型直升机的模拟工作条件进行试验，并与现有粉末冶金摩擦材料进行对比，试验转速3000rpm，试验惯量0.62kg·m2，试验刹车压力1.5MPa，刹车次数10次，取后5次平均值，结果如下表1所示。
实施例2
材料配方：Cu含量67％，Fe含量13％，50目石墨含量4％，80目石墨含量2％，100目石墨含量1％，MoS2含量2％，海砂含量6％，FeCr含量2％，Sn含量3％，额外加入总质量1.5％的航空煤油。
混料：按配方比例称取二硫化钼通过40目筛网后与铜粉混合，称取除石墨、海砂以外的全部粉末加入前述混合粉末中然后通过40目筛网后混合均匀，称取石墨并加入航空煤油混合均匀后与海砂一起加入前述混合粉末中，将混合料装入混料机混合6小时。
压型：称取适量的混合料置于专用模具中以300MPa压力进行压制，保压时间2秒。
烧结：1阶段：室温～400℃，单位面积压力0.5MPa，升温时间60min
2阶段：400℃～920℃，单位面积压力1.0MPa，升温时间120min
3阶段：920℃，单位面积压力1.0MPa，保温时间150min
4阶段：冷却，11#炉压1.0MPa，冷却到室温烧结过程通氢气气体作为保护气体。
将实施例2所得摩擦材料在摩擦磨损试验台上使用重型直升机的模拟工作条件进行试验，并与现有粉末冶金摩擦材料进行对比，试验转速3000rpm，试验惯量0.62kg·m2，试验刹车压力1.5MPa，刹车次数10次，取后5次平均值，结果如下表1所示。
实施例3
材料配方：Cu含量62％，Fe含量15％，50目石墨含量3％，80目石墨含量3％，100目石墨含量3％，MoS2含量2％，海砂含量6％，FeCr含量3％，Sn含量3％，额外加入总质量1.5％的航空煤油。
混料：按配方比例称取二硫化钼通过40目筛网后与铜粉混合，称取除石墨、海砂以外的全部粉末加入前述混合粉末中然后通过40目筛网后混合均匀，称取石墨并加入航空煤油混合均匀后与海砂一起加入前述混合粉末中，将混合料装入混料机混合6小时。
压型：称取适量的混合料置于专用模具中以300MPa压力进行压制，保压时间2秒。
烧结：1阶段：室温～400℃，单位面积压力0.5MPa，升温时间60min
2阶段：400℃～920℃，单位面积压力1.0MPa，升温时间120min
3阶段：920℃，单位面积压力1.0MPa，保温时间150min
4阶段：冷却，11#炉压1.0MPa，冷却到室温烧结过程通氢气气体作为保护气体。
将实施例3所得摩擦材料在摩擦磨损试验台上使用重型直升机的模拟工作条件进行试验，并与现有粉末冶金摩擦材料进行对比，试验转速3000rpm，试验惯量0.62kg·m2，试验刹车压力1.5MPa，刹车次数10次，取后5次平均值，结果如下表1所示。
对比例1
其他条件与实施例1相同，仅将2％铬铁粉替换为基体铜粉。将对比例1所制得的摩擦材料，在摩擦磨损试验台上使用重型直升机的模拟工作条件进行试验，并与现有粉末冶金摩擦材料进行对比，试验转速3000rpm，试验惯量0.62kg·m2，试验刹车压力1.5MPa，刹车次数10次，取后5次平均值，结果如下表1所示。
对比例2
其他条件与实施例1相同，仅是均采用50目的石墨粉。将对比例2所得摩擦材料在摩擦磨损试验台上使用重型直升机的模拟工作条件进行试验，并与现有粉末冶金摩擦材料进行对比，试验转速3000rpm，试验惯量0.62kg·m2，试验刹车压力1.5MPa，刹车次数10次，取后5次平均值，结果如下表1所示。
对比例3
其他条件与实施例1相同，仅仅是将2％的基体铜粉替换为2％的镍粉。将对比例3所得摩擦材料在摩擦磨损试验台上使用重型直升机的模拟工作条件进行试验，并与现有粉末冶金摩擦材料进行对比，试验转速3000rpm，试验惯量0.62kg·m2，试验刹车压力1.5MPa，刹车次数10次，取后5次平均值，结果如下表1所示。
表1
Claims (10)
1.一种粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述粉末冶金摩擦材料，由主要原料与辅料制成，其主要原料按质量百分比计，组成如下：铜粉50～70％，铁粉10～25％，石墨5～15％，硅砂5～15％，铬铁粉1～6％，二硫化钼1～5％，锡粉2～6％；所述辅料为煤油。
2.根据权利要求1所述的一种粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述主要原料按质量百分比计，组成如下：铜粉62～67％，铁粉13～15％，石墨7～9％，硅砂5～7％，铬铁粉2～3％，二硫化钼1～3％，锡粉2～3％。
3.根据权利要求1或2所述的一种粉末冶金摩擦材料，其特征在于：
所述石墨为由平均粒径为50目的鳞片石墨A、平均粒径为80目的鳞片石墨B、平均粒径为100目的鳞片石墨C组成，按质量比计，鳞片石墨A：鳞片石墨B：鳞片石墨C＝1～4：1～4：1～4。
4.根据权利要求1或2所述的一种粉末冶金摩擦材料，其特征在于：
所述铜粉为电解铜粉，所述铜粉的粒径为45～75μm；
所述铁粉为还原铁粉，所述铁粉的粒径为45～75μm。
所述铬铁粉的粒径为45～75μm。
所述锡粉的粒径为45～75μm。
所述二硫化钼为胶体二硫化钼，二硫化钼的粒径为1.5～4μm。
5.根据权利要求1或2所述的一种粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述煤油为航空煤油，所述煤油的加入量为主要原料总质量的1.0～2.0％。
6.权利要求1-5任意一项所述的一种粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于：先称取二硫化钼通过40目筛网后与铜粉混合，然后再加入铁粉，铬铁粉，锡粉过40目筛网后混合，获得混合粉A，将石墨与煤油混合获得混合粉B，将混合粉B、硅砂加入混合粉A中先进行人工预混，再于混料机混合获得混合料，将混合料压制成型获得压坯，将压坯与支撑钢背贴合后，进行烧结，即得粉末冶金摩擦材料。
7.根据权利要求6所述的一种粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于：
混料机的转速为40～100转/min，混料机中混合的时间为1～6h，
所述压制成型的压力为200～500Mpa，保压的时间≤5s。
8.根据权利要求7所述的一种粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于：
所述烧结时，单位面积压力为1.0～2.0MPa，烧结的温度为900～950℃，烧结的时间为2～4h。
9.根据权利要求8所述的一种粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于：
所述烧结的过程为：先于50-80min内，由室温升温至380～420℃，控制单位面积压力为0.4～0.6MPa，再于110～130min内，由380～420℃升温至910～940℃，控制单位面积压力为1.0～2.0MPa，然后于910～940℃，保温2～3h，然后随炉冷却至室温。
10.权利要求1-5任意一项所述的一种粉末冶金摩擦材料的应用，其特征在于：将所述粉末冶金摩擦材料用于低速重载重型直升机。
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|---|---|---|---|
| CN202211251205.8A CN115740428A (zh) | 2022-10-13 | 2022-10-13 | 一种粉末冶金摩擦材料及其制备方法和应用 |
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| CN (1) | CN115740428A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117900485A (zh) * | 2024-02-01 | 2024-04-19 | 华东交通大学 | 一种高耐磨粉末冶金材料旁承磨耗板及其制备方法 |
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- 2022-10-13 CN CN202211251205.8A patent/CN115740428A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117900485A (zh) * | 2024-02-01 | 2024-04-19 | 华东交通大学 | 一种高耐磨粉末冶金材料旁承磨耗板及其制备方法 |
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