CN116000282A

CN116000282A - 一种耐热铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法

Info

Publication number: CN116000282A
Application number: CN202211669314.1A
Authority: CN
Inventors: 马云海; 田一童; 李乐凯; 曹飞鹏; 刘国钦; 袁盛旺; 刘炫廷; 曹洪图; 李冰; 林晖栋
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2022-12-24
Filing date: 2022-12-24
Publication date: 2023-04-25

Abstract

本发明提供一种耐热铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，所述摩擦材料中各组分按照质量百分数计如下：铜包铁粉70～80％；二硫化钼3～5％；氧化铝2～4％；二氧化硅0.7～0.9％；硬脂酸锌0.3～0.5％；由石墨和铬粉为原材料制备得到的界面结合组元8～16％，所述的石墨在摩擦材料中的质量百分含量为5～12％，所述的铬粉在摩擦材料中的质量百分含量为3～4％；界面结合增强剂5～8％，所述的界面结合增强剂为超细铜粉；本发明将原料分批次混合后按照先后顺序投料制备得到的摩擦材料导热性能优异，生产成本低。

Description

一种耐热铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明属于摩擦材料技术领域，具体涉及一种耐热铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法。

背景技术

制动技术作为高速列车核心技术关系着列车运营的安全平稳，在高速列车紧急制动状态下，瞬间会产生巨大的动能并积累大量摩擦热，温度接近1000℃以上，高温导致热量的累积使制动系统性能递减甚至失效。制动材料的选取与制备直接影响着安全制动性能的优劣，随着材料科学的发展，具有更多优点的合金复合材料被相继研发并投入使用。

铜基粉末冶金摩擦材料因其具有优异的力学性能、导热性能和耐磨性能，已成为最可靠且应用最广的高速列车制动摩擦材料。石墨凭借其导热性能优异、获取成本低等优点成为铜基粉末冶金摩擦材料润滑组元的首选，然而，因其在烧结过程中极易出现与铜基体不互溶、界面结合较差等缺陷，使铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦学性能及导热性能不稳定。在铜基粉末冶金摩擦材料方面，已有一些相关研究，例如《一种含混合石墨的铜基粉末冶金摩擦材料基制备方法》(申请号为202110278542.5)中将原料粉末经混料、冷压、烧结形成摩擦材料，其存在由于一次性混料导致的石墨与铜界面结合强度差的缺陷。《一种铜锌合金复合材料及其制备方法》(申请号为201810031498.6)中通过酸处理、敏化处理、活化处理、石墨或泡沫炭表面镀铜或锌及铜锌镀层的合金化处理的过程制备铜锌复合材料，通过该工艺制成的合金材料通过在石墨化学镀金属实现了石墨表面合金化，但制备流程对设备要求高，工艺流程繁琐、复杂且工艺废液污染严重。《一种铁路客车用粉末冶金摩擦材料及其制备方法》(申请号为201910620516.9)中将铜粉、铁粉、锡粉、铬粉合金粉、镍粉、锰粉、钼合金粉和磷铁粉经机械合金化处理后，加入剩余组分和粘结剂进行混料，而后进行冷压成型、脱胶处理及无压高温烧结的制备粉末冶金摩擦材料，该方法将多种金属元素同时进行机械合金化处理，形成多元复杂界面体系，导致摩擦热传导受阻，导热能力差。根据上述可知当前粉末冶金摩擦材料中改善铜与石墨界面主要通过石墨表面合金化，但现有方法对设备要求高，工艺流程复杂，实际生产过程中受各种工艺参数影响大，难以满足摩擦性能及导热性能要求。

因此开发一种以保证材料性能为基础，工艺流程简单且工艺成本低的制备方法，具有积极意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐热铜基粉末冶金摩擦材料，其导热性能优异，制备方法流程简单、生产成本低。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种耐热铜基粉末冶金摩擦材料，所述摩擦材料中各组分按照质量百分数计如下：

铜包铁粉70～80％；

二硫化钼3～5％；

氧化铝2～4％；

二氧化硅0.7～0.9％；

硬脂酸锌0.3～0.5％；

由石墨和铬粉为原材料制备得到的界面结合组元13～16％；所述的石墨在摩擦材料中的质量百分含量为5～12％，所述的铬粉在摩擦材料中的质量百分含量为3～4％，

界面结合增强剂5～8％；所述的界面结合增强剂为超细铜粉。

作为本发明更优的技术方案，摩擦材料中各组分按照质量百分数计如下：

铜包铁粉71％；

超细铜粉6％；

石墨10％；

铬粉3.7％；

二硫化钼5％；

氧化铝3％；

二氧化硅0.8％；

硬脂酸锌0.5％。

本发明还有一个目的是提供所述的摩擦材料制备方法包括如下步骤：

S1、按上述质量百分含量称取原材料；

S2、将原材料精准投料和梯次喂料；

S21、将称取的铬粉和石墨放入球磨机中混合50～150min，转速为60～180r/min，得到混合粉末一；

S22、将超细铜粉加入混合粉末一中，放入球磨机中混合50～150min，转速为60～180r/min，得到混合粉末二；

S23、在混合粉末二中加入无水乙醇溶液静置30～60min，得到混合粉末三，无水乙醇含量0.3％

S24、将混合粉末三40～60℃下真空干燥100～120min，无水乙醇溶液完全挥发后得到混合粉末四；

S25、将铜包铁粉、二硫化钼、氧化铝、二氧化硅、硬脂酸锌按照先后顺序加入混合粉末四中，放入球磨机中混合10～20min，转速为120r/min，得到混合粉末五；

S3、将混合粉末五热压压制成坯体，压制压力为500～600Mpa，保压时间为50～60s，脱模取出得到样块；

S4、将样块进行加压烧结得到耐热粉末冶金摩擦材料，烧结过程中通入氢气作为保护气氛，烧结压力为1～2MPa，烧结温度为800～1000℃。

作为本发明更优的技术方案：所述的铜包铁粉纯度为99％，粒径35～45μm，铜包铁粉中铜的质量百分含量为35％铁的质量百分含量为65％

作为本发明更优的技术方案：所述的超细铜粉纯度为99％，粒度为6～7μm。

作为本发明更优的技术方案：所述的石墨为天然鳞片状石墨，粒度为180～250μm。。

作为本发明更优的技术方案：所述的铬粉为不规则粉末，纯度为99％，粒度为6～7μm。

作为本发明更优的技术方案：所述的二硫化钼为片状粉末，纯度为98％，粒径为30～50μm。

作为本发明更优的技术方案：所述的二氧化硅和氧化铝均为不规则粉末，纯度为95％，粒度均为50～100μm。

作为本发明更优的技术方案：所述的步骤S21中将铬粉和石墨放入球磨机中，混合120min，转速为130r/min，得到混合粉末一。

作为本发明更优的技术方案：所述的步骤S22中将超细铜粉加入混料第一阶段得到的混合粉末一中，放入球磨机中混合120min，转速为130r/min，得到混合粉末二。

作为本发明更优的技术方案：所述的步骤S24中将得到的混合粉末三放入真空干燥箱中进行干燥，时间110min，温度45℃，待到无水乙醇溶液完全挥发后，得到混合粉末四。

作为本发明更优的技术方案：将其余组分所述的步骤S25中按照先后顺序加入混料第二阶段得到的混合粉末四中，在球磨机中混合15min，转速为120r/min，得到混合粉末五。

有益效果如下：

1、本发明提供摩擦材料中添加界面结合组元，其中铬粉作为界面修饰成分，铬粉元素对石墨有较高的亲和力，经烧结后可与石墨生成化合物过渡层，超细铜粉作为材料组成部分，附在铬粉外层进一步增强石墨与铬粉之间的结合，同时烧结过程中放热反应产生的局部高温对界面进行进一步修饰，进而改善了石墨和铜的界面结合状态，提升粉末冶金摩擦材料的导热系数，进而增强其耐热性。

2、本发明的摩擦材料制备过程采用精准投料和梯次喂料的方法，将原料分批次混合后按照先后顺序投料，使铬粉更好的吸附在石墨表面，并且节约原料，反应过程更加可控，与传统石墨表面包覆金属铬粉相比，制备流程简化，生产成本降低。

3、本发明的摩擦材料制备过程使用无水乙醇溶液降低成本，另外无水乙醇作为极性分子溶剂进一步增强了金属元素吸附力，也因无水乙醇溶液具有挥发性且不与各种原料发生反应，在真空干燥后不会引入其他杂质。

附图说明

图1是本实施例1中梯次喂料第一阶段后混合粉末一的XRD衍射图谱。

图2是本发明的耐热铜基粉末冶金摩擦材料结构示意图。

具体实施方式

以下实施例中进一步定义本发明，根据以下的描述和这些实施例，本领域技术人员可以确定本发明的基本特征，并且在不偏离本发明本质和范围的情况下，可以对本发明做出各种改变和修改，以使其适用各种用途和条件。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

一种耐热铜基粉末冶金摩擦材料，其制备方法包括如下步骤：

步骤一、按原料种类和质量百分比要求称取所需原料；各组分及其重量配比为铜包铁粉71％、超细铜粉6％、石墨10％、铬粉3.7％、二硫化钼5％、氧化铝3％、二氧化硅0.8％和硬脂酸锌0.5％。

步骤二、采用精准投料梯次喂料，具体喂料顺序与操作流程如下：

A、精准投料第一阶段：将所述步骤一中称量完毕的铬粉和石墨放入球磨机中，混合100min，转速为140r/min，得到混合粉末一；

B、精准投料第二阶段：将超细铜粉加入混料第一阶段得到的混合粉末一中，放入球磨机中混合100min，转速为120r/min，得到混合粉末二；

C、吸附巩固阶段：在混合粉末二中加入适量无水乙醇溶液静置45min，得到混合粉末三；

D、真空干燥：将得到的混合粉末三放入真空干燥箱中进行干燥，时间100min，温度50℃，待到无水乙醇溶液完全挥发后，得到混合粉末四

E、梯次喂料阶段：将其余组分按照设计先后顺序加入混料第二阶段得到的混合粉末四中，在球磨机中混合10min，转速为120r/min，得到混合粉末五；

步骤三、压制：

将所述步骤二得到的混合粉末五放入热压机模腔中，热压压制成坯体，压制压力为550Mpa，保压时间为60s，而后脱模取出，得到样块；

步骤四、加压烧结：

将步骤三中压制成型的样块放入烧结炉中进行加压烧结，烧结过程中通入氢气作为保护气氛，烧结压力为1.8MPa，烧结温度为950℃，烧结时间为1.5h，取出得一种耐热粉末冶金摩擦材料。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：

按原料种类和质量百分比：铜包铁粉74％，超细铜粉5％，石墨10％，铬粉3.2％，二硫化钼3％，氧化铝3.7％，二氧化硅0.8％，硬脂酸锌0.3％。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：

按原料种类和质量百分比：铜包铁粉70％，超细铜粉7％，石墨11％，铬粉4％，二硫化钼4％，氧化铝2.7％，二氧化硅0.9％，硬脂酸锌0.4％。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：

按原料种类和质量百分比：铜包铁粉80％，超细铜粉5％，石墨5％，铬粉4％，二硫化钼3％，氧化铝2％，二氧化硅0.7％，硬脂酸锌0.3％。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于：

按原料种类和质量百分比：铜包铁粉70％，超细铜粉8％，石墨10％，铬粉3.7％，二硫化钼4％，氧化铝3％，二氧化硅0.8％，硬脂酸锌0.5％。

实施例6

本实施例与实施例1的区别在于：

A、精准投料第一阶段：将所述步骤一中称量完毕的铬粉和石墨放入球磨机中，混合120min，转速为130r/min，得到混合粉末一。

实施例7

本实施例与实施例1的区别在于：

B、精准投料第二阶段：将超细铜粉加入混料第一阶段得到的混合粉末一中，放入球磨机中混合120min，转速为130r/min，得到混合粉末二。

实施例8

本实施例与实施例1的区别在于：

C、吸附巩固阶段：在混合粉末二中加入适量无水乙醇溶液静置40min，得到混合粉末三。

实施例9

本实施例与实施例1的区别在于：

D、真空干燥：将得到的混合粉末三放入真空干燥箱中进行干燥，时间110min，温度45℃，待到无水乙醇溶液完全挥发后，得到混合粉末四。

实施例10

本实施例与实施例1的区别在于：

E、梯次喂料阶段：将其余组分按照先后顺序加入混料第二阶段得到的混合粉末四中，在球磨机中混合15min，转速为120r/min，得到混合粉末五。

实施例11

本实施例与实施例1的区别在于：

将压制成型的样块放入烧结炉中进行加压烧结，烧结过程中通入氢气作为保护气氛，烧结压力为1.8MPa，烧结温度为900℃，烧结时间为1.5h，取出得到耐热粉末冶金摩擦材料。

对比实施例1

首先将铜包铁粉、超细铜粉、石墨、铬粉、二硫化钼、氧化铝、二氧化硅和硬脂酸锌按照指定的比例加入混料机中混料210分钟，得到的混合粉末热压压制成坯体，压制压力为550Mpa，保压时间为55s，脱模取出得到样块；将样块进行加压烧结得到耐热粉末冶金摩擦材料，烧结过程中通入氢气作为保护气氛，烧结压力为2MPa，烧结温度为900℃。

对比实施例2

首先将铜包铁粉、二硫化钼、氧化铝、二氧化硅、硬脂酸锌和石墨按照指定的比例加入混料机中混料150分钟得到混合粉末一，再将超细铜粉和铬粉加入到混合粉末一中，得到的混合粉末热压压制成坯体，压制压力为550Mpa，保压时间为55s，脱模取出得到样块；将样块进行加压烧结得到耐热粉末冶金摩擦材料，烧结过程中通入氢气作为保护气氛，烧结压力为2MPa，烧结温度为900℃。

对比实施例3

首先将铜包铁粉、超细铜粉、二硫化钼、氧化铝、二氧化硅、硬脂酸锌和石墨按照指定的比例加入混料机中混料130分钟得到混合粉末一，再将铬粉加入到混合粉末一中，得到的混合粉末热压压制成坯体，压制压力为550Mpa，保压时间为55s，脱模取出得到样块；将样块进行加压烧结得到耐热粉末冶金摩擦材料，烧结过程中通入氢气作为保护气氛，烧结压力为2MPa，烧结温度为900℃。

对比实施例4

首先将铜包铁粉、铬粉、二硫化钼、氧化铝、二氧化硅、硬脂酸锌和石墨按照指定的比例加入混料机中混料140分钟得到混合粉末一，再将超细铜粉加入到混合粉末一中，得到的混合粉末热压压制成坯体，压制压力为550Mpa，保压时间为55s，脱模取出得到样块；将样块进行加压烧结得到耐热粉末冶金摩擦材料，烧结过程中通入氢气作为保护气氛，烧结压力为2MPa，烧结温度为900℃。

对比实施例中原材料质量百分比为铜包铁粉71％、超细铜粉6％、石墨10％、铬粉3.7％、二硫化钼5％、氧化铝3％、二氧化硅0.8％和硬脂酸锌0.5％。

将实施例和对比实施例制备得到的摩擦材料进行导热系数测试，结果如表1所示。

表1

实施例	<![CDATA[导热系数(W·m<sup>-1</sup>·K<sup>-1</sup>)]]>
		1	608
2	599
		3	587
4	604
		5	598
6	594
		7	603
8	591
		9	602
10	594
		11	592
对比实施例	<![CDATA[导热系数(W·m<sup>-1</sup>·K<sup>-1</sup>)]]>
		1	398
2	399
		3	405
4	412

将实施例中混合粉末一进行XRD检测，均显示石墨与铬的结合有CrC和Cr₂C两种物质生成增强了界面结合，其中实施例1衍射图谱如图1所示。将对比实施例中的混合粉末进行XRD检测，均未出现CrC和Cr₂C这两种物质，这是上述表1中对比实施例中导热系数低的原因。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种耐热铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述摩擦材料中各组分按照质量百分数计如下：

铜包铁粉70～80％；

二硫化钼3～5％；

氧化铝2～4％；

二氧化硅0.7～0.9％；

硬脂酸锌0.3～0.5％；

由石墨和铬粉为原材料制备得到的界面结合组元8～16％，所述的石墨在摩擦材料中的质量百分含量为5～12％，所述的铬粉在摩擦材料中的质量百分含量为3～4％；

界面结合增强剂5～8％，所述的界面结合增强剂为超细铜粉；

所述的摩擦材料制备方法包括如下步骤：

S1、按质量百分含量称取原材料；

S2、将原材料精准投料和梯次喂料；

S23、在混合粉末二中加入无水乙醇溶液静置30～60min，得到混合粉末三；

2.如权利要求1所述的耐热铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述的铜包铁粉粒径35～45μm。铜包铁粉中铜的质量百分含量为35％，其余为铁。

3.如权利要求1所述的耐热铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述的超细铜粉粒度为6～7μm。

4.如权利要求1所述的耐热铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述的石墨为天然鳞片状石墨，粒度为180～250μm。

5.如权利要求1所述的耐热铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述的铬粉为不规则粉末，粒度为6～7μm。

6.如权利要求1所述的耐热铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述的二硫化钼为片状粉末，粒径为30～50μm。

7.如权利要求1所述的耐热铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述的二氧化硅和氧化铝均为不规则粉末，粒度均为50～100μm。

8.如权利要求1所述的耐热铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述的步骤S21中将铬粉和石墨放入球磨机中，混合120min，转速为130r/min，得到混合粉末一。

9.如权利要求1所述的耐热铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述的步骤S22中将超细铜粉加入混料第一阶段得到的混合粉末一中，放入球磨机中混合120min，转速为130r/min，得到混合粉末二。

10.如权利要求1所述的耐热铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述的步骤S24中将得到的混合粉末三放入真空干燥箱中进行干燥，时间110min，温度45℃，待到无水乙醇溶液完全挥发后，得到混合粉末四。