CN116213712A - 一种铜基粉末冶金摩擦材料及摩擦盘制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及摩擦材料制备技术领域，具体是一种铜基粉末冶金摩擦材料及摩擦盘制备方法。所述材料包括以下组分：50％～65％的铜粉、10％～20％的铁粉、2％～5％的钼粉、2％～5％的碳化硅、5％～10％的铬铁粉、2％～6％的铜纤维、5％～10％的石墨，所有材料组分总含量为100％。

Description

一种铜基粉末冶金摩擦材料及摩擦盘制备方法
技术领域
本发明涉及摩擦材料制备技术领域，具体是一种铜基粉末冶金摩擦材料及摩擦盘制备方法。
背景技术
铁-铜基粉末冶金摩擦材料具有高的导热性，保证摩擦副在制动过程中散热良好，产品应用过程中摩擦磨损性能稳定，在轨道交通、航海航空、工程机械等领域具有广泛的应用。
近年来，空中加油技术高速发展，软管加油系统由于结构简单、便于拆装，可同时安装多套系统而被广泛应用，其卷盘装置是加油机完成软管伸出、受油、收回等工作的重要结构。
粉末冶金摩擦副首次应用于软管加油系统卷盘装置中，该装置工作状态复杂，要求在低能量低压力低转速条件下，具有较高的制动力矩，因此对粉末冶金摩擦材料提出更高的性能要求。
专利CN105506346B提供了一种粉末冶金制动闸片摩擦材料的制备方法，在MM3000摩擦磨损试验机上对材料进行测试，在相当于350km/h的速度下，其平均摩擦系数0.366～0.375。但低能量低转速低压力工况下粉末冶金摩擦材料性能未得到论证。
专利CN104384504B提供了一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，其主要成分为铜粉、铁粉、碳化硅粉、硫化锰粉、锆刚玉粉、石墨粉、镍粉、钴粉、氧化铝粉、钾长石粉、硅微粉，其特征在于铜粉60-64份、铁粉6-10份、碳化硅粉3-6份、硫化锰粉3-6份、锆刚玉粉4-7份、石墨粉10-14份、镍粉1-4份、钴粉2-5份、氧化铝粉2-5份、钾长石粉2-5份、硅微粉1-4份。其实施例摩擦系数0.330～0.345，磨损量0.0045～0.0050mm，但并未对其使用、试验工况条件进行说明，不能充分说明粉末冶金摩擦材料性能。
发明内容
本发明目的：本发明提出一种铜基粉末冶金摩擦材料及摩擦盘制备方法，采用较少的粉末冶金材料组成、合适的配比及工艺方法，提高各组分之间的协调作用，实现材料在低能量低压力低转速条件下具有优良的摩擦磨损性能。
技术方案如下：
一种铜基粉末冶金摩擦材料，包括以下组分：
50％～65％的铜粉、10％～20％的铁粉、2％～5％的钼粉、2％～5％的碳化硅、5％～10％的铬铁粉、2％～6％的铜纤维、5％～10％的石墨，所有材料组分总含量为100％。
进一步，所述材料包括以下组分：
50％～58％的铜粉、11％～20％的铁粉、2％～5％的钼粉、2％～5％的碳化硅、5％～10％的铬铁粉、2％～6％的铜纤维、5％～9％的石墨，所有材料组分总含量为100％。
一种铜基粉末冶金摩擦盘制备方法，所述摩擦盘基于所述的材料制备，所述摩擦盘包括摩擦体和基体；所述方法包括以下步骤：
步骤一：按照权利要求1或2中所述的材料组分配比准备原材料；
步骤二：利用还原性气体分别对铜粉和铁粉进行加热还原；
步骤三：将加热还原后的铜粉和铁粉分别放入球磨机中各自球磨1h～2h；
步骤四：按照材料组分配比依次称取球磨后的铜粉、铁粉及其他原材料；
步骤五：将全部材料放入双锥混料机中混合15h～20h，得到铜基粉末冶金混合料；
步骤六：称取铜基粉末冶金混合料，放入冷压模具中，并用刮平器刮平，然后对铜基粉末冶金混合料冷压成型得到摩擦体；
步骤七：选取基体，并对基体进行表面处理；
步骤八：将所述摩擦体放置在基体表面并用胶带固定，然后放入钟罩式加压烧结炉中进行加压烧结，得到铜基粉末冶金摩擦盘毛坯；
步骤九：将所述铜基粉末冶金摩擦盘毛坯置于压力机上进行第二次冷压成型得到最终的铜基粉末冶金摩擦盘。
进一步，所述步骤一中，准备的原材料包括：纯度超过99.8％的电解铜粉；纯度超过98.0％的铁粉；纯度超过98％的碳化硅；Cr含量≥60％的铬铁粉；纯度超过99.8％的铜纤维；纯度超过99.5％的钼粉；纯度超过99.00％的鳞片石墨；
所述碳化硅粒度大于120目；所述铬铁粉粒度小于200目；所述铜纤维直径为0.02～0.05mm。
进一步，所述步骤二中，
所述还原性气体包括：氢气、一氧化碳、硫化氢；
在氮气气氛保护下，在380℃～450℃高温中利用还原性气体对铜粉还原1.5h～2h；
在氮气气氛保护下，在580℃～650℃高温中利用还原性气体对铁粉还原1.5h～2h。
进一步，所述步骤四中，在称取的铜粉、铁粉及其他原材料中加入混合油，每公斤原材料加入10ml混合油。
进一步，所述步骤六中，冷压成型时对混合料施加压强为400MPa～600MPa，保压时间10s～15s。
进一步，所述步骤八中，加压烧结时的温度为950℃～1000℃，升温速度为5℃/min～7℃/min，保温时间210min～240min；
加压烧结时在摩擦体表面施加15kg/cm2～21kg/cm2的压力；
烧结结束后对钟罩式加压烧结炉水浴冷却至60℃以下卸压出炉。
进一步，所述步骤九中，第二次冷压成型压力为1.0t/cm2～1.5t/cm2，保压时间5s～8s。
与现有技术相比，本申请有以下技术效果：
1.本发明科学地设计高性能铁-铜基粉末冶金摩擦材料的各成分组成，以铜、铁为基体元素，采用碳化硅、铬铁粉、铜纤维作为摩擦元素，在材料内部形成颗粒增强机制和纤维增强机制，提高材料的摩擦性能，钼粉作为合金元素强化基体，制备的铜基摩擦材料具有良好的摩擦磨损性能、抗氧化性能及机械性能。
2.本发明根据材料使用工况，选用适合的原材料组成，设计独特的材料配比、压制参数及烧结参数，采用粉末冶金技术制备满足使用条件的粉末冶金摩擦材料。
3.本发明中摩擦元素选用碳化硅、铬铁粉、铜纤维在材料内部同时形成颗粒增强和纤维增强机制，两种增强机制共同作用，可通过较少元素组成，实现材料高摩擦性能的要求。
4.本发明加入合金元素钼粉，工作中受热易于氧化，可降低刹车装置表面温度，提高材料稳定性。
5.本发明加入铁粉，不仅作为基体元素，又作为合金元素，与钼粉同时作用，提高基体材料的强度、硬度、抗氧化性等；还作为摩擦元素，高温烧结时，与石墨形成珠光体组织，可较大程度提高材料的摩擦系数及耐磨性。
6.本发明中提出对基体进行表面处理，增强摩擦材料压坯与基体的粘结性。
7.本发明中将烧结后的铁-铜基粉末冶金摩擦材料制品进行第二次冷压成型，提高材料的物理性能、摩擦磨损等性能。
8.本发明制备的铁-铜基粉末冶金摩擦副在低能量低压力低转速工况体现出优异的摩擦磨损性能。
9.本发明制备的铁-铜基粉末冶金摩擦副首次应用于某软管加油系统卷盘装置，可同时满足多种复杂工作状态需求。
附图说明
为了更清晰地说明本发明具体实施方案，下面将对方案具体的附图加以说明。图1是本发明获得的铁-铜基粉末冶金刹车盘与铝合金对偶件组成的摩擦副，在B1000试验台进行1︰1制动模拟试验曲线图。
具体实施方式
为了使本发明方案的技术方案及优势更加清楚明了，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提出一种独特的铁-铜基粉末冶金摩擦材料组成，其特征在于，所述粉末冶金摩擦材料以35％～40％的铜粉为基体元素；35％～40％的铁粉与铜粉共同作为基体元素，作为合金元素，与4％～6％的钼粉作用，提高基体材料的强度，又作为摩擦元素，与石墨在高温环境中形成珠光体组织，可较大程度提高材料的摩擦系数及耐磨性；7％～12％的碳化硅、1％～3％的铬铁粉、2％～7％的铜纤维为摩擦元素，材料内部颗粒增强和纤维增强共同作用，实现材料高摩擦性能的要求；4％～6％的钼粉为合金元素，提高基体材料的强度，且钼粉受热易氧化，可降低刹车装置表面温度，提高材料稳定性；4％～7％的鳞片石墨为润滑元素，提高材料的耐磨性能。
本发明提供一种性能优良的粉末冶金摩擦副制备方法，其特征在于，所述粉末冶金摩擦副在低能量低压力低转速工况具有优良的摩擦磨损性能，平均摩擦系数为μcp＝0.51～0.61，铁-铜基粉末冶金摩擦材料线性磨损量≤0.005mm/面·次，铝合金对偶件磨损量≤0.001mm/面·次。
本发明提供了一种高性能铁-铜基粉末冶金摩擦材料及摩擦盘的制备，首次应用于某软管加油系统卷盘装置中，实现该装置伸出、受油、收回等多种任务状态。
本发明提出一种高性能铁-铜基粉末冶金摩擦材料及摩擦副的制备方法，具体按照以下步骤进行：
1.原材料准备
所述原材料组成包括纯度超过99.8％的电解铜粉；纯度超过98.0％的铁粉；纯度超过98％的碳化硅；Cr含量≥60％的铬铁粉；纯度超过99.8％的铜纤维；纯度超过99.5％的钼粉；纯度超过99.00％的鳞片石墨；
所述碳化硅粒度大于120目；所述铬铁粉粒度小于200目；所述铜纤维直径为0.02mm～0.05mm。
2.电解铜粉、铁粉在氨分解气气氛保护下进行还原，电解铜粉还原温度为380℃～450℃，铁粉还原温度为580℃～650℃，保温时间1.5h～2h。
3.将还原合格的电解铜粉、铁粉分别放入球磨机中各自球磨1h～2h。
4.按照比例依次称取经过处理的原材料，每公斤混合料加入10ml混合油，其中混合油为机油和汽油按1︰1混合而成。原材料组成见表1。
表1
Figure BDA0004126585560000061
5.将所有原材料在双锥混料机中混合15h～20h，得到铁-铜基粉末冶金摩擦材料的混合料。
6.根据产品设计要求用电子天平称取上述规定的铁-铜基摩擦材料的混合料，倒入模具中用刮平器刮平，通过冷压成型的方式压制成密度4.5g/cm3～5.5g/cm3的压坯。所述冷压成型压坯施加压强为400MPa～600MPa，保压时间10s～15s。
7.根据摩擦材料基体与粉末冶金摩擦材料的性能特征，对基体进行吹砂、镀铜、振光等表面处理，以增强两者之间的结合性。基体为板状，材质低碳钢20#；
8.将得到的粉末冶金摩擦材料压坯按要求有序地排列在经过表面处理的基体上，用胶带纸固定形成组合件，重复叠放在钟罩式加压烧结炉中进行加压烧结，将各组合件之间用不锈钢垫板隔开，防止产品之间粘连。
9.对所述钟罩式加压烧结炉在通氨分解气的条件下以5℃/min～7℃/min升温至950℃～1000℃，施加15kg/cm2～21kg/cm2的压力，并保压保温210min～240min。烧结结束后，对炉子进行水浴冷却至60℃以下卸压出炉，得到铜基粉末冶金摩擦材料制品。
10.将上述烧结后的铁-铜基粉末冶金摩擦材料制品第二次冷压成型，压力为1.0t/cm2～1.5t/cm2，保压时间5s～8s，得到高密度、高强度、摩擦磨损性能优良的铁-铜基粉末冶金摩擦材料制品。
11.将上述制品按照图纸要求加工成特定形状，即完成铁-铜基粉末冶金摩擦材料产品的整个制备过程。
12.根据使用条件及与铁-铜基粉末冶金摩擦材料的匹配性，选择铝合金为对偶材料，按图纸要求加工成对偶件，与上述铁-铜基粉末冶金摩擦材料产品形成摩擦副。
本发明成功制备出一种高性能粉末冶金摩擦副，适用于某软管加油系统卷盘装置。铁-铜基粉末冶金摩擦材料的硬度为HRF45～65，密度为5.0g/cm3～6.0g/cm3，抗压强度183MPa～207MPa。在MM3000摩擦磨损性能试验台上验证摩擦副的平均摩擦系数μcp＝0.51～0.61，铁-铜基粉末冶金摩擦材料线性磨损量≤0.005mm/面·次，对偶件磨损量≤0.001mm/面·次。
本实施例提出了一种高性能铁-铜基粉末冶金摩擦材料组成及其制备的方法，制得可满足某软管加油系统卷盘装置的多种任务状态的粉末冶金摩擦副。通过5个实施例具体说明材料组成及摩擦副的制备方法。
本发明提出的各实施例组分见表2，各组分含量为质量百分比。
表2
实施例 铜粉 铁粉 碳化硅 铬铁粉 铜纤维 钼粉 石墨
1 35％ 40％ 8％ 3％ 3％ 6％ 5％
2 40％ 36％ 8％ 1％ 4％ 4.5％ 6.5％
3 37％ 35％ 12％ 2％ 2％ 5％ 7％
4 36％ 38％ 7％ 1.5％ 7％ 4.5％ 6％
5 39％ 36％ 11％ 2.5％ 3.5％ 4％ 4％
实施例中所述的铁-铜基粉末冶金摩擦材料具体制备过程是：
步骤1：原材料准备
所述电解铜粉中Cu的含量≥99.8％，执行标准GB/T5246-2007
所述铁粉中Fe的含量≥98.0％，执行标准GB/T4136-1994
所述碳化硅为大于120目，SiC的含量≥98％，执行标准GB/T 2480-2008
所述铬铁粉为小于200目，Cr的含量≥60％，执行标准GB/T5683-2008
所述铜纤维直径为0.02～0.05mm，Cu的含量≥99.8％。
所述钼粉中Mo的含量≥99.5％，执行标准GB/T 3461-2006
所述鳞片石墨中C的含量≥99.00％，执行标准GB/T 3518-2008
步骤2：电解铜粉的还原：将电解铜粉置于还原炉中，在氨分解气保护气氛中进行还原，以消除所述电解铜粉中的氧含量及加工硬化现象。还原温度：380℃～450℃，保温时间：1.5h～2h，得到还原后的电解铜粉。
步骤3：铁粉的还原：将铁粉置于还原炉中，在氨气分解气保护气氛中进行还原，以消除所述铁粉中的氧含量及加工硬化现象。还原温度：580℃～650℃，保温时间：1.5h～2h，得到还原后的铁粉。
步骤4：球磨：将还原合格的电解铜粉和铁粉分别放入球磨机中各自球磨1h～2h。球磨时，钢球与电解铜粉的质量比为10︰1，钢球与铁粉的质量比为10︰1。
步骤5：烘干：将碳化硅和鳞片石墨分别放在烘箱内烘干。烘干温度为120℃～180℃，保温时间3.5h～5.5h。
步骤6：配料：按实施例组分配比称取铜粉、铁粉、碳化硅、铬铁粉、铜纤维、钼粉、石墨倒入料盒中，每公斤混合料加入10ml混合油，初步搅拌均匀。所涉及混合油为机油和汽油按1︰1混合而成。
步骤7：混料：将初步搅拌均匀的混合料在双锥混料机中混合15h～20h，混料机转速为40r/min～45r/min。
步骤8：压制：根据压坯的工艺要求称取得到的混合料，倒入模具中，并用刮平器刮平，在5000KN液压机上冷压成型，施加压强为400 MPa～600MPa，保压时间10s～15s。得到密度为4.5 g/cm3～5.5 g/cm3的铁-铜基粉末冶金摩擦材料压坯。本发明提出的各实施例压制的工艺参数见表3：
表3
Figure BDA0004126585560000081
Figure BDA0004126585560000091
步骤9：基体表面处理：对基体进行吹砂、镀铜、振光等表面处理，增强两者之间的结合性。
步骤10：烧结：将得到的铁-铜基粉末冶金摩擦材料压坯有序地排列在经过表面处理的基体上，用胶带纸固定组装成组合件。将组合件重复叠放在钟罩式加压烧结炉内进行加压烧结，各组合件之间用不锈钢垫板隔开。本发明提出的各实施例烧结的工艺参数见表4：
表4
实施例 1 2 3 4 5
烧结压力(kg/cm2) 17 19 21 18 15
烧结温度(℃) 975 1000 950 980 985
保温时间(min) 230 220 210 210 240
步骤11：将上述烧结后所得的铁-铜基粉末冶金摩擦材料制品进行第二次冷压成型，压力为1.0t/cm2～1.5t/cm2，保压时间5s～8s，得到高密度、高强度、摩擦磨损性能优良的铁-铜基粉末冶金摩擦材料制品。
步骤12：将上述制品按照图纸要求加工成特定形状，即完成铁-铜基粉末冶金摩擦材料产品的整个制备过程。本实施例所得铁-铜基粉末冶金摩擦材料的机械性能见5：
表5
Figure BDA0004126585560000092
步骤13：根据使用条件及与摩擦材料的匹配性，选择铝合金为对偶材料，按图纸要求加工成对偶件，与上述铁-铜基粉末冶金摩擦材料产品形成摩擦副。
本实施例模拟某软管加油系统卷盘装置的使用工况，通过本发明获得试样，在MM3000摩擦磨损性能试验台上验证本发明的效果。
(1)试样规格：Ф75×Ф55；
(2)对偶材料：铝合金；
(3)试验条件：惯量J＝0.035kg/cm2，正向压力F＝428N，转速N＝360rpm；
(4)试验结果：平均摩擦系数μcp＝0.51～0.61，铁-铜基粉末冶金摩擦材料线性磨损量≤0.005mm/面·次，对偶件磨损量≤0.001mm/面·次。
按照上述实施例所得摩擦副的摩擦磨损性能见表6：
表6
Figure BDA0004126585560000101
本发明获得的铁-铜基粉末冶金刹车盘与铝合金刹车盘组成的摩擦副，在B1000试验台进行1︰1制动模拟试验。如图1所示。
试验条件：刹车速度40rpm，载荷30kN。
试验结果：该摩擦副制动力矩试验进行50次，力矩峰值范围在4.07kN·m～4.69kN·m之间，满足某软管加油系统卷盘装置的技术要求。

Claims (9)

1.一种铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述材料包括以下组分：
50％～65％的铜粉、10％～20％的铁粉、2％～5％的钼粉、2％～5％的碳化硅、5％～10％的铬铁粉、2％～6％的铜纤维、5％～10％的石墨，所有材料组分总含量为100％。
2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述材料包括以下组分：
50％～58％的铜粉、11％～20％的铁粉、2％～5％的钼粉、2％～5％的碳化硅、5％～10％的铬铁粉、2％～6％的铜纤维、5％～9％的石墨，所有材料组分总含量为100％。
3.一种铜基粉末冶金摩擦盘制备方法，所述摩擦盘基于权利要求1或2中所述的材料制备，所述摩擦盘包括摩擦体和基体；其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：按照权利要求1或2中所述的材料组分配比准备原材料；
步骤二：利用还原性气体分别对铜粉和铁粉进行加热还原；
步骤三：将加热还原后的铜粉和铁粉分别放入球磨机中各自球磨1h～2h；
步骤四：按照材料组分配比依次称取球磨后的铜粉、铁粉及其他原材料；
步骤五：将全部材料放入双锥混料机中混合15h～20h，得到铜基粉末冶金混合料；
步骤六：称取铜基粉末冶金混合料，放入冷压模具中，并用刮平器刮平，然后对铜基粉末冶金混合料冷压成型得到摩擦体；
步骤七：选取基体，并对基体进行表面处理；
步骤八：将所述摩擦体放置在基体表面并用胶带固定，然后放入钟罩式加压烧结炉中进行加压烧结，得到铜基粉末冶金摩擦盘毛坯；
步骤九：将所述铜基粉末冶金摩擦盘毛坯置于压力机上进行第二次冷压成型得到最终的铜基粉末冶金摩擦盘。
4.根据权利要求3所述的摩擦盘制备方法，其特征在于：所述步骤一中，准备的原材料包括：纯度超过99.8％的电解铜粉；纯度超过98.0％的铁粉；纯度超过98％的碳化硅；Cr含量≥60％的铬铁粉；纯度超过99.8％的铜纤维；纯度超过99.5％的钼粉；纯度超过99.00％的鳞片石墨；
所述碳化硅粒度大于120目；所述铬铁粉粒度小于200目；所述铜纤维直径为0.02～0.05mm。
5.根据权利要求4所述的摩擦盘制备方法，其特征在于：所述步骤二中，
所述还原性气体包括：氢气、一氧化碳、硫化氢；
在氮气气氛保护下，在380℃～450℃高温中利用还原性气体对铜粉还原1.5h～2h；
在氮气气氛保护下，在580℃～650℃高温中利用还原性气体对铁粉还原1.5h～2h。
6.根据权利要求3所述的摩擦盘制备方法，其特征在于：所述步骤四中，在称取的铜粉、铁粉及其他原材料中加入混合油，每公斤原材料加入10ml混合油。
7.根据权利要求3所述的摩擦盘制备方法，其特征在于：所述步骤六中，冷压成型时对混合料施加压强为400MPa～600MPa，保压时间10s～15s。
8.根据权利要求3所述的摩擦盘制备方法，其特征在于：所述步骤八中，加压烧结时的温度为950℃～1000℃，升温速度为5℃/min～7℃/min，保温时间210min～240min；
加压烧结时在摩擦体表面施加15kg/cm2～21kg/cm2的压力；
烧结结束后对钟罩式加压烧结炉水浴冷却至60℃以下卸压出炉。
9.根据权利要求3所述的摩擦盘制备方法，其特征在于：所述步骤九中，第二次冷压成型压力为1.0t/cm2～1.5t/cm2，保压时间5s～8s。
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