CN116479284A - 高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料及其制备方法,所述材料由下述组分按质量百分比组成:铜粉57%~66%,锡粉3%~8%,锌粉4%~8%,镍粉1%~4%,钛粉1%~4%,石墨16%~20%,石油焦1%,硫化铋3%~5%,氧化锆2%~5%,氧化镁2%~5%。该湿式铜基摩擦材料通过新的成分设计,优化配方结构及工艺,采用多元合金元素锡、锌、镍、钛来强化铜基体,采用氧化锆和氧化镁作为摩擦组元,采用混合石墨、硫化铋、石油焦作为润滑组元,各组分综合作用使所制备的铜基摩擦材料具有摩擦因数高且稳定、磨损率低、能量吸收水平和功率水平高等特点,满足高能量高功率密度工况变速机构湿式离合器操纵部件的使用需求。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦材料技术领域,特别是一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料及其制备方法。
背景技术
湿式铜基摩擦材料因具有承载性高、耐热性和导热性好,磨损率低、啮合平稳及摩擦因数高而稳定等特性被广泛应用于船舶、工程车辆、特种军用车辆变速机构离合器操纵部件中,实现传递扭矩能力和解脱能力,尤其是在大型工程机械、重载军用履带装甲车辆的传动系统中,广泛采用了动力换档变速器,其中的多片式离合器操纵摩擦副在工作过程中,具有相对转速高、结构紧凑、传递功率大等特征,是实现车辆传动装置档位转换和功率传递的核心执行元件;摩擦副工作在狭小密闭的空间环境内,通过结合可控摩擦实现高速换档能量转换,工作过程中承受高频机械冲击和高热冲击,热负荷条件苛刻且复杂,因此摩擦副能量负荷要求日益提高,导致摩擦表面温升随之大幅增加,摩擦副易发生黏着损伤和黏着失效。针对重负荷车辆传动系统操纵摩擦副常处于高能量高功率密度工况环境的使用需求,为达到理想的总体性能指标,当前迫切需要围绕制约铜基摩擦材料耐热性能、摩擦磨损性能等材料配方关键技术展开研究工作,以满足重负荷车辆的使用需求。
湿式粉末冶金铜基摩擦材料是以铜及合金为基体,添加强化合金组元、润滑组元和摩擦组元组成的复合材料。其中,基体的组织结构、物理力学性能及各组元在基体中的分布、孔隙率的大小决定了摩擦材料的强度、热稳定性、导热性及摩擦磨损性能。增加铜基摩擦材料成分中的碳含量和孔隙率是提高铜基摩擦材料能量吸收能力和比吸收功率的主要途径,但碳含量和孔隙率的增加会造成对基体连续性的损害,严重降低摩擦材料的基体强度,基体强度降低又会导致材料的承载能力、导热能力和热稳定性等摩擦学性能下降,极大地限制了材料在苛刻服役条件下的应用,虽然现有湿式铜基摩擦材料配方技术和工艺技术已取得一定的进展,但配方设计中还存在各组元结构和单元材料选用不合理的问题,无法同时兼顾摩擦材料的基体强度、高摩擦因数、摩擦因数稳定性、耐磨性、高速高温稳定性等各项性能,难以满足重负荷车辆高能量高功率密度摩擦工况的使用需求。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料及其制备方法,用于解决现有湿式粉末冶金铜基摩擦材料难以兼顾基体强度、高摩擦因数、摩擦因数稳定性、耐磨性、高速高温稳定性等各项性能的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供第一解决方案:提供了一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料,包括合金组元、润滑组元和摩擦组元;以质量百分比计,合金组元包括以下原料:铜粉57%~66%、锡粉3%~8%、锌粉4%~8%、镍粉1%~4%、钛粉1%~4%;以质量百分比计,润滑组元包括以下原料:混合石墨16%~20%、石油焦1%、硫化铋3%~5%;以质量百分比计,摩擦组元包括以下原料:氧化锆2%~5%、氧化镁2%~5%。
优选的,合金组元中,铜粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;锡粉含量≥99.5wt%,粒径为-325目;锌粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;镍粉含量≥99.5wt%,粒径为-325目;钛粉含量≥99.8wt%,粒径为-325目。
其中,混合石墨由天然磷片石墨和人造颗粒石墨复配构成,且天然磷片石墨和人造颗粒石墨的质量比为1:1~1.5:1。
优选的,天然磷片石墨的碳含量≥99.5wt%,粒径为-200目;人造颗粒石墨的碳含量≥99.5wt%,粒径为-200目。
优选的,润滑组元中,石油焦粒径为-100目。
优选的,润滑组元中,硫化铋含量≥98wt%,粒径为-325目。
优选的,摩擦组元中,氧化锆含量≥98.5wt%,粒径为-325目;氧化镁含量≥98wt%,粒径为-200目。
为解决上述技术问题,本发明提供第二解决方案:提供了一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料的制备方法,该制备方法用于制备前述第一解决方案中的高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料,包括以下步骤:S1,按比例称取各组分原料,将除混合石墨和石油焦以外的原料与煤油按1kg:10ml的比例于V型混料机中混合,混合时间为30~60min,然后将混合石墨和石油焦倒入继续混合30min,出料后过筛得到混合料;S2,在200~300MPa压制压力下,将S1步骤中所得的混合料冷压成型,得到密度为4.0~4.4g/cm3的压坯;S3,将压坯与镀铜钢芯板叠装,在钟罩式烧结炉中进行加压烧结,保护气氛为分解氨。
优选的,S3步骤中,在分解氨气氛的保护下进行加压烧结,烧结温度为800~860℃,烧结压力为1.2MPa~1.6MPa,烧结保温时间3~4h后,移除外罩(加热炉体),在内罩上仍保持施加单位压力0.5-1Mpa,然后随内罩空冷至70℃以下出炉。
本发明的有益效果是:区别于现有技术的情况,本发明提供了一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料及其制备方法,通过优化配方结构及工艺,采用如锡、锌、镍、钛等多元合金元素来强化铜基体,采用氧化锆和氧化镁作为摩擦组元,采用大比例的天然鳞片石墨和人造颗粒石墨搭配使用以及添加合成金属硫化物硫化铋、石油焦作为润滑组元,综合作用使所制备的铜基摩擦材料同时具有摩擦因数高且稳定、磨损率低,能量吸收水平和功率水平高等特点,满足高能量高功率密度工况变速机构湿式离合器操纵部件的使用需求。
本发明所提出摩擦材料配方成份设计,在各组元成分协同增强效应下,动、静摩擦因数高且稳定,静、动摩擦因比值小,抗压强度高、具有极好的载荷和抗磨损性能,导热性好,具有高能量吸收水平和高功率传递水平,接合平稳,无振颤噪音,性能稳定、可靠,制备方法简单,工艺成熟、稳定,可满足批量化生产。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,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,均属于本发明保护的范围。
对于本发明提供第一解决方案,高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料包括合金组元、润滑组元和摩擦组元;以质量百分比计,合金组元包括以下原料:铜粉57%~66%、锡粉3%~8%、锌粉4%~8%、镍粉1%~4%、钛粉1%~4%;以质量百分比计,润滑组元包括以下原料:混合石墨16%~20%、石油焦1%、硫化铋3%~5%;以质量百分比计,摩擦组元包括以下原料:氧化锆2%~5%、氧化镁2%~5%。其中,混合石墨由天然磷片石墨和人造颗粒石墨复配构成,且天然磷片石墨和人造颗粒石墨的质量比为1:1~1.5:1;优选的,天然磷片石墨的碳含量≥99.5wt%,粒径为-200目;人造颗粒石墨的碳含量≥99.5wt%,粒径为-200目。该湿式铜基摩擦材料中同时引入适量的锡、锌、镍、钛多元合金元素,基体材料的表观硬度显著增加,这是因为合金元素锡、锌、镍、钛对基体铜起到了很好的固溶强化作用;在各组元成分的协同增强效应下,满足重负荷车辆传动装置对铜基摩擦材料性能指标的要求:(1)能量负荷许用值Ca≥70000JW/cm4;(2)动摩擦因数μd≥0.07,静摩擦因数μj≥0.1,(3)磨损率≤1×l0-8 cm3/J。
本实施方式中,合金组元中,铜粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;锡粉含量≥99.5wt%,粒径为-325目;锌粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;镍粉含量≥99.5wt%,粒径为-325目;钛粉含量≥99.8wt%,粒径为-325目。
本实施方式中,润滑组元中,石油焦粒径为-100目;硫化铋含量≥98wt%,粒径为-325目。
本实施方式中,摩擦组元中,氧化锆含量≥98.5wt%,粒径为-325目;氧化镁含量≥98wt%,粒径为-200目。
对于本发明提供第二解决方案,该制备方法用于制备前述第一解决方案中的高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料,包括以下步骤:
S1,按比例称取各组分原料,将除混合石墨和石油焦以外的原料与煤油按1kg:10ml的比例于V型混料机中混合,混合时间为30~60min,然后将混合石墨和石油焦倒入继续混合30min,出料后过筛得到混合料。
S2,在200~300MPa压制压力下,将S1步骤中所得的混合料冷压成型,得到压坯。本步骤中,烧结后所得压坯的密度为4.0~4.4g/cm3,表观硬度为HRR65-95,具体可采用塑料洛氏硬度计和电子天平对压坯的硬度和密度进行测量,在此不做限定。
S3,将压坯与镀铜钢芯板叠装,在钟罩式烧结炉中进行加压烧结,保护气氛为分解氨气氛。本步骤中,在分解氨的保护下进行烧结,烧结温度为800~860℃,烧结压力为1.2MPa~1.6MPa,烧结保温时间3~4h后,移除外罩(加热炉体),在内罩上仍保持施加单位压力0.5-1MPa,然后随内罩空冷至70℃以下出炉。
具体地,对本发明中高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料的各组分作用机理进行详细阐述:
1)对于合金组元中所添加的镍和钛,在烧结过程中镍能有效抑制晶粒的生长,起到增强细晶效果的作用,使烧结后的材料更加致密;基体中镍和钛相配合,还可改善石墨和铜合金基体界面结合状态,界面结合更加牢固紧密,明显提高了铜基石墨复合材料的强度、硬度、韧性及高温强度,从而提高摩擦材料的耐磨性。
2)对于合金组元中所添加的锡和锌,锡组分不仅可提高压坯强度,还可以提高烧结制品的强度和硬度,此外还与摩擦偶有迅速磨合的能力,锡易在铜中扩散,在800℃下烧结即可得到均匀的固溶体,在铜-锡系粉末中加锌显著强化了烧结时的扩散过程,使烧结产品的组分均匀性得到显著提升。
3)对于摩擦组元中所添加的氧化锆和氧化镁,由于其所具有的高熔点陶瓷特性,作为摩擦组元时,可以提高摩擦材料在高温高速下的摩擦因数及摩擦因数稳定性。
4)对于润滑组元的组分选择来说,采用大比例天然鳞片石墨和人造颗粒状石墨进行复配,与仅使用天然鳞片石墨相比,引入人造颗粒状石墨可大幅提高材料的孔隙率,但人造石墨含量过高会造成对基体连续性的损害,会削弱基体的强度,所以天然磷片石墨和人造颗粒石墨要按照一定比例适配(具体混合石墨中人造颗粒石墨的质量占比不高于天然鳞片石墨的质量占比),才能同时达到较高孔隙率和强度的均衡效果;添加适当比例的合成金属硫化物硫化铋以及石油焦,综合构成润滑组元,可显著提高摩擦材料的耐热水平和摩擦因数的稳定性。
下面通过具体实施例对上述高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料的效果进行表征。
实施例1
本实施例1中原料选择如下:
铜粉54%、锡粉7%、锌粉3%、镍粉3%、钛粉3%;所述润滑组元包括以下重量百分比原料:磷片石墨10%、颗粒石墨10%、石油焦1%、硫化铋4%;所述摩擦组元包括以下重量百分比原料:氧化锆3%、氧化镁2%。
其中,铜粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;锡粉含量≥99.5wt%,粒径为-325目;锌粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;镍粉含量≥99.5wt%,粒径为-200目;钛粉含量≥99.8wt%,粒径为-325目;混合石墨采用天然磷片石墨和人造颗粒石墨搭配使用,其组合比例为1:1,磷片石墨含量≥99.5wt%,粒径为-200目,人造颗粒石墨含量≥99.5wt%,粒径为-200目;石油焦粒径为-100目;硫化铋含量≥98wt%,粒径为-325目;氧化锆含量≥98.5wt%,粒径为-325目;氧化镁含量≥98wt%,粒径为-200目。
本实施例1中高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料的具体步骤如下:
(1)将上述各成份原料按比例称取,首先将除石墨和石油焦以外的原料放入专用容器内,放入煤油将其搅拌均匀,其中煤油加入量为1kg原料加10ml煤油,然后倒入V型混料机混合30分钟,之后将石墨和石油焦倒入混料机的桶内再混合30分钟,出料后过筛得到混合料。
(2)将所得的混合料按照产品规格在压模中冷压成型,在压制压力300MPa下压制成密度为4.0g/cm3的压坯。
(3)将压坯与镀铜钢芯板叠装放入钟罩式烧结炉中加压烧结,整个烧结过程在分解氨气氛的保护下完成,烧结温度为860℃,烧结压力为1.6MPa,烧结保温时间3.5小时后,移除外罩(加热炉体),在内罩上仍保持施加单位压力0.5-1MPa,然后随内罩空冷至70℃以下出炉,经后续机加工后即可得到所需摩擦片成品。
步骤4:在塑料洛氏硬度计上测量烧结试样硬度,在电子天平上测量烧结试样密度。
经测试,实施例1获得的铜基摩擦材料试样密度为4.2g/cm3,表面硬度为HRR65-70。
实施例2
本实施例2中原料选择如下:
铜粉56%、锡粉6%、锌粉4%、镍粉3%、钛粉2%;所述润滑组元包括以下重量百分比原料:磷片石墨9%、颗粒石墨9%、石油焦1%、硫化铋4%;所述摩擦组元包括以下重量百分比原料:氧化锆3%、氧化镁3%。
其中,铜粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;锡粉含量≥99.5wt%,粒径为-325目;锌粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;镍粉含量≥99.5wt%,粒径为-200目;钛粉含量≥99.8wt%,粒径为-325目;混合石墨采用天然磷片石墨和人造颗粒石墨搭配使用,其组合比例为1:1,磷片石墨含量≥99.5wt%,粒径为-200目,人造颗粒石墨碳含量≥99.5wt%,粒径为-200目;石油焦粒径为-100目;硫化铋含量≥98wt%,粒径为-325目;氧化锆含量≥98.5wt%,粒径为-325目;氧化镁含量≥98wt%,粒径为-200目。
本实施例2中高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料的制备方法基于实施例1的制备步骤,仅对部分工艺参数进行调整,具体步骤如下:
(1)将实施例2中各成份原料按比例称取,首先将除石墨和石油焦以外的原料放入专用容器内,放入适量煤油将其拌均匀,其中煤油加入量为1kg原料加10ml煤油。然后倒入V型混料机混合30分钟,最后将石墨和石油焦倒入混料机的桶内再混合30分钟,出料后过筛得到混合料。
(2)将所得混合料按照产品规格在压模中冷压成型,在压制压力250MPa下压制成密度为4.2g/cm3的压坯。
(3)将在压坯与镀铜钢芯板叠装放入钟罩式烧结炉中加压烧结。整个烧结过程在分解氨气氛的保护下完成。烧结温度为840℃,烧结压力为1.5MPa,烧结保温时间3.5小时后,移除外罩(加热炉体),在内罩上仍保持施加单位压力0.5-1MPa,然后随内罩空冷至70℃以下出炉。经后续机加工后即可得到所需摩擦片成品。
(4)在塑料洛氏硬度计上测量烧结试样硬度,在电子天平上测量烧结试样密度。
经测试,实施例2获得的铜基摩擦材料试样密度为4.4g/cm3,表面硬度为HRR75~80。
实施例3
本实施例3中原料选择如下:
铜粉59%、锡粉6%、锌粉4%、镍粉2%、钛粉2%;所述润滑组元包括以下重量百分比原料:磷片石墨8%、颗粒石墨8%、石油焦1%、硫化铋4%;所述摩擦组元包括以下重量百分比原料:氧化锆3%、氧化镁3%。
其中,铜粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;锡粉含量≥99.5wt%,粒径为-325目;锌粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;镍粉含量≥99.5wt%,粒径为-200目;钛粉含量≥99.8wt%,粒径为-325目;混合石墨采用天然磷片石墨和人造颗粒石墨搭配使用,其组合比例为1:1,磷片石墨碳含量≥99.5wt%,粒径为-200目,人造颗粒石墨碳含量≥99.5wt%,粒径为-200目;石油焦粒径为-100目;硫化铋含量≥98wt%,粒径为-325目;氧化锆含量≥98.5wt%,粒径为-325目;氧化镁含量≥98wt%,粒径为-200目。
本实施例3中高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料的制备方法基于实施例1的制备步骤,仅对部分工艺参数进行调整,具体步骤如下:
(1)将实施例3中各成份原料按比例称取,首先将徐石墨和石油焦之外的原料放入专用容器内,放入适量煤油将其拌均匀,其中煤油加入量为1kg原料加10ml煤油。然后倒入V型混料机混合30分钟,最后将石墨和石油焦倒入混料机的桶内再混合30分钟,出料后过筛得到混合料。
(2)将所得混合料按照产品规格在压模中冷压成型,在压制压力220MPa下压制成密度为4.3g/cm3的压坯。
(3)将在压坯与镀铜钢芯板叠装放入钟罩式烧结炉中加压烧结。整个烧结过程在氨分解气氛的保护下完成。烧结温度为810℃,烧结压力为1.2MPa,烧结保温时间3.5小时后,移除外罩(加热炉体),在内罩上仍保持施加单位压力0.5-1MPa,然后随内罩空冷至70℃以下出炉。经后续机加工后即可得到所需摩擦片成品。
(4)在塑料洛氏硬度计上测量烧结试样硬度,在电子天平上测量烧结试样密度。
经测试,实施例3获得的铜基摩擦材料试样密度为4.6g/cm3,表面硬度为HRR80-85。
对比例1
本对比例1中原料选择如下:
铜粉59%、锡粉6%、锌粉4%、镍粉2%、钛粉2%;所述润滑组元包括以下重量百分比原料:磷片石墨16%、石油焦1%、硫化铋4%;所述摩擦组元包括以下重量百分比原料:氧化锆3%、氧化镁3%。
其中,铜粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;锡粉含量≥99.5wt%,粒径为-325目;锌粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;镍粉含量≥99.5wt%,粒径为-200目;钛粉含量≥99.8wt%,粒径为-325目;仅采用天然鳞片石墨,磷片石墨含量≥99.5wt%,粒径为-200目;石油焦粒径为-100目;硫化铋含量≥98wt%,粒径为-325目;氧化锆含量≥98.5wt%,粒径为-325目;氧化镁含量≥98wt%,粒径为-200目。
本对比例1中高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料的具体步骤如下:
(1)将上述各成份原料按比例称取,首先将除石墨和石油焦以外的原料放入专用容器内,放入煤油将其搅拌均匀,其中煤油加入量为1kg原料加10ml煤油,然后倒入V型混料机混合30分钟,然后将石墨和石油焦倒入混料机的桶内再混合30分钟,出料后过筛得到混合料;
(2)将上述所得的混合料按照产品规格在压模中冷压成型,在压制压力220MPa下压制成密度为4.1g/cm3的压坯;
(3)将压坯与镀铜钢芯板叠装放入钟罩式烧结炉中加压烧结,整个烧结过程在分解氨气氛的保护下完成,烧结温度为810℃,烧结压力为1.2MPa,烧结保温时间3~4小时后,移除外罩(加热炉体),在内罩上仍保持施加单位压力0.5-1MPa,然后随内罩空冷至70℃以下出炉,经后续机加工后即可得到所需摩擦片成品;
(4)在塑料洛氏硬度计上测量烧结试样硬度,在电子天平上测量烧结试样密度。
经测试,对比例1获得的铜基摩擦材料试样密度为4.4g/cm3,表面硬度为HRR80-85。
对比例2
本对比例2中原料选择如下:
铜粉63%、锡粉6%、锌粉4%、镍粉2%、钛粉2%;所述润滑组元包括以下重量百分比原料:磷片石墨8%、颗粒石墨8%、石油焦1%、所述摩擦组元包括以下重量百分比原料:氧化锆3%、氧化镁3%。
其中,铜粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;锡粉含量≥99.5wt%,粒径为-325目;锌粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;镍粉含量≥99.5wt%,粒径为-200目;钛粉含量≥99.8wt%,粒径为-325目;混合石墨采用天然磷片石墨和人造颗粒石墨搭配使用,其组合比例为1:1,磷片石墨含量≥99.5wt%,粒径为-200目,人造颗粒石墨碳含量≥99.5wt%,粒径为-200目;石油焦粒径为-100目;氧化锆含量≥98.5wt%,粒径为-325目;氧化镁含量≥98wt%,粒径为-200目。
本对比例2中高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料的具体步骤如下:
(1)将上述各成份原料按比例称取,首先将除石墨和石油焦以外的原料放入专用容器内,放入适量煤油将其拌均匀,其中煤油加入量为1kg原料加10ml煤油。然后倒入V型混料机混合30分钟,然后将石墨和石油焦倒入混料机的桶内再混合30分钟,出料后过筛得到混合料。
(2)将上述所得混合料按照产品规格在压模中冷压成型,在压制压力220MPa下压制成密度为4.2g/cm3的压坯。
(3)将在压坯与镀铜钢芯板叠装放入钟罩式烧结炉中加压烧结。整个烧结过程在分解氨气氛的保护下完成。烧结温度为840℃,烧结压力为1.5MPa,烧结保温时间3.5小时后,移除外罩(加热炉体),在内罩上仍保持施加单位压力0.5-1MPa,然后随内罩空冷却70℃以下出炉。经后续机加工后即可得到所需摩擦片成品。
(4)在塑料洛氏硬度计上测量烧结试样硬度,在电子天平上测量烧结试样密度。
经测试,对比例2获得的铜基摩擦材料试样密度为4.5g/cm3,表面硬度为HRR85-90。
对比例3
本对比例3中原料选择如下:
铜粉59%、锡粉6%、锌粉4%、镍粉2%、钛粉2%;所述润滑组元包括以下重量百分比原料:磷片石墨8%、颗粒石墨8%、石油焦1%、硫化铋4%;所述摩擦组元包括以下重量百分比原料:氧化锆3%、氧化镁3%。
其中,铜粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;锡粉含量≥99.5wt%,粒径为-325目;锌粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;镍粉含量≥99.5wt%,粒径为-200目;钛粉含量≥99.8wt%,粒径为-325目;混合石墨采用天然磷片石墨和人造颗粒石墨搭配使用,其组合比例为1:1,磷片石墨碳含量≥99.5wt%,粒径为-200目,人造颗粒石墨碳含量≥99.5wt%,粒径为-200目;石油焦粒径为-100目;硫化铋含量≥98wt%,粒径为-325目;氧化锆含量≥98.5wt%,粒径为-325目;氧化镁含量≥98wt%,粒径为-200目。
本对比例3的制备方法与对比例1、对比例2相似,仅对部分工艺参数进行调整,具体步骤如下:
(1)将上述各成份原料按比例称取,首先将除石墨和石油焦之外的原料放入专用容器内,放入适量煤油将其拌均匀,其中煤油加入量为1kg原料加10ml煤油。然后倒入V型混料机混合30分钟,最后将石墨和石油焦倒入混料机的桶内再混合30分钟,出料后过筛得到混合料。
(2)将上述所得混合料按照产品规格在压模中冷压成型,在压制压力220MPa下压制成密度为4.3g/cm3的压坯。
(3)将在压坯与镀铜钢芯板叠装放入钟罩式烧结炉中加压烧结。整个烧结过程在分解氨气氛的保护下完成。烧结温度为950℃,烧结压力为2.5MPa,烧结保温时间3~4小时后,移除外罩(加热炉体),在内罩上仍然保持施加压力0.5-1MPa,然后随内罩空冷至70℃以下出炉。经后续机加工后即可得到所需摩擦片成品。
(4)在塑料洛氏硬度计上测量烧结试样硬度,在电子天平上测量烧结试样密度。
经测试,对比例3获得的铜基摩擦材料试样密度为4.9g/cm3,表面硬度为HRR90-100。
试验验证:
将实施例1~3以及对比例1~3所制备样品进行摩擦磨损性能试验,试验方法按JB/T 7909-2011《湿式烧结金属摩擦材料摩擦性能试验台试验方法》,试验设备为1:1惯性试验台架。对于重负荷车辆传动装置对铜基摩擦材料性能指标,具体要求如下:(1)能量负荷许用值Ca≥70000JW/cm4;(2)动摩擦因数μd≥0.07,静摩擦因数μj≥0.1,(3)磨损率≤1×l0-8 cm3/J。对所得试样密度、表面硬度、摩擦磨损检测结果进行统计,结果如表1所示。
表1试样密度、表面硬度、摩擦磨损检测结果对比表
上述实施例和对比例中,基于实施例3的配方和工艺步骤,对比例1用磷片石墨替换实施例3中的磷片石墨+颗粒石墨复配的方式,此时动摩擦因数和能量负荷许用值均无法满足要求;对比例2未添加硫化铋,此时磨损率和能量负荷许用值均无法满足要求;对比例3改变烧结温度和烧结压力(烧结温度和烧结压力均超出前述限定范围),此时虽然密度和表面硬度有所提高,但动摩擦因数和能量负荷许用值均无法满足要求。上述这些组分和工艺参数改变之后,所制备的湿式铜基摩擦材料均不能完全满足重负荷车辆传动装置的性能要求,则需要采用前述所限定的组分配方与工艺步骤,才能完全满足重负荷车辆传动装置的性能要求。
区别于现有技术的情况,本发明提供了一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料及其制备方法,通过优化配方结构及工艺,采用如锡、锌、镍、钛等多元合金元素来强化铜基体,采用氧化锆和氧化镁作为摩擦组元,采用大比例的天然鳞片石墨和人造颗粒石墨搭配使用以及添加合成金属硫化物硫化铋、石油焦作为润滑组元,综合作用使所制备的铜基摩擦材料同时具有摩擦因数高且稳定、磨损率低,能量吸收水平和功率水平高等特点,满足高能量高功率密度工况变速机构湿式离合器操纵部件的使用需求。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料,其特征在于,包括合金组元、润滑组元和摩擦组元;
以质量百分比计,所述合金组元包括以下原料:铜粉57%~66%、锡粉3%~8%、锌粉4%~8%、镍粉1%~4%、钛粉1%~4%;
以质量百分比计,所述润滑组元包括以下原料:混合石墨16%~20%、石油焦1%、硫化铋3%~5%;
以质量百分比计,所述摩擦组元包括以下原料:氧化锆2%~5%、氧化镁2%~5%。
2.根据权利要求1所述的一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料,其特征在于,所述合金组元中,铜粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;
锡粉含量≥99.5wt%,粒径为-325目;
锌粉含量≥99.7wt%,粒径为-325目;
镍粉含量≥99.5wt%,粒径为-325目;
钛粉含量≥99.8wt%,粒径为-325目。
3.根据权利要求1所述的一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料,其特征在于,所述混合石墨由天然磷片石墨和人造颗粒石墨复配构成,且所述天然磷片石墨和人造颗粒石墨的质量比为1:1~1.5:1。
4.根据权利要求3所述的一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料,其特征在于,所述天然磷片石墨的碳含量≥99.5wt%,粒径为-200目;
所述人造颗粒石墨的碳含量≥99.5wt%,粒径为-200目。
5.根据权利要求1所述的一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料,其特征在于,所述润滑组元中,所述石油焦粒径为-100目。
6.根据权利要求1所述的一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料,其特征在于,所述润滑组元中,硫化铋含量≥98wt%,粒径为-325目。
7.根据权利要求1所述的一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料,其特征在于,所述摩擦组元中,氧化锆含量≥98.5wt%,粒径为-325目;
氧化镁含量≥98wt%,粒径为-200目。
8.一种如权利要求1~7中任一项所述高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,按比例称取各组分原料,将除混合石墨和石油焦以外的原料与煤油按1kg:10ml的比例混合,混合时间为30~60min,然后将混合石墨和石油焦倒入继续混合30min,出料后过筛得到混合料;
S2,在200~300MPa压制压力下,将S1步骤中所得的混合料冷压成型,得到密度为4.0~4.4g/cm3的压坯;
S3,将所述压坯与镀铜钢芯板叠装,在钟罩式烧结炉中进行加压烧结,保护气氛为分解氨气氛。
9.根据权利要求8所述的一种高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料的制备方法,其特征在于,所述S3步骤中,在分解氨气氛的保护下进行烧结,烧结温度为800~860℃,烧结压力为1.2MPa~1.6MPa,烧结保温时间3~4h后,移除外罩,在内罩上仍保持施加单位压力0.5-1Mpa,然后随内罩空冷至70℃以下出炉。
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- 2022-11-30 CN CN202211518303.3A patent/CN116479284A/zh active Pending
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Title |
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---|---|
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