CN1594621A - 一种铜基粉末冶金摩擦材料 - Google Patents

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Abstract

一种铜基粉末冶金摩擦材料，属于摩擦材料技术领域。由下述质量百分数的成分组成：Cu40－80、Sn3－10、Al2－10、Fe2－20、SiC1－3、SiO21－8、B4C1－3、石墨1－15、Pb＞0－10、MoS22－10、Ba5－20、Mn0－2、Mg0－2、CaF20－2。本发明材料硬度较大、摩擦系数较高，磨损量较小。

Description

一种铜基粉末冶金摩擦材料
技术领域
本发明属于摩擦材料技术领域，特别涉及一种可用于高速列车摩擦制动闸瓦和闸片的铜基粉末冶金摩擦材料。
背景技术
近年来，世界各国高速铁路迅速发展，我国的铁路事业也正向高速化方向迈进。随着列车运行速度的不断提高，对传统的列车基础制动系统提出了改进技术的客观要求，同时对列车制动技术的关键部件闸瓦和制动圆盘/闸片的性能和设备技术也提出了更加严格的要求。我国列车每列载客1600-2000人，需要的牵引力大、制动力矩也大。列车的制动功率与车速呈3次方关系，列车速度提高一倍，制动功率需要增加8倍。因此，高速列车需要在短时间内通过基础制动元件耗散制动所产生的巨大能量。
一般列车常用制动方式有摩擦制动、电阻制动、磁轨/涡流制动等，其中以摩擦制动应用最广泛。摩擦制动分为踏面制动和盘面制动两种，盘面制动因动能转移能力大、制动效率高、可实现摩擦副元件的可设计性和充分利用轮轨粘着等优点而成为一种重要而有效的制动方式，被世界各国广泛采用。目前所用的摩擦制动闸瓦和闸片材料有铸铁摩擦材料、碳/碳复合材料、有机合成材料、陶瓷材料、铁铜基粉末冶金材料等，其中铁铜基粉末冶金摩擦材料由Cu、Sn、Fe、Ni、SiC、MoS2、Pb、石墨组成，相对其它材料具有摩擦系数高、摩耗量小、制成的摩擦元件质量轻使用寿命长等优点。
发明内容
本发明目的在于提供一种摩擦系数较高、磨损量较小的铜基粉末冶金摩擦材料。
为达上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铜基粉末冶金摩擦材料，由下述质量百分数的成分组成：Cu 40-80、Sn3-10、Al2-10、Fe2-20、SiC1-3、SiO21-8、B4C1-3、石墨1-15、Pb＞0-10、MoS22-10、Ba5-20、Mn0-2、Mg0-2、CaF20-2。
本发明粉末材料生产工艺同传统粉末生产工艺，包括原材料准备-烧结等步骤。在烧结步骤，采用的烧结温度范围为950-1050℃，保温时间为1.5-2.0小时，烧结在3-3.5Mpa加压氢气保护条件下进行。用上述材料制造闸瓦制动材料的加工工艺为：粉末原料-配料、混料-称料、装模-压制成型-叠片、装炉-加压烧结-成材-摩擦、摩损、疲劳等性能检测。
本发明的粉末冶金摩擦材料包括起支撑作用、决定材料硬度、强度等机械性能的基体组元，改善材料摩擦、磨损性能的摩擦组元和提高材料抗卡滞性及耐磨性能的润滑组元。基体组元选择Cu加少量的Al、Sn、Fe，在烧结过程中Sn、Al和Cu相互扩散，形成a固溶体，由于固溶强化作用，材料硬度增强；摩擦组元选择SiO2、SiC和少量的B4C，SiO2是一种廉价而化学性能稳定的摩擦组元，与摩擦材料中的其它成分不起任何化学反应，但能够被基体金属铜润湿。同时添加SiO2、SiC和B4C比单独添加SiO2、SiC或者SiO2+SiC综合性能优异，这是因为B4C与Fe在烧结温度下反应生成一种硬度极高的金属间化合物Fe2B，其综合作用效果是材料的摩擦因子比其它三种材料提高30-40％，摩擦因子稳定度提高20-60％，且磨损减小；润滑组元选择石墨、Pb和MoS2，石墨与Cu、Sn间不互熔，它基本均匀分布于金属基体之间，烧结过程中石墨对金属原子间的扩散起阻碍作用，阻碍烧结颈的形成，增大材料的孔隙度，孔隙常出现在石墨与金属的界面处，且呈狭长扁孔，易引起应力集中。且石墨本身强度低，其含量上升易导致材料的密度、硬度、强度下降，因此含量不宜过高。Pb呈圆形夹杂物存在于Cu、Sn合金基体中，在干式工作状态，摩擦表面温度常超过Pb的熔点温度，这种独立的Pb夹杂物会熔化析出，在摩擦表面形成一层薄膜，从而减低磨损，也使刹车平稳，不产生卡滞现象，减少刹车噪声。试验中发现Pb含量超过10％的材料在超过500℃工作时，材料会向对偶转移，因此Pb含量应小于10％。MoS2具有层状晶体结构，剪切强度小、与基体附着力强。这是因为在还原气氛中，MoS2分解后与基体中的Fe产生新的硫化物，而Mo成难熔金属颗粒强化基体。
用本发明材料制成摩擦试件在TE77高温疲劳试验机上进行试验，测定动摩擦系数随循环次数变化曲线和磨损量。动摩擦系数随循环次数变化曲线实验参数为：位移幅值D：±5mm；频率f：4Hz；循环次数：15000；法向载荷200N(空车)，450N(重车)；温度分别为室温(20℃)，100℃，200℃，300℃，350℃，500℃。共计12种工况。试验方法：将试件浸泡在丙酮中用超声波清洗3分钟，然后在50℃温度下烘干10分钟，用精度为万分之一的电子天平称重。然后在给定载荷和不同温度下进行实验，并记录摩擦力随循环次数变化曲线，测试结果如图1(200N循环次数与摩擦系数曲线)、图2(450N循环次数与摩擦系数曲线)、图3(不同压力上下试件磨损量随温度变化曲线，其中up为上试件、down为下试件)、图4(不同压力500℃时循环次数与摩擦系数曲线)。从图可知，无论空车还是重车情况下，该材料在室温时摩擦系数最低，在500℃高温时摩擦系数最高，在100-350℃之间随温度增高摩擦系数降低，但都大于室温时摩擦系数，且与循环次数基本无关，摩擦系数在0.3-0.65之间。在空车(200N)、半重车(300N)、重车(450N)时，500℃高温下材料摩擦系数不变(约为0.6)(见图4)，说明该材料不会因急刹车温度骤然升高而使摩擦性能失稳。磨损量试验表明，空、重车对摩擦材料磨损量影响不大，在300℃磨损量略有增加，循环15000次后摩擦材料平均磨损量0.0802克；空、重车时摩擦材料的磨损量变化较大，室温和300℃时磨损较小，在100-300℃和300℃以上磨损较大，循环15000次后对偶材料平均磨损量0.00183克，在500℃产生负磨损，即发生粘附作用。
具体实施方式
实施例1、一种铜基粉末冶金摩擦材料，由下述质量百分数的成分组成：Cu67.9、Sn3、Al2、Fe7.14、SiC1.0、SiO22.2、B4C1、石墨10.05、Pb0.03、MoS22、Ba2.9、Mn0.24、Mg0.54。
实施例2、本实施例中，铜基粉末冶金摩擦材料由下述质量百分数的成分组成：Cu40.31、Sn7、Al7、Fe12.97、SiC3.73、SiO24.0、B4C2、石墨12.5、Pb3.05、MoS24、Ba3.1、Mn0.34。
实施例3、本实施例中，铜基粉末冶金摩擦材料由下述质量百分数的成分组成：Cu53.8、Sn6、Al6、Fe8.1、SiC2.10、SiO23.8、B4C2、石墨10.39、Pb1.04、MoS23.4、Ba3.2、Mn0.17。

Claims (1)

1、一种铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，由下述质量百分数的成分组成：Cu40-80、Sn3-10、Al2-10、Fe2-20、SiC1-3、SiO21-8、B4C1-3、石墨1-15、Pb＞0-10、MoS22-10、Ba5-20、Mn0-2、Mg0-2、CaF20-2。
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