CN1995436A - 一种铜基粒子强化摩擦材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于摩擦材料制造领域，一种铜基粒子强化摩擦材料，该材料包含铜、锡、铁、铝、陶瓷粒子、铁铬合金粒子及石墨，由如下质量百分数构成：Cu：30－70％、Sn：4－11％、Al：1－15％、Fe：5－18％、Al₂O₃：2－15％、SiO₂：2－15％、铁铬合金：0－15％、石墨：5－20％。本发明材料含微量元素少、烧结温度低、烧结时间短、明显降低制造成本，材料的性能表现出基体强度高、硬度大，在高速、高温摩擦条件下，具有高的摩擦系数，较低的磨损量，尤其适用于制造高速列车制动闸片。

Description

一种铜基粒子强化摩擦材料

技术领域：

本发明属于摩擦材料技术领域，尤其是用于制造铁路车辆制动闸片的强化摩擦材料。

背景技术：

铜基粒子强化摩擦材料由于具有强度高、耐磨损、导热性好，并具有较高的摩擦系数、摩擦系数稳定等特点而成为制造离合器、制动器的关键材料，广泛用于汽车、摩托车、列车、飞机等运输工具及石油钻井等机械中。在列车车辆制造领域，用于制造制动闸瓦和制动闸片。这类材料主要以金属为基体，含有均匀分布的硬质粒子和润滑粒子。金属基体的强度和含量对材料的强度和韧性起主导作用，硬质粒子和润滑粒子均为脆性材料，其含量控制着制品的摩擦系数和磨损量。提高脆性材料的含量，有利于增加摩擦系数、降低磨损量，同时，降低制品的强度和韧性。

随着制动负荷的增加，如列车速度的提高，载重量增加，对摩擦制动材料的性能提出了越来越高的要求，这就要求材料在保证基体强度的同时，进一步提高摩擦系数和降低磨损量。同时，制动摩擦制品是一种易损部件，更换费用成为列车运行成本的一个重要部分。这就要求在提高摩擦材料性能的同时降低制造成本。

在铜基粒子强化摩擦材料方面，国内外均有相关专利报导。

如美国专利5,925,837描述的一种用于制动的铜基摩擦材料配方为：铁粉或钢棉(10-40％)、铝粉(0-10％)、锌或锡或铅粉(0-15％)、石墨(3-15％)、Al₂O₃或SiO₂(0-10％)，制造工艺为：375-623MPa下成型，在100-300℃预处理1-3小时，350-750℃的空气中烧结24-60小时，材料表面有不大于1mm氧化层，后加工磨去氧化层，清洗后为最终产品。

如中国专利01115331.8描述的一种含钢纤维的金属陶瓷摩擦材料配方为：铜粉和锡粉53-69％，其中铜粉∶锡粉＝92∶8，短切钢纤维10-40％，铁粉0-10％，无机氧化物或矿物3-8％，石墨5-12％，二硫化钼0-4％，制造工艺为：150-300Mpa下成型，在700-920℃烧结3-8小时，烧结时采用还原性保护气氛，烧结压力为1-2MPa，为随炉冷却，取出后，机械磨平为最终产品。

如中国专利申请号03126347.X描述的一种用于制动的铜基摩擦材料配方为：Cu：40-80％、Sn：3-10％、Al：2-10％、Fe：：2-20％、SiC：1-3％、SiO₂：1-8％、B₄C：1-3％、石墨：1-15％、Pb＞0-10％、MoS₂：2-10％、Ba：5-20％、Mn：0-2％、Mg：0-2、CaF₂：0-2％。采用粉末冶金工艺制造，在加压烧结工序中，采用的烧结温度范围为950-1050℃，保温时间为1.5-2小时。

如中国专利申请号87106352.2描述的一种用于制动的摩擦片及其制造方法为：铜45-58％、铁10-24％、锡0.5-2.0％、钼2.0-5.0％、锰0.6-2.5％、二硫化钼1.0-3.0％、石墨10-12％、二氧化硅5.0-10％、碳化硅1.0-3.0％、三氧化二铝1.0-3.0％(质量百分比)。经分级混料，加压烧结(在970-1000℃下保温2-4小时)。

比较已报导的这些专利可知，这些专利中存在微量元素多、烧结时间长、含有钢纤维以及铅元素等问题。微量元素增加一方面提高了原材料的成本，另一方面要保证微量元素起到提高材料强度的作用，必须提高烧结温度和烧结时间，如有的最高烧结温度超过了1000℃，有的最长烧结时间达到60小时，高温长时间烧结一方面增加了元素的烧损和氧化，不能充分发挥元素的作用，另一方面显著提高了制造成本。含钢纤维容易出现纤维团聚现象，产生材料性能不均匀情况。含铅元素对环境有害，是国际铁路联盟不允许的。同时，这些材料在高速列车制动的高温、高摩擦速度条件下所显现出的摩擦磨损性能还有待于验证。

发明内容：

本发明的目的是克服上述不足问题，提供一种铜基粒子强化摩擦材料。这种材料含微量元素少、烧结温度低、时间短、制造成本低，在材料的性能方面，具有基体强度高、硬度大，兼具有高摩擦系数和低磨损量等特点。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种铜基粒子强化摩擦材料，主要由铜、锡、铝、铁、三氧化二铝、二氧化硅及石墨组成。

所述摩擦材料由下述成份按所述重量百分比组成：Cu：30-70％、Sn：4-11％、Al：1-15％、Fe：5-18％、Al₂O₃：2-15％、SiO₂：2-15％、铁铬合金：0-15％、石墨：5-20％。

所述铜基粒子强化摩擦材料为下述重量百分比的成分组成：Cu：35-65％、Sn：4-10％、Al：1-15％、Fe：5-18％、Al₂O₃：2-12％、SiO₂：2-15％、铁铬合金：0-15％、石墨：5-18％。

本发明提出的铜基粒子强化摩擦材料，可以采用传统粉末冶金工艺制造，包括原材料混合—压制—加压烧结等工序。在加压烧结工序中，可以采用钟罩炉加压烧结法，烧结温度范围为780-880℃，保温时间为40-60min。烧结压力为2-4MPa，烧结气氛为还原性气氛。最佳的是采用电流直加热模压烧结成型法，烧结温度范围为750-900℃，保温时间为3-5min，烧结压力为10-50MPa，烧结环境为真空。

本发明所述的一种铜基粒子强化摩擦材料与同类材料相比具有显著的特点，除在性能方面优良外，在材料成份方面，减少了微量元素的种类，尤其不含铅类有害健康的成份，有利于环境友好。由于减少了高熔点的微量元素，降低了烧结温度，缩短了烧结时间，显著地减少了加工过程的能源消耗，节省了制造成本。在铜基体中，通过调整锡、铝、铁的比例、使基体的合金化程度提高，实现了通过添加少量合金元素达到最大合金化程度，从而达到提高材料强度的目的，满足了基体在高温下承载能力的要求。同时，锡、铝这些低熔点元素提高了烧结时基体金属的流动性，有利于基体金属形成对脆性粒子的包裹，降低了脆性粒子对材料强度的削弱作用。

当脆性粒子处于基体金属良好的夹持状态时，在摩擦中，降低了脆性粒子碎裂和脱离基体的程度，从而满足了材料在高速摩擦条件下摩擦系数大、耐高温、耐磨损等要求。本发明摩擦材料在高温高速条件下，具有更高的摩擦系数，良好的耐磨性，更适于制造时速200公里以上的高速列车制动闸片和风力发电制动闸片。

附图说明：

附图为采用本发明材料制造的高速列车制动闸片摩擦系数测试结果。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明进一步说明，但不限于实施例：

实施例1

铜基粒子强化摩擦材料，各组份重量百分比如下：铜粉54％，锡粉6％，铝粉3％，铁粉12％，Al₂O₃6％，SiO₂9％，石墨10％。

由上述摩擦材料制造制动块，首先将上述原料按比例称取后混合，添加混合粉重量0.2％的煤油，混合至均匀。将适合重量的混合粉放入模具中，在500MPa的压力下压制5-10秒，取出后成为冷压制毛坯。将冷压制毛坯置入热模压模具中，启动真空系统，当真空度达70mmHg时，对毛坯施加3MPa压力，同时，启动加热电流，当毛坯温度达到800℃时，对毛坯施加50MPa压力，保温2min，随炉冷却至100℃出炉，制成制动块。

制得的材料的硬度HB70，密度为5.6g/cm³，在GFl50D型定速摩擦试验机上，比压为0.6MPa，摩擦转速为200，500，2000，3000r/min，测得的摩擦系数为0.49，0.45，0.42，0.36，磨损量为0.41cm³/MJ。

同样条件下，采用钟罩炉加压烧结法，将冷压制毛坯置入钟罩式加压烧结炉中，烧结气氛为氢气，压力为3.5MPa，经2-3h加热，温度达到800℃，保温时间为1小时，随炉冷却4-6h至100℃出炉，制成制动块。

制得的材料的硬度HB60，密度为5.0g/mm³。在GFl50D型定速摩擦试验机上，比压为0.6MPa，摩擦转速为200，500，2000，3000r/min，测得的摩擦系数为0.44，0.45，0.39，0.35，磨损量为0.65cm³//MJ。

Claims (3)

1、一种铜基粒子强化摩擦材料，其特征是：其主要由铜、锡、铝、铁、三氧化二铝、二氧化硅及石墨组成。

2、根据权利要求1所述的一种铜基粒子强化摩擦材料，其特征是：其由下述成份按所述重量百分比组成：Cu：30-70％、Sn：4-11％、Al：1-15％、Fe：5-18％、Al₂O₃：2-15％、SiO₂：2-15％、铁铬合金：0-15％、石墨：5-20％。

3、根据权利要求1所述的一种铜基粒子强化摩擦材料，其特征是：由下述重量百分比的成分组成：Cu：35-65％、Sn：4-10％、Al：1-15％、Fe：5-18％、Al₂O₃：2-12％、SiO₂：2-15％、铁铬合金：0-15％、石墨：5-18％。