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一种铁铜基复合摩擦材料的制备方法

阅读：753发布：2021-02-24

IPRDB可以提供一种铁铜基复合摩擦材料的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种铁铜基复合摩擦材料的制备方法，原料经过配料混合后，经冷压后再高温热压烧结获得，采用450～550MPa的压强进行模压成型；将压坯置于加热炉并于氮气保护气氛中进行加压烧结，烧结工艺为：1000℃、2.5～2.8MPa压力下保温2～3h，随炉冷却；本发明的摩擦材料经冷压后再高温热压烧结获得，发挥铁铜两者各自的优点，同时，将比模量、比强度高的碳纤维，应用到铁铜基摩擦材料中，增强基体强度，提高冲击韧性，减小制动噪音，摩擦系数合适，高温耐磨性优良。，下面是一种铁铜基复合摩擦材料的制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种铁铜基复合摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，配料，下列百分数均为质量百分数

将40～60微米的树枝状电解铜粉30～40％，粒径40～60微米的球形或近球形雾化铁粉

25～35％，铁粉与铜粉总量不超过72％，40～60微米的钛粉、镍粉和钼粉各2～3％，钛粉、镍粉和钼粉三者之和控制在6～9％，60～80微米的鳞片状石墨粉8～10％，直径5～7微米长度

1～3毫米的短切碳纤维2～4％，60～80微米的近球状二硫化钼2～4％，石墨粉、碳纤维、硫化钼三者之和不超过15％，再加70～100微米的高岭土、长石粉和莫来石各2～3％，以及1～3

2％的70～100微米的蛭石粉混合；并按照公式1计算出理论密度，单位：ρ克/厘米；

公式1如下，式中百分号前面的符号表示各个组分的名称，总和是100％；

步骤2，混料

将步骤1的原料按照比例称好后装入“Y”字型混料机中，按照10～15毫升/公斤添加溶剂120#汽油，然后在30～50转/分钟的速度下混料2～3小时；然后将混合好的料，再添加5～

10毫升/公斤的质量浓度80％的丙三醇溶液，用手揉搓搅拌均匀，过30～40目的筛子制粒，在室温下阴干停留2～4小时；

步骤3，成型

首先根据摩擦块的图纸计算出其体积V厘米3，然后利用公式2计算出压坯所需混合粉的重量M克；再用天平称取这些重量的粉体装在钢压模中阴模与下模冲构成的型腔中，最后放上上模冲，在液压机上施加600～700MPa的压强进行冷压成型：公式2M＝95％ρ·V(克)

步骤4，装舟

把步骤3成型好的生坯装在舟中，上面放置同样截面尺寸的石墨模冲，整个石墨舟的上下采用5～10毫米的耐热钢板作为托盘；

步骤5，烧结

将步骤4装好的舟由下到上依次叠放到加热炉腔体中，盖好炉盖，连接好加压装置，通入保护气氛氮气进行加压烧结；升温速率控制在200～250℃/小时，加热到950～1000℃保温2～3小时，同时施加1.0～2.5MPa的压力，然后随炉冷却，等温度降到300℃以下打开炉盖，关闭保护气氛；停留2小时后从石墨舟中取出摩擦块；

步骤6，喷砂

将步骤5烧好的摩擦块利用固体喷砂去除表面的污染；所用砂粒为直径约0.5～1mm的白色刚玉砂，以5～8米/秒的速度高速冲击摩擦块的表面1～3分钟。

说明书全文

一种铁铜基复合摩擦材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种复合摩擦材料的制备方法，具体涉及各类工程机械用制动和传动用的一种铁铜基复合摩擦材料的制备方法。

背景技术

[0002] 摩擦材料是利用摩擦作用传递或吸收动力的材料，主要包括制动器衬片和离合器片，广泛应用于汽车、火车、飞机、石油钻机等各类工程机械设备上。常用的摩擦材料有NAO型、半金属型、金属型摩擦材料。其中NAO型摩擦材料主要使用玻璃纤维、芳香族聚酷纤维酷或其它纤维(碳、陶瓷等)作为加固材料，其性能主要取决于纤维的类型及其它添加混合物。在抗磨性及降噪等方面具有优良特性，但对温度敏感，在反复制动后，容易造成有机物分解，从而导致制动性能显著下降。半金属型摩擦材料其组成中通常含有30％～50％左右的铁质金属物(如钢纤维、还原铁粉、泡沫铁粉)，虽然存在耐热性好，单位面积吸收功率高，导热系数大等优点，但其制动噪音大、边角易脆裂。金属型摩擦材料通常采用粉末冶金法制得，其包括铁基和铜基两大类，使用寿命长，适用于较高温度的制动及传动状况。铁基摩擦材料耐高温，能承受较大负荷、机械强度大且价格便宜；然而铁基摩擦材料虽然摩擦系数大，强度高，但易于对偶件表面发生粘着，摩擦系数稳定性差，耐磨性不如铜基摩擦材料。铜基摩擦材料工艺性能好，摩擦系数稳定，抗粘结、抗卡滞性能好、导热性好，但摩擦系数小，且经济成本较高，而且在废弃后，由于长期堆存，重金属Cu元素会发生大规模活化、迁移，对周边环境产生重金属污染和危害。

[0003] 铁铜基摩擦材料是以铜粉和铁粉为主组元，其质量占粉末冶金摩擦材料总重量的百分之五十以上，其组织结构、承载能力和本身性质决定了材料的机械性能和耐热性，基体必须具有足够的承载、导热能力保护材料不被破坏和受到热影响。为了增强基体的强度，可以在基体中添加钛、镍、钼等金属元素，这是因为钛、镍、钼等金属加入基体中，可以细化组织，并造成晶格畸变，使得基体强度、硬度增加。常用的摩擦组元有TiC、SiC、TiN、及高熔点金属(Ni、Fe、Mo)粉末、金属氧化物(Al2O3、SiO2、Fe2O3)以及莫来石、硼化物等，其作用是用来提高材料的摩擦系数即增加滑动阻力，通常使用的摩擦组元是以组合的形式添加到材料中，比添加单独的摩擦组元综合性能更好。摩擦组元所需材料要求熔点和解离热高，从室温到烧结温度或使用温度的范围内无多晶转变；与其他组分或烧结气氛不发生化学反应；具有足够高的强度和硬度，保证在摩擦过程中不易破坏，但是强度和硬度又不能太高，否则会过度磨损对偶基体合金；对基体组元的润湿性能要好。在摩擦材料中，加入适当的润滑组元可以提高摩擦材料的润滑性能，从而降低材料在制动过程中的磨损率。一般以石墨、二硫化钼、铅等为主，有时也选用硫化钼、硫化铜、硫化钡或氮化硼等固体润滑剂。低熔点的铅、锡等在高温下会局部熔化，可以吸收摩擦热并在摩擦面上形成一层薄膜，防止粘结、咬合和擦伤。

[0004] 随着人们生活水平的日益提高和城镇化的快速发展，各种交通工具层出不穷，机器功率、载荷以及速度进一步提高，人们出行方便的同时也对安全和环保、舒适性有了更高的要求。将金属型摩擦材料中铁基和铜基优点综合起来制得的铁铜基摩擦材料兼具铁基摩擦材料耐高温，基体强度大的优点，同时也有铜基导热性能良好，摩擦系数稳定的优点，也减少了铜的用量，降低了成本，减少环境污染，但铁铜基摩擦材料制动噪音较大，脆性大。如何提高铁铜基摩擦材料的冲击韧性及减少振动噪声是提高铁铜基摩擦材料性能的一个重要方向。如将比模量、比强度高的碳纤维，应用到铁铜基摩擦材料中，可以增强基体强度，提高抗冲击韧性，减小制动噪音，由于碳纤维具有自润滑性能，可以有效减少对偶摩损，具有抗疲劳性能好、耐腐蚀、抗摩擦性能好，同时具有合适的摩擦系数，抗高温性能等优良特性。

发明内容

[0005] 为了克服上述现有技术的缺陷，解决现有单一铁基摩擦材料表面易粘着，摩擦系数稳定性差，耐磨性不够，单一铜基摩擦材料摩擦系数小，经济成本较高，重金属Cu的污染等问题，本发明的目的是提供一种铁铜基复合摩擦材料的制备方法，发挥铁铜两者各自的优点，同时，将比模量、比强度高的碳纤维应用到铁铜基摩擦材料中，增强基体强度，提高冲击韧性，减小制动噪音，摩擦系数合适，高温耐磨性优良。

[0006] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

[0007] 一种铁铜基复合摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

[0008] 步骤1，配料，下列百分数均为质量百分数

[0009] 将40～60微米的树枝状电解铜粉30～40％，粒径40～60微米的球形或近球形雾化铁粉25～35％，铁粉与铜粉总量不超过72％，40～60微米的钛粉、镍粉和钼粉各2～3％，钛粉、镍粉和钼粉三者之和控制在 6～9％，60～80微米的鳞片状石墨粉8～10％，直径5～7微米长度1～3毫米的短切碳纤维2～4％，60～80微米的近球状二硫化钼2～4％，石墨粉、碳纤维、硫化钼三者之和不超过15％，再加70～100微米的高岭土、长石粉和莫来石各2～3％，以及1～2％的70～100微米的蛭石粉混合；并按照公式1计算出理论密度，单位：ρ克/厘米3；

[0010] 公式1如下，式中百分号前面的符号表示各个组分的名称，总和是100％[0011]

[0012] 步骤2，混料

[0013] 将步骤1的原料按照比例称好后装入“Y”字型混料机中，按照 10～15毫升/公斤添加溶剂120#汽油，然后在30～50转/分钟的速度下混料2～3小时；然后将混合好的料，再添加5～10毫升/公斤的质量浓度80％的丙三醇溶液，用手揉搓搅拌均匀，过30～40目的筛子制粒，在室温下阴干停留2～4小时；

[0014] 步骤3，成型

[0015] 首先根据摩擦块的图纸计算出其体积V厘米3，然后利用公式2计算出压坯所需混合粉的重量M克；再用天平称取这些重量的粉体装在钢压模中阴模与下模冲构成的型腔中(根据图纸事先设计并加工好)，最后放上上模冲，在液压机上施加600～700MPa的压强进行冷压成型：

[0016] 公式2 M＝95％ρ·V(克)

[0017] 步骤4，装舟

[0018] 把步骤3成型好的生坯装在舟中，上面放置同样截面尺寸的石墨模冲，整个石墨舟的上下采用5～10毫米的耐热钢板作为托盘；

[0019] 步骤5，烧结

[0020] 将步骤4装好的舟由下到上依次叠放到加热炉腔体中，盖好炉盖，连接好加压装置，通入保护气氛氮气进行加压烧结；升温速率控制在200～250℃/小时，加热到950～1000℃保温2～3小时，同时施加 1.0～2.5MPa的压力，然后随炉冷却，等温度降到300℃以下打开炉盖，关闭保护气氛；停留2小时后从石墨舟中取出摩擦块；

[0021] 步骤6，喷砂

[0022] 将步骤5烧好的摩擦块利用固体喷砂去除表面的污染；所用砂粒为直径约0.5～1mm的白色刚玉砂，以5～8米/秒的速度高速冲击摩擦块的表面1～3分钟。

[0023] 本发明的摩擦材料经冷压后再高温热压烧结获得，其有益效果是：

[0024] 1、本发明调整铁铜基摩擦材料的配方组成，在基体中添加钛、镍、钼等金属元素，因为钛、镍、钼等金属加入基体中，可以细化组织，并造成晶格畸变，使得基体强度、硬度增加。润滑组元或称为减磨剂的石墨和MoS2由许多层或片所组成,各层本身很强,但各层之间的结合很弱，导致这些材料的抗压能力很强,抗剪切能力弱,故加入量有一合适的范围。

[0025] 2、所制备的铁铜基摩擦材料，摩擦系数适中、稳定，耐磨性好，无污染，工艺流程简单，成本低，无刹车噪音，热衰退小。

附图说明

[0026] 图1是三高石墨舟结构示意图。

[0027] 图2是摩擦材料的显微组织图，图2A是低倍下显微图；图2B是高倍下显微图。

[0028] 图3是传统摩擦块与本发明摩擦块的噪音对比图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细叙述。

[0030] 实施例一

[0031] 制备直径约25毫米，高10毫米的圆柱形摩擦块，包括以下步骤：

[0032] 步骤1，配料。将40微米的树枝状电解铜粉30％，粒径40微米的球形或近球形雾化铁粉35％，40微米的钛粉、镍粉和钼粉各3％与 60微米的鳞片状石墨粉9％、直径5微米长度1毫米的短切碳纤维4％、 60微米的近球状二硫化钼2％，再加70微米的高岭土、长石粉和莫来石各3％，以及2％的70微米的蛭石粉混合。并按照公式1计算出理论密度ρ为4.88克/厘米3。

[0033] 步骤2，混料。将步骤1的原料按照比例称好后装入“Y”字型混料机中，按照10毫升/公斤添加120#溶剂汽油，然后在30转/分钟的速度下混料2小时；然后将混合好的料，添加5毫升/公斤质量浓度80％的丙三醇溶液，用手揉搓搅拌均匀，过30目的筛子制粒，在室温下阴干(停留2小时)。

[0034] 步骤3，成型。首先根据摩擦块的图纸计算出其体积V为4.9厘米3，然后利用公式2计算出压坯所需混合粉的重量M是22.7克；再用天平称取这些重量的粉体装在钢压模中阴模与下模冲构成的型腔中(根据图纸事先设计并加工好)，最后放上上模冲，在液压机上施加600MPa 的压强(即30吨的压力)进行冷压成型。

[0035] 步骤4，装舟。把步骤3成型好的生坯按照图1所示装在高强、高密、高导三高石墨所制的舟或模具中(石墨舟中的型腔尺寸与摩擦块的相同)，上面放置同样截面尺寸(与压坯的截面尺寸相同)的石墨模冲，整个石墨舟的上下采用5毫米的耐热钢板作为托盘。

[0036] 步骤5，烧结。将步骤4装好的舟由下到上依次叠放到加热炉腔体中，盖好炉盖，连接好加压装置，通入保护气氛氮气进行加压烧结，升温速率控制在200℃/小时，加热到950℃保温3小时，同时施加 1.0MPa的压力，然后随炉冷却，等温度降到300℃以下打开炉盖，关闭保护气氛；停留2小时后从石墨舟中取出摩擦块。

[0037] 步骤6，喷砂。将步骤5烧好的摩擦块利用固体喷砂去除表面的污染；所用砂粒为直径约0.5mm的白色刚玉砂，以5米/秒的速度高速冲击摩擦块的表面1分钟。

[0038] 本实施例所制铁铜基复合摩擦材料的显微组织如图2所示。铁铜基摩擦材料的密度为4.5～5.1g/cm3；平均硬度为HV200～HV227。摩擦系数0.40～0.45。噪音对比如图3所示，图3A是波幅比较大的传统摩擦材料的，图3B基本看不到波幅的是本发明所制的摩擦材料。

[0039] 实施例二

[0040] 制备长40毫米，宽20毫米，高10毫米的长方体摩擦块，包括以下步骤：

[0041] 步骤1，配料。将60微米的树枝状电解铜粉40％，粒径60微米的球形或近球形雾化铁粉30％，60微米的钛粉、镍粉和钼粉各2.5％与80微米的鳞片状石墨粉8％、直径7微米长度3毫米的短切碳纤维 3％、80微米的近球状二硫化钼4％，再加100微米的高岭土、长石粉和莫来石各2％，以及1.5％的100微米的蛭石粉混合。并按照公式1 计算出理论密度ρ为5.31克/厘米3。

[0042] 步骤2，混料。将步骤1的原料按照比例称好后装入“Y”字型混料机中，按照12毫升/公斤添加120#溶剂汽油，然后在50转/分钟的速度下混料3小时；然后将混合好的料，添加10毫升/公斤质量浓度80％的丙三醇溶液，用手揉搓搅拌均匀，过40目的筛子制粒，在室温下阴干(停留4小时)。

[0043] 步骤3，成型。首先根据摩擦块的图纸计算出其体积V为8厘米3，然后利用公式2计算出压坯所需混合粉的重量M是40.4克；再用天平称取这些重量的粉体装在钢压模中阴模与下模冲构成的型腔中(根据图纸事先设计并加工好)，最后放上上模冲，在液压机上施加700MPa 的压强(即56吨的压力)进行冷压成型。

[0044] 步骤4，装舟。把步骤3成型好的生坯按照图1所示装在高强、高密、高导三高石墨所制的舟或模具中(石墨舟中的型腔尺寸与摩擦块的相同)，上面放置同样截面尺寸(与压坯的截面尺寸相同)的石墨模冲，整个石墨舟的上下采用7毫米的耐热钢板作为托盘。

[0045] 步骤5，烧结。将步骤4装好的舟由下到上依次叠放到加热炉腔体中，盖好炉盖，连接好加压装置，通入保护气氛氮气进行加压烧结；升温速率控制在250℃/小时，加热到1000℃保温2小时，同时施加 2.5MPa的压力，然后随炉冷却，等温度降到300℃以下打开炉盖，关闭保护气氛；停留2小时后从石墨舟中取出摩擦块。

[0046] 步骤6，喷砂。将步骤5烧好的摩擦块利用固体喷砂去除表面的污染，所用砂粒为直径约1mm的白色刚玉砂，以8米/秒的速度高速冲击摩擦块的表面3分钟。

[0047] 本实施例所制铁铜基复合摩擦材料的密度为4.8～5.1g/cm3；平均硬度为HV200～HV210。摩擦系数0.40～0.42。噪音对比实验，基本看不到波幅。

[0048] 实施例三

[0049] 制备外弧半径80毫米，内弧半径60毫米，中心角80度，厚度10 毫米的扇形摩擦块，包括以下步骤：

[0050] 步骤1，配料。将50微米的树枝状电解铜粉37％，粒径50微米的球形或近球形雾化铁粉33％，50微米的钛粉、镍粉和钼粉各2％与 70微米的鳞片状石墨粉10％，直径6微米、长度3毫米的短切碳纤维2％，70微米的近球状二硫化钼2.7％，再加80微米的高岭土、长石粉和莫来石各2.7％，以及1.2％的80微米的蛭石粉混合，并按照公式1 计算出理论密度ρ为3
5.05克/厘米。

[0051] 步骤2，混料。将步骤1的原料按照比例称好后装入“Y”字型混料机中，按照15毫升/公斤添加120#溶剂汽油，然后在40转/分钟的速度下混料2.5小时；然后将混合好的料，添加8毫升/公斤质量浓度80％的丙三醇溶液，用手揉搓搅拌均匀，过30目的筛子制粒，在室温下阴干(停留3小时)。

[0052] 步骤3，成型。首先根据摩擦块的图纸计算出其体积V为19.5厘米3，然后利用公式2计算出压坯所需混合粉的重量M是93.6克。再用天平称取这些重量的粉体装在钢压模中阴模与下模冲构成的型腔中(根据图纸事先设计并加工好)，最后放上上模冲，在液压机上施加 650MPa的压强(即130吨的压力)进行冷压成型。

[0053] 步骤4，装舟。把步骤3成型好的生坯按照图1所示装在高强、高密、高导三高石墨所制的舟或模具中(石墨舟中的型腔尺寸与摩擦块的相同)，上面放置同样截面尺寸(与压坯的截面尺寸相同)的石墨模冲，整个石墨舟的上下采用10毫米的耐热钢板作为托盘。

[0054] 步骤5，烧结。将步骤4装好的舟由下到上依次叠放到加热炉腔体中，盖好炉盖，连接好加压装置，通入保护气氛氮气(有利于与添加组元铁、钛发生反应形成氮化物，提高耐磨性)进行加压烧结；升温速率控制在220℃/小时，加热到970℃保温2.5小时，同时施加 2.0MPa的压力，然后随炉冷却，等温度降到300℃以下打开炉盖，关闭保护气氛。停留2小时后从石墨舟中取出摩擦块。

[0055] 步骤6，喷砂。将步骤5烧好的摩擦块利用固体喷砂去除表面的污染，所用砂粒为直径约0.8mm的白色刚玉砂，以7米/秒的速度高速冲击摩擦块的表面2分钟。

[0056] 本实施例所制铁铜基复合摩擦材料的密度为4.8～5.1g/cm3；平均硬度为HV210～HV220。摩擦系数0.42～0.45。噪音对比实验，基本看不到波幅。

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