[go: up one dir, main page]

CN118389896B - 一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料 - Google Patents

一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料 Download PDF

Info

Publication number
CN118389896B
CN118389896B CN202410775552.3A CN202410775552A CN118389896B CN 118389896 B CN118389896 B CN 118389896B CN 202410775552 A CN202410775552 A CN 202410775552A CN 118389896 B CN118389896 B CN 118389896B
Authority
CN
China
Prior art keywords
powder
copper
friction material
ternary
ceramic powder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202410775552.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN118389896A (zh
Inventor
李专
吴佳琦
高宗龙
温国源
李烨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN202410775552.3A priority Critical patent/CN118389896B/zh
Publication of CN118389896A publication Critical patent/CN118389896A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN118389896B publication Critical patent/CN118389896B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/05—Metallic powder characterised by the size or surface area of the particles
    • B22F1/052—Metallic powder characterised by the size or surface area of the particles characterised by a mixture of particles of different sizes or by the particle size distribution
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/14—Treatment of metallic powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/14—Treatment of metallic powder
    • B22F1/142—Thermal or thermo-mechanical treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/1003—Use of special medium during sintering, e.g. sintering aid
    • B22F3/1007—Atmosphere
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0084—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ carbon or graphite as the main non-metallic constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
    • B22F2009/043—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling by ball milling

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

本发明属于粉末冶金铜基摩擦材料设计技术领域，具体涉及一种在高能制动下与碳陶制动盘具有良好匹配性的铜基粉末冶金摩擦材料。本发明所用原料以质量百分比计，包括：电解铜粉52~58%、锡粉1~4%、还原铁粉10~16%、钨粉2~4%、层片状石墨粉7~14%、海泡石粉3‑5%、三元陶瓷粉6‑14%；所述三元陶瓷粉是由碳化硼、碳化钛、碳化硅在机械混合并在1600‑1800℃高温烧结后过筛获得；所得三元陶瓷粉的粒度为45~62微米。本发明首次提出采用适当粒径的B4C‑TiC‑SiC三元改性复相陶瓷来同步提升铜基摩擦材料剪切强度和摩擦系数。本发明组分设计合理、工艺简单可控，所得产品性能优良，便于工业化应用。

Description

一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料
技术领域
本发明属于粉末冶金铜基摩擦材料制备技术领域，具体涉及一种在高能制动下与碳陶制动盘具有良好匹配性的铜基粉末冶金摩擦材料。
背景技术
随着高铁速度提高到250-350 km/h，粉末冶金摩擦材料作为刹车片开始成为主流，其机械强度高、导热性好、耐热性强、摩擦因数相对较高且稳定、生产成本低、环境适应性好、制动产生的噪音低且对制动盘磨损小。其中铜基粉末冶金闸片更是佼佼者，不仅占据了250 km/h的主流市场，且已成功应用在时速350 km/h的高速列车上，而国内中南大学、北京科技大学等高校以及北京天宜上佳高新材料股份有限公司、 北京浦然轨道交通科技股份有限公司等企业也在铜基摩擦材料闸片中取得了令人瞩目的进展，有望实现自主品牌的广泛使用。
中国专利CN117448623A公开了一种含改性海泡石的铜基复合摩擦材料，该专利利用改性海泡石粉和碳化硼-碳化硅复相陶瓷粉来共同增强的铜基摩擦材料；进而得到高温摩擦稳定性和耐摩性极佳的产品。但该技术并未涉及到如何同步提升产品的剪切强度和摩擦系数。
中国专利CN111575524A公开了一种铜基粉末冶金闸片摩擦块及其制备方法，该专利的实施例1-3中记载了产品的摩擦系数在0.36~0.38时摩擦体剪切强度仅为11.02~12.13。而且该专利中也未曾涉及采用适当粒径的三元改性复相陶瓷粉来提升产品的剪切强度和摩擦系数。
中国专利申请CN114210971A 公开了一种动车组闸片用铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，该摩擦材料由45～55%的电解铜粉、10～15%的还原铁粉、2～4%的锰粉、4～8%的菱镁石粉、4～8%的铬铁合金、1～4%的钼粉、10～15%的碳化硅和10～15%的石墨组成；所述的百分比为质量百分比，组分总和为100。其所得产品的剪切强度为7.6～8.2kg/mm2，抗压强度为4.7～5.1kg/mm2，平均摩擦系数为0.32～0.41。而且该专利申请中也未曾涉及采用适当粒径的三元改性复相陶瓷粉来提升产品的剪切强度和摩擦系数。
由上可知，到目前为止，还未出现采用适当粒径的三元改性复相陶瓷粉来同步提升铜基摩擦材料剪切强度和摩擦系数的相关报道。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，首次提出采用适当粒径的B4C-TiC-SiC三元改性复相陶瓷来同步提升铜基摩擦材料剪切强度和摩擦系数。
本发明首次使用机械混合-高温烧结-过筛后的三元陶瓷粉（B4C-TiC-SiC）作为耐磨组元，制备出力学性能和摩擦性能皆优异的铜基摩擦材料。尤其是得到了摩擦体剪切强大于等于13MPa且摩擦系数大于等于0.35的优质铜基摩擦材料。
本发明获得的铜基摩擦材料在配对自制碳陶盘时，显示出耐高温低磨耗特性，且制动曲线平稳，力学和摩擦学性能皆优异。
本发明一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料，其所用原料以质量百分比计，包括下述组分：
电解铜粉52~58%；
锡粉1~4%；
还原铁粉10~16%；
钨粉2~4%；
层片状石墨粉7~14%；
海泡石粉3-5%；
三元陶瓷粉6-14%、优选为8-12%；进一步优选为9-10%；所述三元陶瓷粉是由碳化硼、碳化钛、碳化硅在机械混合、高温烧结、过筛后获得；所述高温烧结的温度为1600-1800℃，烧结时间大于等于1小时、优选为1-2小时，过筛后，所得三元陶瓷粉的粒度为45~62微米。
本发明一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料，所述三元陶瓷粉中碳化硼、碳化钛、碳化硅的质量比为，碳化硼：碳化钛：碳化硅=1~2:1~2:1~2；优选为，碳化硼：碳化钛：碳化硅=1:1:1。
作为进一步的优选方案：一种多元陶瓷改性的铜基粉末冶金摩擦材料，其所用原料以质量百分比计由下述组分组成：电解铜粉54~56%、锡粉2~3%、铁粉12-15%、钨粉2.5-3%、层片状石墨粉8~12%、海泡石粉4-4.5%；三元陶瓷粉（B4C-TiC-SiC）8-12%。
作为更进一步的优选方案：一种多元陶瓷改性的铜基粉末冶金摩擦材料，其所用原料以质量百分比计，由下述组分组成：电解铜粉56%、锡粉3%、铁粉14%、钨粉2.5%、层片状石墨粉10%、海泡石粉4.5%；三元陶瓷粉（B4C-TiC-SiC）10%。在此方案下，所得铜基摩擦材料力学性能和摩擦性能优异；尤其是摩擦体的剪切强度可达19.5~20.0MPa、摩擦系数为0.46~0.47。
与现有铜基闸片相比，本发明首次使用机械混合-高温烧结-过筛后的适当尺寸的三元陶瓷粉（B4C-TiC-SiC）作为耐磨组元，制备剪切强度大于等于13MPa且摩擦系数大于等于0.35的优异铜基摩擦材料。其中，机械混合是用来获取活性高的三元陶瓷粉，高温烧结是用来使三种陶瓷粉之间产生粘连，使其不易在摩擦过程中脱落。过筛的目的在于获取相应尺寸的三元陶瓷粉，使得铜基摩擦材料具有优异的耐磨效果。
作为优选，本发明所用电解铜粉的粒径为55~70微米。
作为优选，本发明所用锡粉的粒径为65~75微米。
作为优选，本发明所用还原铁粉的粒径为55~70微米。
作为优选，本发明所用钨粉的粒径为65~75微米。
作为优选，本发明所用层片状石墨粉的粒径为100~120微米。
作为优选，本发明所用海泡石粉的粒径为65~75微米。
作为进一步的优选，本发明所用三元陶瓷粉是由粒径为10-20微米的碳化硼、碳化钛和碳化硅等质量混合均匀后，置于行星式球磨中，于400-420 r/min的转速下球磨48-52小时，然后取出静置烘干后加入到真空烧结炉中进行高温处理，烧结温度1600-1800℃，烧结时间1-2小时。最后将高温处理后的粉体进行230-325目过筛处理，所得粉体在45-62微米、优选过250-300目的筛，取250目筛以下且300目筛以上的颗粒，即得到粒径为48~58微米的三元陶瓷粉体。
本发明一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料；其通过下述步骤制备：
步骤一
按设计组分配取各原料并混合均匀；得到混合物料。
步骤二
将步骤一所得混合物料压制成形，得到成型坯；压制时，控制压力为500~550MPa。
步骤三
将成形坯放在表面清洁干燥的钢背上，两者贴合后置于加压炉中进行高温烧结处理；高温烧结处理时采用由氢气和氮气组成的混合气体作为保护气体；烧结炉内，气体的压力为1.8~2.4MPa；烧结温度为900℃~920℃，保温时间为2~3小时。
作为优选，按比例称量各原料粉，与原料粉总质量3-5%的航空煤油一起加入到V型混料机中混料，混料时控制转速为80-100 r/min，时间为8-12小时，以确保原料的均匀分布。
作为优选，压制成形时，采用四柱液压机进行压制处理。
作为优选，压制成形时，保压时间为12~15s。
作为优选，所用钢背为SA3清洁度的钢背。
作为优选，在钟罩式加压炉中进行高温烧结处理。具体工艺：首先将钟罩式加压炉中充入H2和N2（摩尔比1：2）作为保护气氛，并保持烧结过程中持续输入。其次，调节加压炉中的压力在1.8-2.0MPa的范围，以5℃/min升温到500℃-520℃。然后继续调整压力到2.2-2.4MPa，以3℃/min升温到900℃-920℃，保温2-3小时。最后，进行水冷至室温。
对所得铜基复合材料进行力学性能试验。将样品切割成对应尺寸，分别进行密度、孔隙率、剪切强度和布式硬度的测试。以评估铜基复合材料内部结构的致密化程度和力学强度。
对所得铜基复合材料进行摩擦性能试验。采用中南大学粉末冶金研究院提供的MM-3000缩比试验机和自制碳陶盘（密度2.1g/cm3, 硬度108 HRL），在18m/s紧急制动速度下进行刹停实验，其中，制动压力为0.6 MPa，制动惯量为0.35 kg·m2，记录10次刹停实验的制动曲线。
本发明所得铜基复合摩擦材料：其密度为4.8-5.2 g/cm3，开孔率为2-10%，布式硬度为30-40HB，剪切强度为12-20MPa。10次制动实验后的磨损量在0.15~0.28 cm3/MJ，摩擦系数在0.35-0.48。优选为密度4.9-5.1g/cm3，开孔率3-6%，布式硬度35-39HB，剪切强度16-20MPa。10次制动实验后的磨损量在0.20~0.26 cm3/MJ，摩擦系数在0.42-0.47。本发明取得了结构致密、力学强度优良、低磨损且高摩擦系数的铜基摩擦材料。
本发明所设计和制备的三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金材料用作摩擦材料，适用于摩托车、汽车、高铁刹车片。
有益效果
本发明在材料设计方面，首次引入机械混合-高温烧结-过筛后的适当粒径三元陶瓷粉（B4C-TiC-SiC）作为耐磨组元，制备出力学性能和摩擦性能皆优异的铜基摩擦材料。一定程度上缓解了陶瓷组元在铜基摩擦材料中的加入导致的力学性能和摩擦性能无法同步提升的问题。本发明在机理方面，采用三种不同成分的耐磨组元进行综合强化，充分发挥了三者的协同作用能够最大程度提升力学性能和摩擦性能。其中，TiC与铜结合更加紧密，可以使得三元陶瓷粉不容易在制动过程中脱落。SiC有助于取得更大的摩擦系数，而B4C在促进摩擦稳定性的效果更好。本发明在技术上面，采用过筛挑选出球磨-烧结后具有特殊粒度范围的三元陶瓷粉，既能避免球磨产生的陶瓷颗粒粒径过小导致的铜基摩擦材料摩擦系数不足问题，又能避免烧结产生的大尺寸团聚陶瓷颗粒导致的铜基摩擦材料剪切强度大幅下滑问题。如此特殊粒度范围（48~58微米）的三元陶瓷粉加入可以同步提升铜基摩擦材料的剪切强度和摩擦系数。
附图说明
图1为本发明实施例及对比例的密度图，其中a图为实施例，b图为对比例。
图2为本发明实施例及对比例的孔隙率图，其中a图为实施例，b图为对比例。
图3为本发明实施例及对比例的布式硬度图，其中a图为实施例，b图为对比例。
图4为本发明实施例及对比例的剪切强度图，其中a图为实施例，b图为对比例。
图5为本发明实施例及对比例的摩擦制动曲线图，其中a图为实施例，b图为对比例1-6，c图为对比例7-9。
图6为本发明实施例及对比例10次重复制动下的摩擦系数，其中a图为实施例，b图为对比例1-6，c图为对比例7-9。
图7为本发明实施例及对比例在10次重复高能制动后的磨损率，其中a图为实施例，b图为对比例。
由图1到图4可知，实施例的密度皆为4.8-5.2 g/cm3，开孔率为2-10%，布式硬度为30-40HB，剪切强度为12-20MPa；由图5到图7可知，10次制动实验后的磨损量在0.15~0.28cm3/MJ，摩擦系数在0.35-0.48；综合力学和摩擦学性能可知，实施例皆优于对比例。实施例1优于实施例2和3，表明三元陶瓷粉的比例优化有益于力学和摩擦性能提升。实施例1优于实施例4，表明三元陶瓷粉在高温处理过程中温度的提升有益于摩擦和力学性能提升。实施例2优于对比例2，表明海泡石的加入有益于摩擦性能提升。实施例2优于对比例3和对比例4，表明机械混合-高温烧结-过筛后的三元陶瓷粉有益于铜基摩擦材料的力学和摩擦学性能提升。实施例3优于对比例7和对比例8，表明特殊粒径范围的三元陶瓷粉有助于剪切强度和摩擦系数的同步提升。实施例3优于对比例9，表明三元陶瓷粉起到的提升作用大于二元陶瓷粉，其中三元陶瓷粉中TiC的存在可提升铜基摩擦材料的剪切强度并减少脱落，降低磨损。
具体实施方式
本发明实施例和对比例中，所用电解铜粉的粒径为55~70微米。所用锡粉的粒径为65~75微米。所用还原铁粉的粒径为55~70微米。所用钨粉的粒径为65~75微米。所用层片状石墨粉的粒径为100~120微米。所用海泡石粉的粒径为65~75微米。
实施例1
第一步：制备三元陶瓷粉
将10-20微米的碳化硼、碳化钛和碳化硅等质量混合均匀后，置于行星式球磨中进行机械混合，400 r/min转速下球磨48小时，取出静置烘干后加入到真空烧结炉中进行高温处理，烧结温度1800℃，烧结时间2小时。最后将高温处理后的粉体破碎；然后先过250目的筛子，取筛下物并将筛下物过300目的筛子，取300目筛的筛上物，所用筛子为标准泰勒筛，即得到三元陶瓷粉，备用。
第二步：铜基复合材料的混合处理。
按质量百分比，电解铜粉56%、锡粉3%、铁粉14%、钨粉2.5%、层片状石墨粉10%、海泡石粉4.5%；三元陶瓷粉（B4C-TiC-SiC）10%。称量各原料粉，初步混合均匀后，与原料粉末总质量5%的航空煤油一起加入到V型混料机中，控制转速为100 r/min，时间为12小时，以确保原料的均匀分布。
第三步：块状样品的压制。将第二步中混合均匀的粉体置于磨具中，采用四柱液压机进行压制处理。压力为550MPa，保压时间为15s。
第四步：钢背的预处理。选取钢背进行抛丸处理，得到SA3清洁度的钢背。
第五步：高温烧结。将块状样品放在钢背上，两者贴合后置于钟罩式加压炉中进行高温烧结处理。具体工艺：首先将钟罩式加压炉中充入H2和N2（摩尔比1：2）作为保护气氛，并保持烧结过程中持续输入。其次，调节加压炉中的压力在2.0MPa的范围，以5℃/min升温到520℃。然后继续调整压力到2.4MPa，以3℃/min升温到920℃，保温3小时。最后，进行水冷至室温，取出样品备用。
第六步：对所得铜基复合材料进行力学性能试验。将样品切割成对应尺寸，分别进行密度、孔隙率、剪切强度和布式硬度的测试。以评估铜基复合材料内部结构的致密化程度和力学强度。密度和孔隙率采用阿基米德排水法测定；剪切强度采用HZ-1009A万能试验机测定，测试样品尺寸在18×12×5 mm；布式硬度采用HBS硬度仪测得。
第七步：对所得铜基复合材料进行摩擦性能试验。采用中南大学粉末冶金研究院提供的MM-3000缩比试验机和自制碳陶盘（密度2.1g/cm3, 硬度108 HRL），在18m/s紧急制动速度下进行刹停实验，其中，制动压力为0.6 MPa，制动惯量为0.35 kg·m2，记录10次刹停实验的制动曲线。
所得铜基复合摩擦材料：其密度为5.2 g/cm3，开孔率为3%，布式硬度为39HB，剪切强度为20MPa。10次制动实验后的磨损量在0.26 cm3/MJ，摩擦系数在0.47。
实施例2
第一步：制备三元陶瓷粉
将10-20微米的碳化硼、碳化钛和碳化硅等质量混合均匀后，置于行星式球磨中进行机械混合，420 r/min转速下球磨48小时，取出静置烘干后加入到真空烧结炉中进行高温处理，烧结温度1600℃，烧结时间1小时。最后将高温处理后的粉体破碎；然后先过250目的筛子，取筛下物并将筛下物过300目的筛子，取300目筛的筛上物，所用筛子为标准泰勒筛，即得到三元陶瓷粉，备用。
第二步：铜基复合材料的混合处理
按质量百分比，电解铜粉54%、锡粉2%、铁粉13%、钨粉3%、层片状石墨粉15%、海泡石粉4%；三元陶瓷粉（B4C-TiC-SiC）9%。称量各原料粉，初步混合均匀后，与原料粉末总质量4%的航空煤油一起加入到V型混料机中，控制转速为80r/min，时间为8小时，以确保原料的均匀分布。
第三步：块状样品的压制
将第二步中混合均匀的粉体置于磨具中，采用四柱液压机进行压制处理。压力为500MPa，保压时间为13s。
第四步：钢背的预处理
选取钢背进行抛丸处理，得到SA3清洁度的钢背。
第五步：高温烧结
将块状样品放在钢背上，两者贴合后置于钟罩式加压炉中进行高温烧结处理。具体工艺：首先将钟罩式加压炉中充入H2和N2（摩尔比1：2）作为保护气氛，并保持烧结过程中持续输入。其次，调节加压炉中的压力在1.8MPa的范围，以5℃/min升温到500℃。然后继续调整压力到2.2MPa，以3℃/min升温到900℃℃，保温2.5小时。最后，进行水冷至室温，取出样品备用。
第六步：对所得铜基复合材料进行力学性能试验
将样品切割成对应尺寸，分别进行密度、孔隙率、剪切强度和布式硬度的测试。以评估铜基复合材料内部结构的致密化程度和力学强度。密度和孔隙率采用阿基米德排水法测定；剪切强度采用HZ-1009A万能试验机测定，测试样品尺寸在18×12×5 mm；布式硬度采用HBS硬度仪测得。
第七步：对所得铜基复合材料进行摩擦性能试验
采用中南大学粉末冶金研究院提供的MM-3000缩比试验机和自制碳陶盘（密度2.1g/cm3, 硬度108 HRL），在18m/s紧急制动速度下进行刹停实验，其中，制动压力为0.6MPa，制动惯量为0.35 kg·m2，记录10次刹停实验的制动曲线。
所得铜基复合摩擦材料：其密度为5.0g/cm3，开孔率为8%，布式硬度为35HB，剪切强度为15MPa。10次制动实验后的磨损量在0.22 cm3/MJ，摩擦系数在0.41。
实施例3
第一步:制备三元陶瓷粉。
将10-20微米的碳化硼、碳化钛和碳化硅等质量混合均匀后，置于行星式球磨中进行机械混合，410 r/min转速下球磨50小时，取出静置烘干后加入到真空烧结炉中进行高温处理，烧结温度1700℃，烧结时间2小时。最后将高温处理后的粉体破碎；然后先过250目的筛子，取筛下物并将筛下物过300目的筛子，取300目筛的筛上物，所用筛子为标准泰勒筛，即得到三元陶瓷粉，备用。
第二步：铜基复合材料的混合处理。
按质量百分比，电解铜粉52%、锡粉4%、铁粉16%、钨粉4%、层片状石墨粉14%、海泡石粉3%；三元陶瓷粉（B4C-TiC-SiC）7%。称量各原料粉，初步混合均匀后，与原料粉末总质量3%的航空煤油一起加入到V型混料机中，控制转速为90 r/min，时间10小时，以确保原料的均匀分布。
第三步：块状样品的压制。将第二步中混合均匀的粉体置于磨具中，采用四柱液压机进行压制处理。压力为520MPa，保压时间为13s。
第四步：钢背的预处理。选取钢背进行抛丸处理，得到SA3清洁度的钢背。
第五步：高温烧结。将块状样品放在钢背上，两者贴合后置于钟罩式加压炉中进行高温烧结处理。具体工艺：首先将钟罩式加压炉中充入H2和N2（摩尔比1：2）作为保护气氛，并保持烧结过程中持续输入。其次，调节加压炉中的压力在1.9MPa的范围，以5℃/min升温到510℃。然后继续调整压力到2.3MPa，以3℃/min升温到910℃，保温2小时。最后，进行水冷至室温，取出样品备用。
第六步：对所得铜基复合材料进行力学性能试验。将样品切割成对应尺寸，分别进行密度、孔隙率、剪切强度和布式硬度的测试。以评估铜基复合材料内部结构的致密化程度和力学强度。密度和孔隙率采用阿基米德排水法测定；剪切强度采用HZ-1009A万能试验机测定，测试样品尺寸在18×12×5 mm；布式硬度采用HBS硬度仪测得。
第七步：对所得铜基复合材料进行摩擦性能试验。采用中南大学粉末冶金研究院提供的MM-3000缩比试验机和自制碳陶盘（密度2.1g/cm3, 硬度108 HRL），在18m/s紧急制动速度下进行刹停实验，其中，制动压力为0.6 MPa，制动惯量为0.35 kg·m2，记录10次刹停实验的制动曲线。
所得铜基复合摩擦材料：其密度为4.9 g/cm3，开孔率为9%，布式硬度为31HB，剪切强度为13MPa。10次制动实验后的磨损量在0.16 cm3/MJ，摩擦系数在0.35。
实施例4：其他条件和实施例1一致，不同之处在于三元陶瓷粉高温烧结温度的改变。10-20微米的碳化硼、碳化钛和碳化硅同比例混合均匀后，置于行星式球磨中进行机械混合，400 r/min转速下球磨48小时，取出静置烘干后加入到真空烧结炉中进行高温处理，烧结温度1600℃，烧结时间1小时。最后将高温处理后的粉体进行250-300目过筛处理，即得到三元陶瓷粉。
所得铜基复合摩擦材料：其密度为5.0 g/cm3，开孔率为6%，布式硬度为37HB，剪切强度为18MPa。10次制动实验后的磨损量在0.26 cm3/MJ，摩擦系数在0.45。
实施例5：其他条件和实施例2一致，不同之处在于配方的改变。电解铜粉57%、锡粉2%、铁粉14%、钨粉2%、层片状石墨粉15%、海泡石粉4%；三元陶瓷粉（B4C-TiC-SiC）6%。
所得铜基复合摩擦材料：其密度为4.9 g/cm3，开孔率为7%，布式硬度为35HB，剪切强度为15MPa。10次制动实验后的磨损量在0.20 cm3/MJ，摩擦系数在0.42。
实施例6：其他条件和实施例3一致，不同之处在于配方的改变。电解铜粉52%、锡粉4%、铁粉16%、钨粉4%、层片状石墨粉8%、海泡石粉3%；三元陶瓷粉（B4C-TiC-SiC）13%；所得铜基复合摩擦材料：其密度为4.8 g/cm3，开孔率为10%，布式硬度为30HB，剪切强度为12MPa。10次制动实验后的磨损量在0.28 cm3/MJ，摩擦系数在0.48。
对比例1：其他条件和实施例1一致，不同之处在于三元陶瓷粉高温烧结温度的改变。10-20微米的碳化硼、碳化钛和碳化硅同比例混合均匀后，置于行星式球磨中进行机械混合，410 r/min转速下球磨50小时，取出静置烘干后加入到真空烧结炉中进行高温处理，烧结温度1400℃，烧结时间2小时。最后将高温处理后的粉体进行250-300目过筛处理，即得到三元陶瓷粉。
所得铜基复合摩擦材料：其密度为4.7 g/cm3，开孔率为13%，布式硬度为22HB，剪切强度为10MPa。10次制动实验后的磨损量在0.18 cm3/MJ，摩擦系数在0.40。所得铜基摩擦材料力学性能差。
对比例2：其他条件和实施例2一致，不同之处在于配方的改变，不含海泡石。电解铜粉54%、锡粉3%、铁粉13%、钨粉4%、层片状石墨粉15%；三元陶瓷粉（B4C-TiC-SiC）11%。
所得铜基复合摩擦材料：其密度为5.0 g/cm3，开孔率为8%，布式硬度为32HB，剪切强度为16MPa。10次制动实验后的磨损量在0.17 cm3/MJ，摩擦系数在0.34。所得铜基摩擦材料摩擦系数下降明显，且磨损高。
对比例3：其他条件和实施例3一致，不同之处在于配方的改变。电解铜粉54%、锡粉4%、铁粉16%、钨粉4%、层片状石墨粉16%、海泡石粉2%；三元陶瓷粉（B4C-TiC-SiC）4%。
所得铜基复合摩擦材料：其密度为5.1 g/cm3，开孔率为5%，布式硬度为42HB，剪切强度为21MPa。10次制动实验后的磨损量在0.12 cm3/MJ，摩擦系数在0.29。所得铜基摩擦材料摩擦系数明显不足。
对比例4：其他条件和实施例3一致，不同之处在三元陶瓷粉为直接加入，而未经过机械混合-高温-过筛处理。
所得铜基复合摩擦材料：其密度为5.0 g/cm3，开孔率为8%，布式硬度32HB，剪切强度为19MPa。10次制动实验后的磨损量在0.13 cm3/MJ，摩擦系数在0.28。所得铜基摩擦材料摩擦系数明显不足。
对比例5：其他条件和实施例6一致，不同之处在三元陶瓷粉为机械混合后直接加入，而未经过后续的高温-过筛处理。
所得铜基复合摩擦材料：其密度为5.3g/cm3，开孔率为2%，布式硬度45HB，剪切强度为25MPa。10次制动实验后的磨损量在0.08 cm3/MJ，摩擦系数在0.26。所得铜基摩擦材料摩擦系数严重不足。
对比例6：其他条件和实施例4一致，不同之处在于配方的改变。电解铜粉50%、锡粉4%、铁粉16%、钨粉4%、层片状石墨粉10%、海泡石粉2%；三元陶瓷粉（B4C-TiC-SiC）14%。
所得铜基复合摩擦材料：其密度为4.6g/cm3，开孔率为12%，布式硬度21HB，剪切强度为9MPa。10次制动实验后的磨损量在0.30 cm3/MJ，摩擦系数在0.47。所得铜基摩擦材料力学性能不足，磨损严重。
对比例7
其他条件和实施例3一致，不同之处在于：将高温处理后的粉体破碎；然后过250目的筛子，取筛下物作为三元陶瓷粉。
所得铜基复合摩擦材料：其密度为5.0g/cm3，开孔率为7%，布式硬度为33HB，剪切强度为15MPa，10次制动实验后的磨损量在0.13 cm3/MJ，摩擦系数在0.31。所得铜基摩擦材料摩擦系数下降明显。
对比例8
其他条件和实施例3一致，不同之处在于：将高温处理后的粉体破碎；然后先过300目的筛子，取筛上物作为三元陶瓷粉。
所得铜基复合摩擦材料：其密度为4.8g/cm3，开孔率为14%，布式硬度为24HB，剪切强度为10MPa，10次制动实验后的磨损量在0.17 cm3/MJ，摩擦系数在0.36。所得铜基摩擦材料剪切强度下降明显。
对比例9
其他条件和实施例3一致，不同之处在于第一步，采用的初始陶瓷原料是等质量的10-20微米的碳化硼和碳化硅。
所得铜基复合摩擦材料：其密度为4.9 g/cm3，开孔率为10%，布式硬度为29HB，剪切强度为11MPa。10次制动实验后的磨损量在0.18 cm3/MJ，摩擦系数在0.33。所得铜基摩擦材料剪切强度下降，摩擦系数不足，磨损加大。

Claims (10)

1.一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所用原料以质量百分比计，包括下述组分：
电解铜粉52~58%；
锡粉1~4%；
还原铁粉10~16%；
钨粉2~4%；
层片状石墨粉7~14%；
海泡石粉3-5%；
三元陶瓷粉6-14%；
所述三元陶瓷粉是由碳化硼、碳化钛、碳化硅在机械混合、高温烧结、过筛后获得；所述高温烧结的温度为1600-1800℃，烧结时间大于等于1小时；过筛后，所得三元陶瓷粉的粒度为45~62微米。
2.根据权利要求1所述的一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所用原料以质量百分比计，由下述组分组成：
电解铜粉54~56%；
锡粉2~3%；
还原铁粉12~15%；
钨粉2.5~3%；
层片状石墨粉 8~12%；
海泡石粉4-4.5%；
三元陶瓷粉8-12%。
3.根据权利要求1所述的一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：所述三元陶瓷粉中碳化硼、碳化钛、碳化硅的质量比为，碳化硼：碳化钛：碳化硅=1~2:1~2:1~2。
4.根据权利要求1所述的一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：
其所用原料以质量百分比计，由下述组分组成：电解铜粉56%、锡粉3%、铁粉14%、钨粉2.5%、层片状石墨粉10%、海泡石粉4.5%；三元陶瓷粉10%。
5.根据权利要求1所述的一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：
电解铜粉的粒径为55~70微米；
锡粉的粒径为65~75微米；
还原铁粉的粒径为55~70微米；
钨粉的粒径为65~75微米；
层片状石墨粉的粒径为100~120微米；
海泡石粉的粒径为65~75微米。
6.根据权利要求1所述的一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：
所用三元陶瓷粉是由粒径为10-20微米的碳化硼、碳化钛和碳化硅等质量混合均匀后，置于行星式球磨中，于400-420 r/min的转速下球磨48-52小时，然后取出静置烘干后加入到真空烧结炉中进行高温处理，烧结温度1600-1800℃，烧结时间1-2小时；最后将高温处理后的粉体进行230-325目过筛处理，所得粉体在45-62微米。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料；其特征在于：通过下述步骤制备；
步骤一
按设计组分配取各原料并混合均匀；得到混合物料；
步骤二
将步骤一所得混合物料压制成形，得到成型坯；压制时，控制压力为500~550MPa；
步骤三
将成形坯放在表面清洁干燥的钢背上，两者贴合后置于加压炉中进行高温烧结处理；高温烧结处理时采用由氢气和氮气组成的混合气体作为保护气体；烧结炉内，气体的压力为1.8~2.4MPa；烧结温度为900℃~920℃，保温时间为2~3小时。
8.根据权利要求7所述的一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：
按比例称量各原料粉，与原料粉总质量3-5%的航空煤油一起加入到V型混料机中混料，混料时控制转速为80-100 r/min，时间为8-12小时。
9.根据权利要求7所述的一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：压制成形时，保压时间为12~15s。
10.根据权利要求7所述的一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于：
在钟罩式加压炉中进行高温烧结处理；具体工艺：首先将钟罩式加压炉中充入摩尔比为1：2的H2和N2作为保护气氛，并保持烧结过程中持续输入；然后调节加压炉中的气压在1.8-2.0MPa的范围，以5℃/min升温到500℃-520℃，接着继续调整气压到2.2-2.4MPa，以3℃/min升温到900℃-920℃，保温2-3小时；最后，进行水冷至室温。
CN202410775552.3A 2024-06-17 2024-06-17 一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料 Active CN118389896B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202410775552.3A CN118389896B (zh) 2024-06-17 2024-06-17 一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202410775552.3A CN118389896B (zh) 2024-06-17 2024-06-17 一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN118389896A CN118389896A (zh) 2024-07-26
CN118389896B true CN118389896B (zh) 2024-08-23

Family

ID=91995792

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202410775552.3A Active CN118389896B (zh) 2024-06-17 2024-06-17 一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN118389896B (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116377279A (zh) * 2023-03-21 2023-07-04 中南大学 一种含多种陶瓷成分的铜基粉末冶金闸片及其制备方法
CN117904482A (zh) * 2024-03-20 2024-04-19 中南大学 一种含陶瓷的铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法和应用

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB824124A (en) * 1956-07-02 1959-11-25 Morgan Crucible Co Metal-ceramic materials
JP3298634B2 (ja) * 1990-02-27 2002-07-02 大豊工業株式会社 摺動材料
DE102006051201A1 (de) * 2006-10-30 2008-05-08 Robert Bosch Gmbh Werkstoff für tribologische Anwendungen
GB201519387D0 (en) * 2015-11-03 2015-12-16 Univ Leuven Kath Novel ceramics and uses therof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116377279A (zh) * 2023-03-21 2023-07-04 中南大学 一种含多种陶瓷成分的铜基粉末冶金闸片及其制备方法
CN117904482A (zh) * 2024-03-20 2024-04-19 中南大学 一种含陶瓷的铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN118389896A (zh) 2024-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103194659B (zh) 一种弥散强化铜基粉末冶金刹车片及其制备
CN105063459B (zh) 一种高速列车制动用铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法
CN102605209A (zh) 高速列车粉末冶金闸片摩擦片及其制备工艺
CN104525949B (zh) 一种高耐磨铜基摩擦复合材料及其制备方法
CN109518100A (zh) 一种高速列车制动用粉末冶金摩擦材料及其制备方法
CN117448623B (zh) 一种含改性海泡石的铜基复合摩擦材料及制备方法和应用
CN108412924A (zh) 一种多层复合结构陶瓷刹车片材料及其制备方法
CN110465669A (zh) 一种梯度复合立方氮化硼材料及其制备工艺和应用
CN116287849B (zh) 一种配对碳陶盘的铜基摩擦材料及其制备方法
CN113234954A (zh) 一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法
CN101280374A (zh) 一种高速动车组用粉末冶金制动闸片材料及其制备工艺
CN109468487B (zh) 一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法
CN114645171A (zh) 一种新型多主元合金-金刚石磨具材料及其制备方法和应用
CN106086585B (zh) 一种铜铁基制动复合材料及其制备方法
CN107914019B (zh) 一种铁镍铝基结合剂金刚石工具及其制备方法
CN116377279A (zh) 一种含多种陶瓷成分的铜基粉末冶金闸片及其制备方法
CN118389896B (zh) 一种三元改性复相陶瓷粉增强的铜基粉末冶金摩擦材料
CN113373359A (zh) 一种层状梯度结构颗粒增强镁基复合材料及其制备方法
CN106838079A (zh) 一种高寒地区高速列车制动闸片用冶金摩擦材料
CN110116376B (zh) 一种金属结合剂磨具及其制备方法
CN117904482B (zh) 一种含陶瓷的铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法和应用
CN107573075A (zh) 利用碳纤维预浸带制备C/SiC材料刹车盘的方法
CN111515404B (zh) 一种cBN/Al复合材料的制备方法
CN101469261B (zh) 用于制备铁基粉末冶金摩擦材料的组合物以及摩擦材料
CN106756213A (zh) 一种高耐磨铜基材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant