一种高熔点合金增强铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高熔点合金增强铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法 (High-melting-point alloy reinforced copper-based powder metallurgy friction material and preparation method thereof ) 是由 庾正伟 田雅萍 宋川 王型俊 徐腈蔓 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高熔点合金增强铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法铜基粉末冶金摩擦材料由以下重量百分比的原料制成：铜粉50～60％,铁粉10～20％,锆2～4％,钨2～4％,铬2～4％,石墨10～15％,陶瓷颗粒5～10％,二硫化钼1～2％,高碳铬铁2～4％。本发明的积极效果是：解决了粉末冶金闸片在高速下制动时摩擦系数衰退严重和磨损量大的问题,具体优点为：本发明用锆、铬、钨三种高熔点合金强化了铜基粉末冶金摩擦材料,提高了铜基体软化失效的温度,减小了材料高速制动时摩擦系数的衰退。本发明的铜基粉末冶金摩擦材料提高了材料的硬度和强度,同时降低了摩擦材料制动时的磨损量,提高了粉末冶金闸片的使用寿命。(The invention discloses a high-melting-point alloy reinforced copper-based powder metallurgy friction material and a preparation method thereof, wherein the copper-based powder metallurgy friction material is prepared from the following raw materials in percentage by weight: 50-60% of copper powder, 10-20% of iron powder, 2-4% of zirconium, 2-4% of tungsten, 2-4% of chromium, 10-15% of graphite, 5-10% of ceramic particles, 1-2% of molybdenum disulfide and 2-4% of high-carbon ferrochrome. The invention has the positive effects that: the problems of serious decline of friction coefficient and large abrasion loss of the powder metallurgy brake pad during braking at high speed are solved, and the brake pad has the following specific advantages: the invention uses three high-melting point alloys of zirconium, chromium and tungsten to strengthen the copper-based powder metallurgy friction material, improves the softening failure temperature of the copper matrix, and reduces the decline of the friction coefficient when the material is braked at high speed. The copper-based powder metallurgy friction material improves the hardness and the strength of the material, reduces the abrasion loss of the friction material during braking, and prolongs the service life of the powder metallurgy brake pad.)
技术领域
本发明涉及一种高熔点合金增强铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法。
背景技术
铜基粉末冶金摩擦材料因其良好的导热性和机械性能得到了广泛应用，高速动车组就是利用粉末冶金闸片与制动盘产生的摩擦力实现减速或停车，其中闸片是保证高速动车组运行安全的关键部件，其所用的摩擦材料为铜基粉末冶金摩擦材料；动车组闸片在高速摩擦产生的高温下工作，高速动车组在制动时，其制动元件的温度将达到500℃以上，瞬时温度甚至可达1000℃左右。
铜基粉末冶金摩擦材料是一种以铜或铜合金作为基体，添加摩擦组元、润滑组元以及某些起特殊作用的金属、非金属成分，经混合、成形、烧结的粉末冶金方法制造而成；目前的铜基粉末冶金摩擦材料在高温下工作会使得铜基体软化，降低材料的强度和硬度，从而降低基体对材料中润滑组元和摩擦组元的夹持力，导致材料的摩擦系数衰减、磨耗增大，从而威胁动车组列车的安全运行；为确保动车组列车的安全运行，急需解决铜基粉末冶金摩擦材料高温性能衰退的问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种高熔点合金增强铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，旨在解决铜基粉末冶金摩擦材料高温摩擦系数衰减、磨损量大的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高熔点合金增强铜基粉末冶金摩擦材料，由以下重量百分比的原料制成：铜粉50～60％，铁粉10～20％，锆2～4％，钨2～4％，铬2～4％，石墨10～15％，陶瓷颗粒5～10％，二硫化钼1～2％，高碳铬铁2～4％。
本发明还提供了一种高熔点合金增强铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、配混料：
按重量称取上述原料，并放入V型混料机中充分混合；
步骤二、成形：
将步骤一混合好的粉末放入液压机模具中，进行冷压压制成形；
步骤三、烧结：
将步骤二压制好的压坯放入钟罩式加压烧结炉中加压烧结，烧结过程中通入氢气和氮气作为还原和保护气氛。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明提供了一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，解决了粉末冶金闸片在高速下制动时摩擦系数衰退严重和磨损量大的问题。本发明的具体优点如下：
1)本发明用锆、铬、钨三种高熔点合金强化了铜基粉末冶金摩擦材料，提高了铜基体软化失效的温度，减小了材料高速制动时摩擦系数的衰退。
2)本发明的铜基粉末冶金摩擦材料提高了材料的硬度和强度，同时降低了摩擦材料制动时的磨损量，提高了粉末冶金闸片的使用寿命。
具体实施方式
本发明的高熔点合金增强铜基粉末冶金摩擦材料中的粉末材料及重量比为：铜50～60％，铁10～20％，增强相(锆2～4％、钨2～4％、铬2～4％)，石墨10～15％，二硫化钼1～2％，高碳铬铁2～4％，氧化铝、氧化硅、碳化硅陶瓷5～10％。上述材料铜粉为电解铜粉，粒径45um；铁粉为还原铁粉，粒径100um；锆、钨、铬粉为不规则形状粉末，粒径45um；石墨为人造颗粒石墨，粒径200～500um；二硫化钼为片状粉末，粒径30um；高碳铬铁为不规则形状粉末，粒径150um，氧化铝、氧化硅、碳化硅陶瓷为不规则形状粉末，粒径75um。
本发明的高熔点合金增强铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法为：按照配方中各种粉末材料的配比称取粉末的重量，将称好的粉末放入V型混料机混合均匀，混合好的粉末用液压机压制成形，成形坯件在高温下加压烧结，得到所需的铜基粉末冶金摩擦材料，具体步骤如下：
步骤一：配混料，按要求重量称取各种粉末材料，并放入V型混料机中混合4～8小时。
步骤二：成形，混合好的粉末放入液压机模具中，进行冷压压制成形，压制压力为600～800MPa，保压时间为20～30s。
步骤三：烧结，将压制好的压坯放入钟罩式加压烧结炉中加压烧结，烧结过程中通入氢气和氮气作为还原和保护气氛，烧结压力为4～5MPa，烧结温度900～980℃，保温时间2～3小时。
以下将结合具体实施例对本发明作更进一步的详细描述：
实施例1
本实施例提供了一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，摩擦材料的粉末材料和重量配比为：铜60％，铁11％，增强相(锆2％、钨2％、铬2％)，石墨13％，氧化铝等陶瓷颗粒6％，其它4％。
上述摩擦材料的制备过程，主要包括以下几个步骤：
步骤一：配混料，按上述粉膜材料种类和重量配比要求，称取所需粉末材料，并放入V型混料机中混合5小时。
步骤二：成形，混合好的粉末放入液压机模具中，进行冷压压制成形，压制压力为650MPa，保压时间为20s。
步骤三：烧结，将压制好的压坯放入钟罩式加压烧结炉中加压烧结，烧结过程中通入氢气和氮气作为还原和保护气氛，烧结压力为4.4MPa，烧结温度为930℃，保温时间2小时。
实施例2
本实施例提供了一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，摩擦材料的粉末材料和重量配比为：铜57％，铁11％，增强相(锆3％、钨3％、铬3％)，石墨13％，氧化铝等陶瓷颗粒6％，其它4％。
上述摩擦材料的制备过程，主要包括以下几个步骤：
步骤一：配混料，按上述粉膜材料的种类和重量配比要求，称取所需粉末材料，并放入V型混料机中混合5小时。
步骤二：成形，混合好的粉末放入液压机模具中，进行冷压压制成形，压制压力为720MPa，保压时间为25s。
步骤三：烧结，将压制好的压坯放入钟罩式加压烧结炉中加压烧结，烧结过程中通入氢气和氮气作为还原和保护气氛，烧结压力为4.8MPa，烧结温度为960℃，保温时间2.5小时。
实施例3
本实施例提供了一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，摩擦材料的粉末材料和重量配比为：铜54％，铁15％，增强相(锆2％、钨2％、铬4％)，石墨13％，氧化铝等陶瓷颗粒6％，其它4％。
上述摩擦材料的制备过程，主要包括以下几个步骤：
步骤一：配混料，按上述粉末材料的种类和重量配比要求，称取所需粉末材料，并放入V型混料机中混合5小时。
步骤二：成形，混合好的粉末放入液压机模具中，进行冷压压制成形，压制压力为680MPa，保压时间为30s。
步骤三：烧结，将压制好的压坯放入钟罩式加压烧结炉中加压烧结，烧结过程中通入氢气和氮气作为还原和保护气氛，烧结压力为4.6MPa，烧结温度为950℃，保温时间2.5小时。
对比例
本实施例提供了一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，摩擦材料的粉末材料和重量配比为：铜62％，铁15％，石墨13％，氧化铝等陶瓷颗粒6％，其它4％。
上述摩擦材料的制备过程，主要包括以下几个步骤：
步骤一：配混料，按上述粉末材料的种类和重量配比要求，称取所需粉末材料，并放入V型混料机中混合5小时。
步骤二：成形，混合好的粉末放入液压机模具中，进行冷压压制成形，压制压力为600MPa，保压时间为20s。
步骤三：烧结，将压制好的压坯放入钟罩式加压烧结炉中加压烧结，烧结过程中通入氢气和氮气作为还原和保护气氛，烧结压力为4.0MPa，烧结温度为900℃，保温时间2小时。
对上述的实施例1～3和对比例进行性能测试，包括布氏硬度、剪切强度、抗压强度、摩擦系数、磨损量；其中摩擦系数和磨损量的测试方法参照TJ/CL307-2019《动车组闸片暂行技术条件》，定义如下：
平均摩擦系数：瞬时摩擦系数在制动距离S2上的积分，符号为μ，计算公式见式1。
式1中：
S2—气动夹钳从达到全部制动力的95％时起到停车时止的距离；
μa—瞬时摩擦系数，在任意给定制动瞬间切向力与闸片总压力之比。
磨损量计算见式2；
式2中：
L—单位制动能量的磨耗量，单位为立方厘米每兆焦(cm3/MJ)；
W1—试验前材料重量称重结果，单位为克(g)；
W2—试验后材料重量称重结果，单位为克(g)；
E—试验过程中全部制动试验所产生的制动能量，单位为兆焦(MJ)；
ρ—摩擦材料的密度，单位为克每立方厘米(g/cm3)。
衰退率的计算方法：参照平均摩擦系数的检测方法，在初速度为200km/h和350km/h的条件下，分别进行20次制动试验，得到20次制动所得的平均摩擦系数，求其算术平均值，计算摩擦系数的衰退率，计算公式见式3。
式3中：
μ350km/h—20次350km/h初速度制动平均摩擦系数的算术平均值；
μ200km/h—20次200km/h初速度制动平均摩擦系数的算术平均值。
检测结果见表1。
表1试验结果
从上述的检测结果可知，本发明制备的铜基粉末冶金摩擦材料随着制动速度的增加，摩擦系数的衰退较小，磨损量也较小；实施例与对比例相比，制动速度从200km/h提升至350km/h，摩擦系数的衰退率降低了10％左右，磨损量由0.28cm3/MJ降低至0.20～0.23cm3/MJ，使用寿命可以提高18～25％，摩擦材料的布氏硬度、剪切强度、抗压强度均有明显的提升。
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