一种高摩擦系数耐腐蚀铜基刹车材料及其制备方法

摘要

一种高摩擦系数耐腐蚀铜基刹车材料，其配方以重量百分比计包含34～79％的铜、6～12％的碳、2～6％的钛、2～6％的镍、4～10％的石英砂、3～9％的碳化硅、2～6％的莫来石、0～8％的二硫化钼和2～9％的三氧化钼。上述材料可通过粉末冶金的方式在保护气氛下加压烧结成型，烧结温度为800～890℃，烧结时间为100～200分钟，施加压力为：1.9～3Mpa。本发明采用Cu-Ni-Ti合金组元作为连接相，克服了普通铜基粉末冶金刹车材料在海洋环境中耐腐蚀性能差的难题；采用莫来石作为摩擦相，解决了普通铜基刹车材料动、静摩擦系数偏低的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及铜基刹车材料领域，具体涉及一种高摩擦系数耐腐 蚀铜基刹车材料及其制备方法。

背景技术

中国在19世纪70年代末期发展建设自己的海军舰载直升机， 经过30多年的发展，已经形成了多型舰载直升机，并装备形成了一 定的海空力量。但由于国际武器及相关技术的限制出口，在加上国内 只能依赖自主研发，起步较晚，造成舰载直升机的技术发展尤其是刹 车材料的技术水平远远落后于美、俄以及欧洲等军事强国。

作为直升机主起落架机轮双刹车装置关键制动组件的刹车片， 起着确保直升机安全起降、滑跑、停机等的重要作用。在直升机刹车 时，通过双刹车装置液压作用将刹车片夹紧在动盘两侧，产生刹车力 矩，使直升机平稳安全减速停止。由于海上盐雾环境的影响，因此要 求舰载直升机用刹车材料应具有高而稳定的动、静摩擦系数及良好的 抗海水腐蚀性。

国外军事强国，尤其是美、俄以及欧洲等国发展舰载直升机的 时间较早，经过几十年的研究和大规模装备运用，在装备的研究上积 累了大量的技术经验，与之相关的刹车材料技术处于成熟阶段，在舰 载机上使用的铜基刹车材料的动、静摩擦系数普遍达到0.32以上， 且具有良好的耐海水腐蚀性能。能够长期适应海洋气候。

国内直升机的研发由于起步较晚，从最开始的购买成品的刹车 材料，到引进国外的铜基粉末冶金刹车材料配方和制造工艺，经过消 化和自主研发，其技术水平基本上处于国外80年代的铜基粉末冶金 刹车材料的技术水平，其动、静摩擦系数普遍处于0.25以下，且抗 海水腐蚀性较差。高摩擦系数耐腐蚀铜基刹车材料的研究，对彻底解 决制约海军直升机装备发展的技术瓶颈，确保装备长期使用的安全性 和稳定性，填补国内海军直升机装备用粉末冶金刹车材料的技术空白 具有重要的军事意义。

在国内现有的粉末冶金刹车材料体系中，考虑到基体组元的抗 腐蚀性，海上用的刹车材料可采用粉末冶金铜基刹车材料。但与铁基 刹车材料对比，国内现有的铜基粉末冶金刹车材料在高压力条件下的 动、静摩擦系数(动、静力矩)相对较低，尤其是静摩擦系数偏低， 且不耐海水腐蚀。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高摩擦系数耐腐蚀铜基 刹车材料及其制备方法，通过对铜基粉末冶金刹车材料的配方及制备 工艺进行调整，研制出满足力学性能要求和适应海洋气候工况环境要 求的刹车材料。

本发明通过以下技术方案得以实现。

一种高摩擦系数耐腐蚀铜基刹车材料，其配方以重量百分比计包 含34～79％的铜、6～12％的碳、2～6％的钛、2～6％的镍、4～10％ 的石英砂、3～9％的碳化硅、2～6％的莫来石、0～8％的二硫化钼和2～ 9％的三氧化钼。

进一步的，上述高摩擦系数耐腐蚀铜基刹车材料的配方中还包含 (0-5％]重量的锡。

进一步的，上述高摩擦系数耐腐蚀铜基刹车材料的配方中的碳以 石墨的形式加入。

进一步的，上述石墨为鳞状石墨。

进一步的，上述高摩擦系数耐腐蚀铜基刹车材料的制备方法包括 以下步骤：

(1)烘干原材料：将石英砂、碳化硅、莫来石、二硫化钼、三 氧化钼等化合物组分的粉料烘干；

(2)混料：以铜粉为基，按配方比例加入石墨粉、钛粉、镍粉、 锡粉、石英砂粉、碳化硅粉、莫来石粉、二硫化钼粉、三氧化钼粉等， 并将其混合均匀；

(3)冷压成型：称取一定量的混合均匀的粉料放入模具中，并 通过冷压成型方式压制成具有一定形状的生坯，成型压力为 300-460MPa；

(4)烧结：将冷压成型的生坯放入烧结炉中在保护气氛下烧结， 烧结温度为800～890℃，烧结时间为100～200分钟，并且在烧结过程 中、在垂直方向上持续地给生坯施加1.9～3Mpa的压力；

(5)冷却取料：烧结好的材料在保护气氛下随炉自然冷却，待 烧结炉温度降到100℃以下后打开炉门、卸载压力，将烧结好的材料 样品取出。

进一步的，上述烧结步骤中开始向生坯施加压力的时机选在：生 坯温度上升到成品铜基摩擦材料熔点的40-50％之时。

进一步的，上述烧结步骤中向生坯施加的压力保持到生坯烧结完 毕、冷却。

本发明提供的高摩擦系数耐腐蚀铜基刹车材料配方中以铜、镍、 钛为基本组分，形成具有较强耐海水冲击腐蚀和抗海洋生物污着的铜 镍钛合金。同时，配方中以莫来石取代传统铜基刹车材料中的铁作为 增摩组元，以提高刹车材料的基体强度(硬度)和摩擦系数，降低磨 损量。另外，配方中除加入常规润滑组元石墨、二硫化钼以及常规增 摩组元碳化硅、二氧化硅外，还加入三氧化钼作增摩组元来提高材料 的摩擦系数和抗粘结性。

本发明的有益效果在于：本发明创新性地在粉末冶金刹车材料中 采用Cu-Ni-Ti合金组元作为连接相，克服了普通铜基粉末冶金刹车材 料在海洋环境中耐腐蚀性能差的难题；采用莫来石作为摩擦相，解决 了普通铜基刹车材料动、静摩擦系数偏低的问题。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，应当理解，本发明要求保护 的范围并不局限于所述。

实施例一：

一种高摩擦系数耐腐蚀铜基刹车材料，其配方以重量百分比计包 含34％的铜、12％的碳、6％的钛、6％的镍、10％的石英砂、9％的碳 化硅、6％的莫来石、8％的二硫化钼和9％的三氧化钼。其制备方法如 下：(1)将石英砂、碳化硅、莫来石、二硫化钼、三氧化钼等化合物 组分的粉料烘干待用；(2)以铜粉为基，按上述配方比例加入石墨粉、 钛粉、镍粉、石英砂粉、碳化硅粉、莫来石粉、二硫化钼粉、三氧化 钼粉等，并将其混合均匀；(3)称取50克的混合均匀的粉料放入模具 中，并通过冷压成型方式压制成原片状生坯，成型压力为350MPa；(4) 将冷压成型的生坯圆片放入烧结炉中并在氩气保护气氛下烧结，烧结 温度为850℃，烧结时间为150分钟；在烧结过程中，当生坯温度上升 达到成品铜基摩擦材料熔点的40-50％之时，在垂直方向上持续地给 生坯施加2.5Mpa的压力，此压力一直保持到生坯烧结完毕、冷却；(5) 烧结好的材料在保护气氛下随炉自然冷却，待烧结炉温度降到100℃ 以下后打开炉门、卸载压力，将烧结好的材料样品取出。

通过一系列的力学性能试验，上述刹车材料的最大可承载压强达 5.5MPa，动摩擦系数为0.37，静摩擦系数大于0.39。

实施例二：

一种高摩擦系数耐腐蚀铜基刹车材料，其配方以重量百分比计包 含79％的铜、6％的碳、2％的钛、2％的镍、4％的石英砂、3％的碳化 硅、2％的莫来石和2％的三氧化钼。其制备方法如下：(1)将石英砂、 碳化硅、莫来石、三氧化钼等化合物组分的粉料烘干待用；(2)以铜 粉为基，按上述配方比例加入石墨粉、钛粉、镍粉、石英砂粉、碳化 硅粉、莫来石粉、三氧化钼粉等，并将其混合均匀；(3)称取50克的 混合均匀的粉料放入模具中，并通过冷压成型方式压制成原片状生 坯，成型压力为450MPa；(4)将冷压成型的生坯圆片放入烧结炉中 并在氩气保护气氛下烧结，烧结温度为800℃，烧结时间为100分钟； 在烧结过程中，当生坯温度上升达到成品铜基摩擦材料熔点的 40-50％之时，在垂直方向上持续地给生坯施加3Mpa的压力，此压力 一直保持到生坯烧结完毕、冷却；(5)烧结好的材料在保护气氛下随 炉自然冷却，待烧结炉温度降到100℃以下后打开炉门、卸载压力， 将烧结好的材料样品取出。

通过一系列的力学性能试验，上述刹车材料的最大可承载压强达 6.6MPa，动摩擦系数为0.32，静摩擦系数大于0.38。

实施例三：

一种高摩擦系数耐腐蚀铜基刹车材料，其配方以重量百分比计包 含60％的铜、8％的碳、4％的钛、3％的镍、2％的锡、6％的石英砂、 5％的碳化硅、4％的莫来石、3％的二硫化钼和5％的三氧化钼。其制 备方法如下：(1)将石英砂、碳化硅、莫来石、二硫化钼、三氧化钼 等化合物组分的粉料烘干待用；(2)以铜粉为基，按上述配方比例加 入石墨粉、钛粉、镍粉、锡粉、石英砂粉、碳化硅粉、莫来石粉、二 硫化钼粉、三氧化钼粉等，并将其混合均匀；(3)称取50克的混合均 匀的粉料放入模具中，并通过冷压成型方式压制成原片状生坯，成型 压力为380MPa；(4)将冷压成型的生坯圆片放入烧结炉中并在氩气 保护气氛下烧结，烧结温度为830℃，烧结时间为180分钟；在烧结过 程中，当生坯温度上升达到成品铜基摩擦材料熔点的40-50％之时，在 垂直方向上持续地给生坯施加2.8Mpa的压力，此压力一直保持到生坯 烧结完毕、冷却；(5)烧结好的材料在保护气氛下随炉自然冷却，待 烧结炉温度降到100℃以下后打开炉门、卸载压力，将烧结好的材料 样品取出。

通过一系列的力学性能试验，上述刹车材料的最大可承载压强达 6.3MPa，动摩擦系数为0.36，静摩擦系数大于0.39。

以上实施例通过对粉末冶金铜基刹车材料的配方及制备工艺进 行调整来制备满足力学性能要求的刹车材料，同时兼顾刹车材料对海 洋气候工况环境的适应性。由于飞机对静刹车力矩要求较高，同时海 上环境要求刹车材料产品耐海水、耐盐雾侵蚀，因此刹车材料的配方 组元中不能使用易受电化学腐蚀的活性较高的铁等组分。上述配方中 以铜为基体组元，加入抗化学腐蚀性较好的镍粉形成具有较强耐海水 冲击腐蚀和抗海生污着等方面性能的铜镍合金，再加入微量的极耐氯 离子腐蚀的钛粉来进一步降低铜镍合金的表面活性特征和电化学腐 蚀性。同时在配方中加入莫来石组元，取代传统铜基刹车材料中的铁 作为摩擦组元，并且经过烧结形成陶瓷骨架，以提高刹车材料的基体 强度(硬度)，降低磨损量。满足动、静刹车力矩要求高的要求，同 时还具备良好的抗海水侵蚀能力。

影响铜基粉末冶金刹车材料摩擦磨损性能的主要工艺参数是压 制压力、烧结温度、烧结压力、保温时间和保护气氛。压制压力决定 着压坯的预成型密度，对烧结成型过程会产生一定的影响；烧结温度 取决于材料的化学成分、用途、组织性能和使用条件。加压时，施压 过早或过晚对刹车材料基体烧结质量都不利。施压过早易使压坯破 裂，太晚则不能发挥压力对烧结的促进作用，一般在熔点(T熔)40％～ 50％附近开始施压效果好。压力大小对烧结质量也有影响，压力过大 会阻碍金属粉末的充分还原，造成刹车材料基体内部疏松或密度不均 匀；压力过小，则烧结效果差，达不到性能要求。烧结压力对刹车材 料致密性和强度的影响较大，并在一定程度上影响材料的摩擦性能。

通过对铜基粉末冶金刹车材料工艺方法的研究，设计并试验不同 压制压力、烧结温度、烧结压力、烧结保温时间等成型工艺参数对刹 车材料摩擦磨损性能的影响，摸索其技术规律。研究烧结过程中多相 组元的合金化程度、致密度，提高刹车材料的基体密度、力学性能和 热性能，确保刹车材料高温摩擦系数的稳定性、磨损稳定性，降低对 动盘的表面损伤，使得刹车材料摩擦、磨损性能满足技术指标要求。 本发明提供的高摩擦系数耐腐蚀铜基刹车材料具有机械强度好、抗疲 劳强度高、使用寿命高等优点。极大的提升了国内铜基粉末冶金刹车 材料的技术研发能力，尤其是海洋盐雾环境下铜基刹车材料的技术水 平，解决了制约直升机装备发展的技术瓶颈，确保了装备海上长期使 用的安全性和稳定性，对填补了国内直升机装备用粉末冶金刹车材料 的技术空白具有重要的军事意义；与常规刹车材料相比，在动刹车力 矩、静刹车力矩和防海水腐蚀、盐雾试验等多项指标上具备良好的性 能，且工艺流程较简单成熟，生产效率较高。目前该发明成果形成的 产品已形成系列化。