一种调节粉末冶金铜基摩擦材料孔隙度及孔隙结构的方法

摘要

本发明提供一种调节粉末冶金铜基摩擦材料孔隙度及孔隙结构的方法，属于制动摩擦材料制备技术领域。工艺流程为：采用氩气雾化工艺Cu‑Fe合金粉末部分替代电解铜粉，利用铜铁合金粉末(10‑240μm)粒度大小搭配以及与其他粉末润湿性的改善，通过模压成形和热压烧结得到粉末冶金铜基摩擦材料。所得粉末冶金铜基摩擦材料孔隙的数量尺寸减小，形貌较为圆滑，孔隙分布更加均匀，并形成了多级尺度的孔径分布，使得材料具有更好的耐磨性、导热能力以及更稳定的摩擦系数。

说明书

技术领域

本发明涉及制动摩擦材料制备技术领域，特别提供了一种调节粉末冶金铜基摩擦材料孔隙度及孔隙结构的方法。

背景技术

粉末冶金铜基摩擦材料除了基体组元、摩擦组元和润滑组元三大组元外，多孔结构是粉末冶金铜基摩擦材料的重要特征，孔隙被认为是影响粉末冶金摩擦材料摩擦磨损性能的第四大组元，孔隙度、孔径大小、孔隙结构及孔隙分布的均匀性都是影响闸片摩擦磨损性能的重要因素，国内外已经把孔隙率作为摩擦材料的一项重要性能指标，粉末冶金铜基摩擦材料通常含有4-15％左右的孔隙。孔隙对摩擦磨损性能的影响包括以下几个方面：孔隙削弱周围基体的强度，孔隙边缘以破碎、撕裂、犁削等多种形式产生磨屑，关系到第三体的形成过程及稳定性，进而影响摩擦系数大小及其稳定性；孔隙的存在对摩擦表面膜造成破坏，摩擦表面不易形成完整的表面膜，影响摩擦系数的稳定性，增加磨耗；孔隙能够储存磨粒，降低摩擦表面磨屑的数量，从而降低磨粒磨损；孔隙使摩擦副之间的接触变得柔和，制动平稳；同时，孔隙影响摩擦副的瞬时结合过程和摩擦面的润滑状态，孔隙率和孔隙结构还影响摩擦材料的导热效率，对摩擦材料及对偶件的热疲劳和热磨损产生影响；此外，摩擦材料的孔隙与制动噪音密切相关，极低的孔隙率容易引起尖锐噪音，较高的孔隙率具有声学阻尼功能，显著降低噪音。可见，只有当孔隙度控制在一定范围内时，材料才具有良好的综合摩擦磨损性能，因此对孔隙结构的精确控制显得尤为重要。

目前主要通过控制成形和烧结工艺参数来调节粉末冶金铜基摩擦材料的孔隙度及孔隙结构。一般而言，随着成形压力、烧结温度和烧结压力的增加，材料的致密度逐步增大。但是，由于摩擦材料中高弹性模量的石墨、碳纤维或氧化物的添加，随着烧结温度、压力的升高，材料的致密度可能会有所下降，使得孔隙度和孔隙结构的控制变得复杂，从而导致材料的摩擦磨损性能难于控制。本发明从调节原料粉末的性质入手来改善粉末的润湿性和压坯的孔隙度，采用不同粒度的近球形氩气雾化铜铁合金部分替代树枝状电解铜粉。通常情况下铁以铁粉形式直接添加到铜基摩擦材料中，过多的铁粉会分割铜基体，使得材料孔隙率增高，也有研究提出以覆铜铁粉替换铁粉，覆铜铁粉不仅制作工艺复杂，成本高，而且高温下铁粉表面的铜易脱落，上述都会使得基体连续性下降，强度降低，磨损加大。而本发明采用近球形Cu-Fe雾化粉末，特殊的制作方法使得铁完全固溶在铜基体中，并且合金粉末的粒度分布范围广，利用颗粒尺寸级差配比，也能够降低材料孔隙率，因此适量的Cu-Fe雾化粉末具有调节孔隙度作用，能够有效地提高铜基摩擦材料的摩擦磨损性能，可见，本发明能够从源头对材料的孔隙度及孔隙结构进行控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种调节粉末冶金铜基摩擦材料孔隙度及孔隙结构的方法，在高压缩性的电解铜粉中添加适量椭球状、粒度分布广的雾化Cu-Fe复合粉末，所制备的粉末冶金铜基摩擦材料具有孔隙度可控，孔隙分布均匀，综合性能优异的特点，

一种调节粉末冶金铜基摩擦材料孔隙度及孔隙结构的方法，其特征在于：

步骤一、原料配制：原料包含基体组元、摩擦组元、强化组元和润滑组元，各组元的构成是：基体组元：50-60％混合粉、混合粉由45-75μm的电解铜粉和铜铁合金粉组成；摩擦组元：2-6％10-20μmSiO₂粉末、7-10％莫来石，5～15％的Fe粉；强化组元：5～10％Sn粉，1～5％的Ni粉；润滑组元：1～10％Bi粉、5～10％150-250μm的鳞片石墨，1～5％二硫化钼粉；

步骤二、将上述原料粉末倒入改进后的双锥混料机中，混料筒不断回转使物料翻动，通过喷嘴向混料筒内喷入粘结润滑剂，高压气体压力在0.01MPa～1MPa之间，喷嘴喷射出的粘结润滑剂溶液形成雾状，与翻动的物料充分接触，粘结润滑剂的含量占原料粉末总质量的0.1～1％，混料5～15小时；

步骤三、将混合均匀的粉末冷压成形，压力为400～500MPa；

步骤四、将冷坯体在热压烧结炉中烧结，加热至800℃～1000℃，在氢氮混合气体中烧结，保温60～180分钟，热压压力为2MPa～4MPa，保持恒定；

步骤五、冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。

进一步的，步骤一中所述的铜铁合金粉末中铁的质量分数为2-4％；铜铁合金粉末在混合粉中所占重量比为20％～40％。

进一步的，步骤一中所述铜铁合金粉末采用氩气雾化方式制备，其中铁元素以过饱和固溶体形式存在于铜中。

进一步的，步骤一中所述铜铁合金粉末的粒径分布在10-240μm。

本发明的优点在于以雾化铜铁合金粉末部分替代电解铜粉，铜铁复合粉末中铁全部固溶在铜基体中，改善了铜粉与其他添加组元的润湿性，并且合金粉末的粒径分布广，小粒径粉末填塞在大粒径粉末形成的孔隙之中，形成尺寸的级差配比，使得铜基摩擦材料具备合适的孔隙度及孔隙大小，提高了闸片材料孔隙结构的均匀性与摩擦系数的稳定性。与相同孔隙度的传统铜基摩擦材料相比，所得铜基摩擦材料中孔隙的数量尺寸变小，孔隙变得圆滑，尺寸较小的孔隙对周围基体强度的削弱作用减小，不易产生大块的磨屑，降低了磨耗，而孔隙圆滑则降低了材料受力时的应力集中，可以在相同的压制和烧结工艺参数下，通过调整原料粉末的组成来调节材料孔隙特性，有利于发挥孔隙对摩檫系数-速度自适应性的调节作用，一定程度上解决了现有技术中摩擦材料孔隙度和孔隙结构控制困难的问题，为工业化生产过程中孔隙的控制提供了便利。

附图说明

图1为Cu-Fe合金粉末的形貌，

图2为Cu-Fe合金粉末的粒度分布。

具体实施方式

实施例1：

1.准备原材料：基体组元：质量配比为55％的混合铜粉(35％电解铜粉(45μm)和20％铜铁合金粉)；摩擦组元：5％SiO₂粉末(10μm)、9％莫来石，7％Fe粉；强化组元：7％Sn粉、3％Ni粉；润滑组元：5％Bi粉、7％鳞片石墨(150μm)、2％二硫化钼粉；

2.将上述粉末倒入改进后的双锥混料机中，混料筒不断回转使物料翻动，高压气体压力在0.1MPa左右，喷射出的粘结润滑剂溶液形成雾状，与翻动的物料充分接触，混料8小时；

3.将混合均匀的粉末冷压成形，压力为400MPa；

4.将冷坯体在热压烧结炉中烧结，加热至830℃，在氢氮混合气体中烧结，保温80分钟，热压压力为2MPa，保持恒定；

5.冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。

实施例2：

1.准备原材料：基体组元：质量配比为55％的混合铜粉(30％电解铜粉(60μm)和25％铜铁合金粉)；摩擦组元：5％SiO₂粉末(10μm)、9％莫来石，7％Fe粉；强化组元：7％Sn粉、3％Ni粉；润滑组元：5％Bi粉、7％鳞片石墨(150μm)、2％二硫化钼粉；

2.将上述粉末倒入改进后的双锥混料机中，混料筒不断回转使物料翻动，高压气体压力在0.5MPa左右，喷射出的粘结润滑剂溶液形成雾状，与翻动的物料充分接触；混料10小时；

3.将混合均匀的粉末冷压成形，压力为430MPa；

4.将冷坯体在热压烧结炉中烧结，加热至880℃，在氢氮混合气体中烧结，保温100分钟，热压压力为2.5MPa，保持恒定；

5.冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。

实施例3：

1.准备原材料：基体组元：质量配比为55％的混合铜粉(25％电解铜粉(75μm)和30％铜铁合金粉)；摩擦组元：5％SiO₂粉末(10μm)、9％莫来石，7％Fe粉；强化组元：7％Sn粉、3％Ni粉；润滑组元：5％Bi粉、7％鳞片石墨(150μm)、2％二硫化钼粉；

2.将上述粉末倒入改进后的双锥混料机中，混料筒不断回转使物料翻动，高压气体压力在0.8MPa左右，喷射出的粘结润滑剂溶液形成雾状，与翻动的物料充分接触，混料12小时；

3.将混合均匀的粉末冷压成形，压力为470MPa；

4.将冷坯体在热压烧结炉中烧结，加热至930℃，在氢氮混合气体中烧结，保温120分钟，热压压力为3MPa，保持恒定；

5.冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。

实施例4：

1.准备原材料：基体组元：质量配比为55％的混合铜粉(20％电解铜粉(75μm)和35％铜铁合金粉)；摩擦组元：5％SiO₂粉末(10μm)、9％莫来石，7％Fe粉；强化组元：7％Sn粉、3％Ni粉；润滑组元：5％Bi粉、7％鳞片石墨(150μm)、2％二硫化钼粉；

2.将上述粉末倒入改进后的双锥混料机中，混料筒不断回转使物料翻动，高压气体压力在1MPa左右，喷射出的粘结润滑剂溶液形成雾状，与翻动的物料充分接触，混料15小时；

3.将混合均匀的粉末冷压成形，压力为500MPa；

4.将冷坯体在热压烧结炉中烧结，加热至980℃，在氢氮混合气体中烧结，保温120分钟，热压压力为3MPa，保持恒定；

5.冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。