一种用于湿式同步器齿环的铜基粉末冶金摩擦材料

摘要

本发明涉及一种用于湿式同步器齿环的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于包括如下组分，其中每个成分的含量以重量百分比来表示：2.0‑4.0%石墨，1.5‑2.5%Al，0.2‑1.3%SiO

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于湿式同步器齿环的铜基粉末冶金摩擦材料，属汽车摩擦材料技术领域。

背景技术

同步器齿环是汽车变速系统的关键部件。同步环安装在同步器接合套内，图1为同步环的零件示意图，其工作原理主要是：在变速器换挡时拨叉带动接合套靠近待接合齿，同步环内锥面与待接合齿齿圈外锥面接触产生摩擦，通过摩擦的作用使接合套与待接合齿迅速实现同步，避免了转速不同的齿轮直接接触，完成平稳的换挡。目前，市场上的同步器大多为湿式，为保证换挡过程的平顺、稳定，通常要求同步环具有如下摩擦磨损特性：（1）低磨损率；（2）静、动摩擦系数比接近于1.0；（3）持续稳定的动摩擦系数。此外，由于个别驾驶员的野蛮操作及可能出现的恶劣工况条件，要求同步环材料须具备一定的抗过载能力。

早期的同步环均采用铜合金制造。随着汽车向高速重载的趋势发展，传统的铜合金材料在磨损率、摩擦系数稳定性等方面的性能指标已不再能满足现代汽车技术的发展需求。在同步环工作锥面制备功能层材料，可显著改善同步环的摩擦磨损特性。常用的功能层材料主要有纸基材料、喷钼材料、铜基粉末冶金材料、碳复合材料等。其中，铜基粉末冶金材料具有磨损小、耐高温，摩擦系数稳定、噪音低等优点。为增加强度，通常将铜基粉末冶金材料压制后与钢背烧结为一体安装于所需零件中。

中国专利文献（CN 105154710A）中公开了一种耐摩擦氮磷复合铜基粉末冶金材料及其制备方法，其中铁15%~25%，镁3.0%~7.5%，镍0.45%~1.65%，钴0.29%~1.45%，硬脂酸锌0.18%~0.65%，硬脂酸钙0.15%~1.36%，三氧化二铝1.6%~3.8%，氮化硅2.4%~5.7%，膨润土0.13%~1.25%，磷酸三苯酯1.3%~3.4%，余量为铜。

中国专利文献（105778406A）中公开了一种车用铜基粉末冶金复合摩擦材料及其制备方法，所述基体材料的原料配比组成为：铜粉基组分55‐70％，摩擦组分15‐20％，润滑组分10‐25％；以质量百分比计，所述铜基粉组分由75‐95％铜粉和5‐25％铁粉；摩擦组分为石英石、三氧化二铝和碳化硅中的一种或多种；润滑组分为CaF2、WS2、BN、Pb和Bi中的两种以上。

中国专利文献（CN 104384504 A）中公开了一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法。该材料由以下重量份配比的原料制成：铜粉60-64份、铁粉6-10份、碳化硅粉3-6份、硫化锰粉3-6份、锆刚玉粉4-7份、镍粉1-4份、钴粉2-5份、氧化铝粉2-5份、钾长石粉2-5份、硅微粉1-4份。

在所查询的专利中，未查到同时添加Al、Mo、Sn、W元素的粉末冶金材料，尤其未查询到添加W的铜基粉末冶金材料。

同步环的使用特性决定了其材料必须具备稳定的动摩擦系数、接近的静、动摩擦系数比值、较小的磨损及较大的抗极压载荷等性能。在所查询专利的权利要求中，未查询到对于静、动摩擦系数比及抗极压载荷的保护内容，特别是没有查到利用阶梯加载方式评价材料抗过载能力的相关内容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于湿式同步器齿环的铜基粉末冶金摩擦材料，该摩擦材料以Cu为基体，添加Al、Mo、W等元素，并优化了成分配比，经混粉、压制后，与钢背烧结成一体，安装于同步环工作锥面，该材料的摩擦学性能优于传统的黄铜合金，有良好的应用前景。

本发明的技术方案是这样实现的：一种用于湿式同步器齿环的铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于包括如下组分，其中每个成分的含量以重量百分比来表示：

2.0-4.0%石墨，1.5-2.5%Al，0.2-1.3%SiO₂，0.5-1.5%Fe，3.5-6.5%Mo，1.5-3.5%Sn，2.0-5.0%W，12.0-15.0%Zn，其余为Cu。

本发明铜基粉末冶金材料采用传统的压制、烧结工艺生产，具体工艺过程如下：按上述组元成分及配比进行混粉、压制，压制后的铜基粉末冶金摩擦材料与钢背烧结为一体，最终安装于同步环工作锥面。压制压力为380~450MPa，烧结温度为850~930℃，烧结压力为2.0~3.0MPa，保温时间2.5~4.0小时。

本发明积极效果是摩擦材料中主要组元具有以下作用：

Mo、W：金属基体组元，强化基体，提高基体硬度，提高耐磨性，稳定摩擦系数。

Sn：金属基体组元，起到固溶强化作用，提高基体硬度，同时在组织中形成一定数量的软质相，提高耐磨性。

Al：金属基体组元，提高基体的强度，提高铜粉与钢背粘结力。

Zn：金属基体组元，强化基体，提高材料的耐热、耐蚀性。

石墨：固体润滑组元，提高耐磨性。

Fe：摩擦组元，适当提高摩擦系数。

SiO₂：摩擦组元，形成高硬质点，增加摩擦作用。

利用抗极压载荷来评价材料的抗过载能力，具体试验方案如下：

采用线性往复式摩擦磨损试验机，将铜基粉末冶金摩擦材料及钢背烧结于钢质平面试样表面。与摩擦材料配副的偶件为钢球，材料为GCr15，硬度（60~65）HRC。

磨损试验的速度不低于0.1m/s，采用阶梯加载方式，初始载荷设定为1N，每隔20分钟增加1N，直至摩擦系数曲线出现急剧拐点时停止试验，将出现拐点前一阶的载荷作为该摩擦材料的抗极压载荷。

满足以下技术指标：

（1）密度≥5.0g/cm³；

（2）硬度≥180HV；

（3）静、动摩擦系数比值≤1.25；

（4）动摩擦系数在0.120~0.132之间；

（5）磨损率≤2.0×10^-5mm³/min；

（6）抗极压载荷≥3.0N；

本发明的铜基粉末冶金摩擦材料与传统的铜合金材料相比具有如下优点：

（1）用粉末冶金的加工方法生产，提高了材料利用率；

（2）加入了Al、Mo、W等元素：强化铜基体，提高了基体硬度，稳定了摩擦系数，并且极大地提高了材料的耐磨性；

（3）摩擦学性能优于传统的黄铜合金，提高了同步器的耐久性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的同步环零件示意图。

图2为本发明中摩擦材料的表面粉末颗粒形貌。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述:

实施例1：

按如下成分及配比进行混粉操作：2.31%石墨，1.96%Al，0.57% SiO₂（天然石英砂），0.71%Fe，4.21%Mo，2.89%Sn，2.37%W，11.71%Zn，其余为Cu。混合料在390MPa下压制成型，与钢背一起进行加压烧结，烧结温度为870℃，烧结压力为2.3MPa，保温时间2.5小时。

如图2所示按上述方法获得的铜基粉末冶金摩擦材料的密度为5.1g/cm³，硬度为（187~198）HV0.025，

实施例2：

按如下成分及配比进行混粉操作：3.39%石墨，1.68%Al，0.86% SiO₂（天然石英砂），1.02%Fe，5.62%Mo，1.95%Sn，3.68%W，13.19%Zn，其余为Cu。混合料在400MPa下压制成型，与钢背一起进行加压烧结，烧结温度为900℃，烧结压力为2.5MPa，保温时间3.0小时。

按上述方法获得的铜基粉末冶金摩擦材料的密度为5.3g/cm³，硬度为（196~205）HV0.025。

实施例3：

按如下成分及配比进行混粉操作：2.89%石墨，2.23%Al，1.03% SiO₂（天然石英砂），0.97%Fe，4.69%Mo，2.32%Sn，3.75%W，14.51%Zn，其余为Cu。混合料在420MPa下压制成型，与钢背一起进行加压烧结，烧结温度为880℃，烧结压力为2.6MPa，保温时间3.5小时。

按上述方法获得的铜基粉末冶金摩擦材料的密度为5.4g/cm³，硬度为（203~212）HV0.025。

实施例4：

按如下成分及配比进行混粉操作：3.53%石墨，1.95%Al，0.58% SiO₂（天然石英砂），1.23%Fe，5.01%Mo，2.86%Sn，4.21%W，13.16%Zn，其余为Cu。混合料在410MPa下压制成型，与钢背一起进行加压烧结，烧结温度为910℃，烧结压力为2.8MPa，保温时间3.0小时。

按上述方法获得的铜基粉末冶金摩擦材料的密度为5.5g/cm³，硬度为（208~216）HV0.025。

实施例5：

按如下成分及配比进行混粉操作：3.79%石墨，2.13%Al，1.11% SiO₂（天然石英砂），0.89%Fe，6.12%Mo，3.05%Sn，4.57%W，13.28%Zn，其余为Cu。混合料在450MPa下压制成型，与钢背一起进行加压烧结，烧结温度为930℃，烧结压力为3.0MPa，保温时间4.0小时。

按上述方法获得的铜基粉末冶金摩擦材料的密度为5.8g/cm³，硬度为（221~227）HV0.025。

试验验证：

将一种黄铜合金材料与本发明铜基粉末冶金摩擦材料进行摩擦磨损试验，试验方法按GB/T 12444-2006，配副材料为GCr15，硬度（60~65）HRC。试验设备为UMT磨损试验机，试验参数见表1。

试验结果见表2。样品编号中1#~5#样品分别为本发明实施例1~实施例5中的铜基粉末冶金摩擦材料，6#样品为一种黄铜合金材料，主要成分及质量百分比如下：Cu-61.15%，Al-2.01%，Si-1.03%，Mn-2.94%，Fe-0.36%，余量为Zn，铜合金材料硬度为（179~192）HV1。

本发明铜基粉末冶金摩擦材料的静、动摩擦系数比与铜合金材料相比更趋于1.0、磨损率显著低于铜合金材料、抗极压载荷大于铜合金材料。

上述结果说明，在如图1所示的同步环工作锥面制备本发明的铜基粉末冶金摩擦材料，换挡舒适性及同步器耐久性均较常用的铜合金材料有显著提高。