一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明属于利用粉末冶金工艺生产高速列车制动闸片技术领域，具体涉及一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法。

背景技术

铜基粉末冶金闸片是高速列车制动系统的关键部件，通过闸片摩擦体和制动盘的摩擦将列车的动能转化为热能，实现列车减速并最终停车。随着高铁列车重载、提速、高速化进程的推进，对闸片在高温及高应力条件下的摩擦磨损和安全可靠性提出了更高的技术要求。传统的铜基粉末冶金摩擦材料在高速制动时，耐热性能不足，易出现摩擦系数衰退及失稳现象，严重影响列车运行安全。因此，需要开发出摩擦系数稳定、耐热性好、强度高的铜基粉末冶金摩擦材料。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，通过控制成分和制备工艺获得一种摩擦系数稳定、抗热衰性能更强的高性能铜基粉末冶金摩擦材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种铜基粉末冶金摩擦材料，由以下质量百分比的原料制成：铜粉40％-60％，铁粉5％-20％，二硫化钼1％-8％，二氧化硅2％-7％，氧化铝1％-10％，石墨2％-15％，铬铁合金2％-10％，金属陶瓷粉1％-15％。

进一步地，所述金属陶瓷粉为Ti

进一步地，所述金属陶瓷粉为MAX相三元层状结构化合物。

本发明还提供了一种铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、混料：

按质量称取上述原料，先人工预混料30min，再倒入V型混料机内充分混合，得到物料均匀的混合粉料；

步骤二、将混合粉料进行冷压成型，得到压坯；

步骤三、将步骤二得到的压坯在钟罩式烧结炉内加压烧结；

步骤四、冷却。

进一步地，步骤一所述V型混料机的转速为50-80r/min，混料时间为4-6h。

进一步地，步骤二所述冷压成型压力为4MPa-7MPa，保压时间为10s-50s。

进一步地，步骤二所述冷压成型时，先放入步骤一得到的混合粉料，再放入底料。

进一步地，所述底料为铜粉铁粉混合材料。

进一步地，步骤三所述烧结温度为800℃-1100℃，烧结压力为2MPa-5MPa，保温时间为40min-120min。

进一步地，步骤三所述烧结炉内的烧结气氛为氢氮混合气体气氛。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

1、本发明所述的铜基粉末摩擦材料中添加的金属陶瓷粉，是一种新型MAX相三元层状结构化合物，其独特的结构特点赋予它兼具金属和陶瓷的双重性能，具有自润滑性、高热稳定性、耐高温氧化和抗热震性等优点。这种金属陶瓷粉的加入可以获得宽温域摩擦系数稳定的铜基制动摩擦材料。

2、在烧结过程中，铜基摩擦材料中的金属陶瓷粉和铜基体会发生界面扩散反应，生成的反应产物可以增强铜基复合材料的界面结合强度，提高铜基摩擦材料的力学性能、抗高温软化能力和耐磨性。

具体实施方式

一种铜基粉末冶金摩擦材料，包括按质量百分比计的以下成分：铜粉40％-60％，铁粉5％-20％，二硫化钼1％-8％，二氧化硅2％-7％，氧化铝1％-10％，石墨2％-15％，铬铁合金2％-10％，金属陶瓷粉1％-15％。

所述金属陶瓷粉为Ti

所述铜基粉末冶金摩擦材料的制备工艺包括以下步骤：

(1)按重量称取上述原料粉末，先人工预混料30min，再倒入V型混料机内充分混合，得到物料均匀的混合粉料；其中：V型混料机的转速为50-80r/min，混料时间为4-6h。

(2)将混合均匀的粉料冷压成型，其中：压制压力为4MPa-7MPa，保压时间为10s-50s。

(3)将压坯在钟罩式烧结炉内加压烧结，冷却。在该条件下，可以使金属组元合金化，强化基体，提高复合材料的摩擦磨损性能；其中：

烧结温度为800℃-1100℃，烧结压力为2MPa-5MPa，烧结气氛为氢氮混合气体，保温时间40min-120min。

(4)性能测试。

以下将结合具体实施例对本发明作更进一步的详细描述：

实例1：

1.一种铜基粉末冶金摩擦材料，具体如下，所述原料按质量百分比计：

铜粉46％，铁粉9％，二硫化钼5％，二氧化硅6％，氧化铝7％，铬铁合金7％，石墨12％，金属陶瓷粉8％；

2.将上述原料粉末先人工预混料30min，再倒入V型混料机内充分混合，转速为60r/min，混料5h；

3.将混合均匀的粉料进行冷压成型，先放入面料(即前述混合均匀的粉料)再放入底料(成分是铜粉铁粉混合材料，作用是使摩擦材料与骨架烧结在一起)，然后进行压制。压制压力为5MPa，保压时间30s；

4.将压坯置于钟罩式烧结炉内，在氢氮混合气氛中加压烧结，烧结温度1050℃，烧结压力为4MPa，保温时间90min。

实例2：

1.一种铜基粉末冶金摩擦材料，具体如下，所述原料按质量百分比计：

铜粉48％，铁粉8％，二硫化钼5％，二氧化硅6％，氧化铝6％，铬铁合金7％，石墨9％，金属陶瓷粉11％；

2.将上述原料粉末先人工预混料30min，再倒入V型混料机内充分混合，转速为65r/min，混料5h；

3.将混合均匀的粉料进行冷压成型，先放入面料再放入底料，然后进行压制。压制压力为5.2MPa，保压时间25s；

4.将压坯置于钟罩式烧结炉内，在氢氮混合气氛中加压烧结，烧结温度1030℃，烧结压力为4MPa，保温时间110min。

实例3：

1.一种铜基粉末冶金摩擦材料，具体如下，所述原料按质量百分比计：

铜粉50％，铁粉12％，二硫化钼3％，二氧化硅4％，氧化铝7％，铬铁合金5％，石墨10％，金属陶瓷粉9％；

2.将上述原料粉末先人工预混料30min，再倒入V型混料机内充分混合，转速为70r/min，混料5h；

3.将混合均匀的粉料进行冷压成型，先放入面料再放入底料，然后进行压制。压制压力为5.4MPa，保压时间20s；

4.将压坯置于钟罩式烧结炉内，在氢氮混合气氛中加压烧结，烧结压力为4MPa，保温时间130min。

实例4：

1.一种铜基粉末冶金摩擦材料，具体如下，所述原料按质量百分比计：

铜粉53％，铁粉13％，二硫化钼4％，二氧化硅5％，氧化铝5％，铬铁合金8％，石墨7％，金属陶瓷粉5％；

2.将上述原料粉末先人工预混料30min，再倒入V型混料机内充分混合，转速为75r/min，混料5h；

3.将混合均匀的粉料进行冷压成型，先放入面料再放入底料，然后进行压制。压制压力为5.6MPa，保压时间10s；

4.将压坯置于钟罩式烧结炉内，在氢氮混合气氛中加压烧结，烧结温度980℃，烧结压力为4MPa，保温时间160min。

对比例1：

1.一种铜基粉末冶金摩擦材料，具体如下，所述原料按质量百分比计：

铜粉59％，铁粉8％，二硫化钼5％，二氧化硅6％，氧化铝6％，铬铁合金7％，石墨9％；

2.将上述原料粉末先人工预混料30min，再倒入V型混料机内充分混合，转速为65r/min，混料5h；

3.将混合均匀的粉料进行冷压成型，先放入面料再放入底料，然后进行压制。压制压力为5.2MPa，保压时间25s；

4.将压坯置于钟罩式烧结炉内，在氢氮混合气氛中加压烧结，烧结温度1030℃，烧结压力为4MPa，保温时间110min。

将实例和对比例制备的铜基粉末冶金摩擦材料进行性能测试，具体检测结果如表1。

表1实施例1-4和对比例1的铜基摩擦材料的物理性能参数

利用MM3000摩擦磨损性能试验台对制得的铜基摩擦材料分别进行350km/h初速度连续制动试验，其中试验台设定施加压力为0.552MPa，初始转速为7122r/min，试验次数为5。根据本发明所制得的摩擦材料测得的MM3000摩擦磨损性能试验数据如下表2所示。

表2上述各实施例1-4和对比例1的铜基摩擦材料的平均摩擦系数和磨损性能测试结果

从表1可知，制备的铜基摩擦材料理化性能相近，但是实施例1-4制备的铜基摩擦材料的致密度均在89％以上，摩擦体的布氏硬度为24-28HBW，剪切强度为20-23MPa，抗压强度为134-139MPa；从表2可知，在连续高速紧急制动的情况下，实施例1-4所制备的铜基粉末冶金摩擦材料摩擦系数整体变化趋势稳定，没有出现明显的高速高温导致的摩擦系数衰退现象，摩擦系数维持在0.33-0.37，磨耗量为0.15-0.16cm