铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法与流程

本发明涉及材料技术领域，且特别涉及一种铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法。

背景技术：

铜基粉末冶金摩擦材料是以铜及其合金为基体，同时添加摩擦组元和润滑组元，采用粉末冶金技术制备而成的复合材料。和有机类摩擦材料相比，该摩擦材料具有耐热性好、机械强度高、摩擦磨损性能稳定等优点，因而在汽车领域被广泛应用。但是随着汽车向高速、重载方向的发展，传统的铜基粉末冶金摩擦材料在使用过程中，磨损严重，已经不能满足当代社会对于汽车制动材料综合性能的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铜基粉末冶金摩擦材料，其摩擦系数稳定，磨损率低，耐磨性佳，强度高。

本发明的另一目的在于提供一种铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，制得摩擦系数稳定，磨损率低、强度高的铜基粉末冶金摩擦材料。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种铜基粉末冶金摩擦材料，其是由原料烧结而成，原料按质量百分比计，包括：锡粉6-8％；铁粉3-6％；镍粉4-7％；二氧化硅4-7％；石墨粉：5-6％；纳米碳化硅：0.5-4％；余量为铜粉。

本发明提出一种制造上述铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，其包括：将纳米碳化硅与工业酒精混合，于频率为20-30KHz的条件下进行超声处理30-35min，得第一混合浆料。

将石墨粉、锡粉、铁粉、镍粉、二氧化硅，以及铜粉加入第一混合浆料中，于超声波频率为20-30KHz的条件下搅拌50-60min，干燥，得混合粉末。

将混合粉末置于300-350MPa环境下保压110-130s进行冷压压制，得压坯。

将压坯置于3-4MPa条件下的氮气氛围中，由常温升温至850-900℃保温2.4-2.7h，烧结成型，冷却。

本发明较佳的实施例提供的铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法的有益效果是：采用铜、铁、锡、镍金属组元进行优化组合，获得一种具有高耐热性、对其他组元形成良好包裹镶嵌效果的金属基体；采用二氧化硅、纳米碳化硅作为摩擦组元提供稳定的摩擦系数，其中纳米碳化硅的添加可以提高材料的抗热震、和高温摩擦性能，采用石墨作为润滑组元降低材料磨损率，防止磨损对偶。混合步骤在工业酒精中进行，并配合两次超声处理，提高原料混合的均匀性，同时工业酒精可以防止混合过程中原料，例如铁被氧化，且工业酒精容易挥发，不影响后续的压制和烧结。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为载荷80N时不同转速下纳米碳化硅的添加量对铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦系数的影响的曲线图；

图2为载荷80N时不同转速下纳米碳化硅的添加量对铜基粉末冶金摩擦材料的磨损量的影响的曲线图；

图3为对比例提供的铜基粉末冶金摩擦材料在80N转速2000r/min下的摩擦形貌；

图4为实施例1提供的铜基粉末冶金摩擦材料在80N转速2000r/min下的摩擦形貌。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法进行具体说明。

一种铜基粉末冶金摩擦材料，其是由原料烧结而成，优选地，原料按质量百分比计，包括：锡粉6-8％；铁粉3-6％；镍粉4-7％；二氧化硅4-7％；石墨粉：5-6％；纳米碳化硅：0.5-4％；余量为铜粉，该范围内，使最终的铜基粉末冶金摩擦材料具有良好的耐热性以及抗磨擦能力。

其中，纳米碳化硅以及二氧化硅均属于铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦组元，二者化学性质稳定。二者均匀分布在基体铜中，具有摩擦、抗磨、耐热、耐蚀等作用，既可提高该摩擦材料的摩擦系数，弥补润滑组元造成的材料摩擦系数的降低，又可消除对偶表面上从摩擦片转移过来的金属。

由于碳化硅以及二氧化硅的颗粒的粒径对于铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦性能具有影响，且碳化硅粒径的大小对于铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响比二氧化硅粒径的大小对于铜基粉末冶金摩擦材料的影响更为显著，因此优选地，采用纳米碳化硅作为优化的摩擦组元，二氧化硅的粒径≥200目，更优选地，二氧化硅的粒径为200目，在提高摩擦性能的基础上，降低制造成本。

铜粉作为基体，锡粉、镍粉、铁粉作为金属组元与铜粉进行优化组合强化基体，从而经烧结合金化后，获得一种具有高耐热性、对其他组元形成良好包裹镶嵌效果的金属基体。

具体地，锡粉可以有效强化烧结过程中的扩散过程，增强摩擦的稳定性。优选地，锡粉的粒径≥290目，更优选地，锡粉的粒径为300目，与原料中其他成分之间的配合效果更佳。

铁粉提高金属基体的机械性能，以及降低摩擦磨损性性。优选地，铁粉的粒径≥200目，更优选地，铁粉的粒径为200目。

镍粉，可有效提高该铜基粉末冶金摩擦材料的强度和硬度，且随镍含量的增加，材料磨损率减小，摩擦系数稳定性增加。并且在高速摩擦时，镍可在材料表面形成致密而均匀的氧化镍层，氧化镍与铜结合强度较高，提高了摩擦稳定性。优选地，镍粉的粒径≥200目，更优选地，镍粉的粒径为200目。

石墨粉作为润滑组元，能够提高摩擦材料的摩擦稳定性以及耐磨性，同时在摩擦过程中形成润滑膜，有效降低摩擦副之间的擦伤、粘接以及咬合，使摩擦副工作平稳。但润滑组元会造成的材料摩擦系数的降低，因此通过原料中上述各成分科学的配比，润滑组元与摩擦组元相互协同协作，有效提高摩擦稳定性、耐磨性以及摩擦系数。

此处所述的石墨粉优选为鳞片石墨，其具有良好的化学稳定性，由于呈层状结构，具有良好的耐高温、导电、导热、润滑、可塑及耐酸碱等性能，是一种天然的固体润滑剂。优选地，石墨粉的粒径≥200目，更优选地，石墨粉的粒径为200目。

在原料的上述各成分的粒径范围内，各成分配合效果佳，有效优化最终烧结后的铜基粉末冶金摩擦材料的性能。

优选地，原料按质量百分比计，还包括0-0.5％的纳米石墨烯。用于进一步优化铜基粉末冶金摩擦材料的耐磨性、强度。

此处所述的纳米石墨烯特指为至少两层的石墨烯，其相比于石墨粉更为细腻，减少烧结后得到的铜基粉末冶金摩擦材料的孔隙半径或数量，增强铜基粉末冶金摩擦材料的强度，且多层的设置，使其也具有固体润滑剂的作用，且在外力的作用下变为单层时，还可提高该铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦系数。

一种制造铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，将纳米碳化硅与工业酒精进行混合，优选地，于频率为20-30KHz的条件下进行超声处理30-35min，使纳米碳化硅充分分散于工业酒精中，从而得第一混合浆料。

当原料中含有纳米石墨烯时，优选地，将纳米碳化硅、纳米石墨烯以及与工业酒精按照上述比例进行混合，优选地，于频率为20-30KHz的条件下进行超声处理30-35min，使纳米碳化硅、纳米石墨烯充分分散于工业酒精中，从而得第一混合浆料。

将石墨粉、锡粉、铁粉、镍粉、二氧化硅，以及铜粉加入第一混合浆料中，优选地，将石墨粉、锡粉、铁粉、镍粉、二氧化硅，以及铜粉分别以每秒按其重量的1％作为添加量缓慢、匀速的加入第一混合浆，防止添加过快产生团聚，不易混合。

优选地，工业酒精与原料的体积比为1：1.5-3，该体积比下，原料可充分被工业酒精浸润并分散于工业酒精内，使超声处理效果更佳。

接着，于超声波频率为20-30KHz的条件下搅拌50-60min，使原料中各成分充分混合，均匀分散于工业酒精内。优选地，搅拌速率为140-200r/min，促进原料中各成分的充分混合。

干燥，得混合粉末。优选地，于60-65℃条件下进行蒸发干燥24-26h，使工业酒精挥发，从而得到干燥的混合均匀的混合粉末。

更优选地，进行该蒸发干燥的设备连通有工业酒精回收设备，减少工业酒精的浪费，以及减少制作成本。

将混合粉末置于300-350MPa环境下保压110-130s，进行冷压压制，在该冷压压制条件下，得到压制为成品形状的密实的压坯，该压坯密度适中，压坯的气孔数量以及气孔体积较小，烧结后的体积收缩较小，便于精细化生产。

将压坯置于3-4MPa条件下的氮气氛围中，由常温升温至850-900℃，保温2.4-2.7h，烧结成型，该条件下使金属组元合金化，强度高，摩擦性能佳。

优选地，升温以10-12℃/min的速度匀速进行，使金属粉末烧结的晶体中，晶格以最佳的速度匀速膨胀，有效填补晶格缺陷。

优选地，将压坯置于3MPa条件下的氮气氛围中，由常温升温至850℃时保温2.5h，烧结成型，该条件范围内，可以有效增强原料各成分之间的相互结合，提高最终产品的密度以及性能。

冷却，得到最终的铜基粉末冶金摩擦材料。优选地，冷却可以随炉冷却至600℃，在该时间段内，颗粒内部之间存在液相，因此随炉冷却过程中，晶体会继续长大，有效填补晶格缺陷，进行二次结晶而继续长大。然后进行淬冷，使晶体停止长大，并且由于颗粒骤然遇冷，迅速发生收缩，产生的应力可以破坏烧结团聚，从而降低最终的铜基粉末冶金摩擦材料的局部烧结现象，有效提高其强度以及耐磨性。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

一种铜基粉末冶金摩擦材料，其是由原料烧结而成，具体地，将纳米碳化硅与工业酒精混合，于频率为27KHz的条件下进行超声处理35min，得第一混合浆料；然后将石墨粉、锡粉、铁粉、镍粉、二氧化硅，以及铜粉分别以每秒按其重量的1％作为添加量缓慢、匀速加入第一混合浆料，在超声波频率为27KHz的条件下搅拌60min，其中搅拌速率为140r/min，使原料混合均匀后，于65℃条件下进行蒸发干燥24h，得混合粉末；接着将混合粉末置于300MPa环境下保压120s进行冷压压制，将得到的压坯置于3MPa条件下的氮气氛围中，由常温以10℃/min的速度匀速升温至900℃时保温2.5h，使压坯烧结成型，最后冷却而得。其中，原料与工业酒精的体积比为1：2，原料按质量百分比计，包括：粒径为300目的锡粉6％；粒径为200目的铁粉6％；粒径为200目的镍粉5％；粒径为200目的二氧化硅5％；粒径为200目的石墨粉5％；纳米碳化硅1％；余量为铜粉。

实施例2

一种铜基粉末冶金摩擦材料，其是由原料烧结而成，具体地，将纳米碳化硅与工业酒精混合，于频率为20KHz的条件下进行超声处理33min，得第一混合浆料；然后将石墨粉、锡粉、铁粉、镍粉、二氧化硅，以及铜粉分别以每秒按其重量的1％作为添加量缓慢、匀速加入第一混合浆料，在超声波频率为30KHz的条件下搅拌55min，其中搅拌速率为200r/min，使原料混合均匀后，于63℃条件下进行蒸发干燥24h，得混合粉末；接着将混合粉末置于350MPa环境下保压130s进行冷压压制，将得到的压坯置于4MPa条件下的氮气氛围中，由常温以12℃/min的速度匀速升温至880℃时保温2.4h，使压坯烧结成型，最后冷却而得。其中，原料与工业酒精的体积比为1：3，原料按质量百分比计，包括：粒径为290目的锡粉6％；粒径为210目的铁粉6％；粒径为210目的镍粉5％；粒径为200目的二氧化硅5％；粒径为210目的石墨粉5％；纳米碳化硅2％；余量为铜粉。

实施例3

一种铜基粉末冶金摩擦材料，其是由原料烧结而成，具体地，将纳米碳化硅、纳米石墨烯以及工业酒精混合，于频率为30KHz的条件下进行超声处理35min，得第一混合浆料；然后将石墨粉、锡粉、铁粉、镍粉、二氧化硅，以及铜粉分别以每秒按其重量的1％作为添加量缓慢、匀速加入第一混合浆料，在超声波频率为20KHz的条件下搅拌50min，其中搅拌速率为140r/min，使原料混合均匀后，于60℃条件下进行蒸发干燥24h，得混合粉末；接着将混合粉末置于330MPa环境下保压110s进行冷压压制，将得到的压坯置于3.5MPa条件下的氮气氛围中，由常温以11℃/min的速度匀速升温至850℃时保温2.7h，使压坯烧结成型，最后冷却而得。其中，原料与工业酒精的体积比为1：1.5，原料按质量百分比计，包括：粒径为300目的锡粉8％；粒径为210目的铁粉3％；粒径为210目的镍粉4％；粒径为200目的二氧化硅4％；粒径为200目的石墨粉6％；纳米石墨烯0.2％；纳米碳化硅0.5％；余量为铜粉。

实施例4

一种铜基粉末冶金摩擦材料，其是由原料烧结而成，具体地，将纳米碳化硅、纳米石墨烯以及工业酒精混合，于频率为27KHz的条件下进行超声处理32min，得第一混合浆料；然后将石墨粉、锡粉、铁粉、镍粉、二氧化硅，以及铜粉分别以每秒按其重量的1％作为添加量缓慢、匀速的加入第一混合浆料，在超声波频率为25KHz的条件下搅拌60min，其中搅拌速率为160r/min，使原料混合均匀后，于64℃条件下进行蒸发干燥24h，得混合粉末；接着将混合粉末置于340MPa环境下保压124s进行冷压压制，将得到的压坯置于3MPa条件下的氮气氛围中，由常温以10℃/min的速度匀速升温至850℃时保温2.5h，使压坯烧结成型，最后冷却而得。其中，原料与工业酒精的体积比为1：2，原料按质量百分比计，包括：粒径为300目的锡粉7％；粒径为200目的铁粉5％；粒径为200目的镍粉6％；粒径为200目的二氧化硅6％；粒径为200目的石墨粉6％；纳米石墨烯0.5％；纳米碳化硅4％；余量为铜粉。

试验例

本发明中对固体摩擦剂纳米碳化硅含量对该铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦性能的影响进行了研究及验证，具体地，在载荷80N时，不同转速下纳米碳化硅的添加量对铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦系数的影响以及对磨损量的影响，结果如图1以及图2所示。

由图1可得，随着纳米碳化硅的添加量的增加，不同转速下的铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦系数均为先下降后上升的趋势，且在1500r/min时，纳米碳化硅的添加量从0.5％时开始不断增加至4％，期间摩擦系数不断上升。

由图2可得，随着纳米碳化硅的添加量的增加，不同转速下的铜基粉末冶金摩擦材料均有一定的磨损量，且在500r/min与1000r/min时，纳米碳化硅的添加量从0.5％时开始不断增加至4％，期间磨损量变化较小。

因而结合图1以及图2，本发明原料中添加的质量百分比为0.5-4％纳米碳化硅，可以有效提高铜基粉末冶金摩擦材料的耐磨性。

以现有工艺制备的铜基粉末冶金摩擦材料作为对比例，其中，该对比例铜基粉末冶金摩擦材料的原料按质量百分比计，包括：粒径为300目的锡粉6％；粒径为200目的铁粉6％；粒径为200目的镍粉5％；粒径为200目的二氧化硅5％；粒径为200目的石墨粉5％；余量为铜粉。以实施例1为试验例。利用显微镜观察在载荷80N，转速2000r/min下的试验例以及对比例的摩擦形貌，结果如图3、图4所示。由图3与图4对比可得，试验例在负载80N转速2000r/min下的摩擦形貌相比于对比例，表面更为平整、光滑，表面几乎无变形。因而，试验例制得的铜基粉末冶金摩擦材料的耐磨性更佳。

综上所述，本发明实施例提供的铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，能够显著提高铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨损性能，提高其强度，在实际应用中，摩擦系数稳定，磨损率低。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。