专利名称:金属基烧结摩擦片制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于摩擦材料制造技术领域：
，特别涉及烧结摩擦片制造工艺。
背景技术：
金属基烧结摩擦材料由于具有强度高、耐磨损、导热性好，并具有较高的摩擦系数、摩擦系数稳定等特点而成为制造离合器、制动器的关键材料，广泛用于汽车、摩托车、列车、飞机等运输工具及石油钻井、风力发电等机械中。在列车车辆制造领域，用于制造制动闸瓦和制动闸片。这类材料以金属为基体，含有均匀分布的硬质粒子和润滑粒子。金属基体的含量对材料的强度和韧性起主导作用，硬质粒子和润滑粒子均为脆性材料，其含量控制着制品的摩擦系数和磨损量。提高脆性材料的含量，有利于增加摩擦系数、降低磨损量，同时，降低制品的强度和韧性。
随着制动负荷的增加，如列车速度的提高，载重量增加，对摩擦制动材料性能提出了越来越高的要求，这就要求材料在保证基体强度的同时，进一步提高摩擦系数和降低磨损量。这对摩擦材料的制造工艺提出了更高的要求。
目前国内外传统的制造工艺为原材料混合、冷压制成型、压力烧结成型。压力烧结成型是将冷压制成型的毛坯叠放在一起，放入加压烧结炉中，在保护性气氛下加压烧结。由于炉温分段固定加热，温区均匀性不足，造成制品质量难于均匀，同时，烧结压力调节范围有限，一般为1-5MPa这个范围，难于进一步提高制品的密度和使制品有较复杂的形状。另外，电阻加热炉升温、降温均需要较长时间，这使得每炉的烧结时间约为8-10小时，因此，压力烧结成型工序生产效率低、能耗大。为提高制品的密度和使制品具有较复杂的形状，满足高速列车对高能量制动闸片的制造要求，国际专利WO97/43560采用的制造高速列车制动闸片的工艺为原材料混合、冷压制成型、第一次烧结、热锻成型、第二次烧结。这种工艺可以提高制品密度，允许制品形状较复杂和尺寸精度好，然而，由于工艺中采用了3次加热工序，因此，制造时间长，制造成本显著提高。
发明内容本发明的目的是提出一种金属基烧结摩擦片制造工艺，工艺简单，制造效率高、成本低、产品性能优良，尺寸精度高。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是一种金属基烧结磨擦片制造工艺第一步混合原料粉末混合均匀；第二步冷压制成型将模具内表面涂润滑脂，将混合好的粉料及护套或护环置入模具中，在常温及100-600MPa压力下，压制出所需的毛坯；第三步电流直加热模压烧结成型将冷压制成型毛坯置入高强石墨或钢质模具中，将模具连同毛坯置入炉中，炉内通入氢气和氮气，或启动真空系统，真空度达70mmHg，然后，对毛坯施加电压3-15V、大电流10-200A，同时，对毛坯施加压力5-100MPa，烧结温度750-1500℃，保温时间为1-30分钟，随炉冷却至100℃出炉。
所述第一步混合将各组份材料按比例加入混合器中进行混合，首先混合密度较大的金属粉，如铜粉、锡粉、铁粉和铝粉等，再加入硬质粒子如Al2O3、SiO2、硬质合金等，最后加入石墨。
所述各种粉末粒子的尺寸小于800μm。在混合时，可混入混合物重量的0.2-1％的轻质油或易挥发性溶剂。
所述第三步电流直加热模压烧结成型对毛坯施加压力，压力随毛坯温度升高而逐渐增加。
所述第三步电流直加热模压烧结成型对于铜基烧结材料，烧结温度为750-1000℃，保温时间为1-20分钟；对于铁基烧结材料，烧结温度为900-1500℃，保温时间为2-30分钟，随炉冷却至100℃出炉。
本发明工艺简单粉末原料混合、冷压制成型、电流直加热模压烧结成型。这种工艺具有如下优点1.基体金属材料可以是铜基，也可以是铁基；2.制品在模具内成型，成型压力调节范围大，使制品密度高、尺寸精度好、允许形状复杂，可实现摩擦材料与护套、护环完整结合；3.将低电压、大电流直接施加在坯料上进行加热，烧结时间短、效率高、节能效果显著；4.烧结压力和烧结温度可灵活匹配，调节范围大，可实现半凝固状态下的压力烧结，这允许进一步提高脆性粒子的含量，使材料的摩擦磨损性能实现在更大范围内的调节。本发明尤其适用于制造铁路车辆制动闸片和风力发电设备制动闸片。制造的闸片在高温高速制动条件下，具有高的摩擦系数，良好的耐磨性，更适于时速200公里以上的高速列车和大功率风力发电机使用。
图1是闸片制动块的制造工序。
图2是定速摩擦试验机转速为200r/min时制动块的摩擦系数。
图3是定速摩擦试验机转速为500r/min时制动块的摩擦系数。
图4是定速摩擦试验机转速为2000r/min时制动块的摩擦系数。
图5是定速摩擦试验机转速为3000r/min时制动块的摩擦系数。
图6是1∶1制动试验台测试的最高速度为300km/h时制动闸片的瞬时摩擦系数。
具体实施方式结合附图对本发明进行详细叙述实施例1各组份重量百分比如下铜粉54％，锡粉6％，铝粉3％，铁粉12％，Al2O36％，SiO29％，石墨10％。首先将金属粉进行混合3-5min，再加入Al2O3和SiO2混合3-5min，最后加入石墨和混合粉重量的0.5％煤油，混合5-10min。
将适合重量的混合粉放入模具中，在500MPa的压力下压制5-10秒，取出后成为冷压制毛坯。
将冷压制毛坯置入热模压模具3中，启动真空系统，当真空度达70mmHg时，通过上下凸模4、5对毛坯施加3MPa压力，同时，启动加热电流6，加热时间在2-3min左右，毛坯温度达到800℃，对毛坯施加50MPa压力，保温2min，随炉冷却至100℃出炉，制成制动块。
制得的材料的硬度HB70，密度为5.6g/cm3。在GF150D型定速摩擦试验机上，比压为0.6MPa，摩擦转速为200，500，2000，3000r/min，测得的摩擦系数为0.49(图2)，0.45(图3)，0.42(图4)，0.36(图5)，磨损量为0.41cm3/MJ。
同样条件下，采用传统工艺制造制动块，将冷压制毛坯置入钟罩式加压烧结炉中，烧结气氛为氢气，压力为3.5MPa，经2-3h加热，温度达到800℃，保温时间为1小时，随炉冷却4-6h至100℃出炉，制成制动块。
制得的材料的硬度HB60，密度为5.0g/mm3。在GF150D型定速摩擦试验机上，比压为0.6Mpa，摩擦转速为200，500，2000，3000r/min，测得的摩擦系数为0.44，0.45，0.39，0.35，磨损量为0.65cm3//MJ。
两种工艺比较可知，本发明工艺的烧结成型时间远小于传统工艺，而制品的密度高于传统工艺，由于制品的密度高，使耐磨性能明显提高。
采用本发明制造出了符合国际铁路联盟标准的高速列车铜基烧结制动闸片，将制动闸片在1∶1制动试验台上进行了最高速度达300km/h测试，测试结果表明，瞬时摩擦系数完全处于国际铁路联盟标准的控制范围内(图6)，磨损量为0.38cm3/MJ。
实施例2各组份重量百分比如下铁粉60％，铜粉10％，锡粉5％，铝粉5％，Al2O35％，SiO25％，石墨10％。首先将金属粉进行混合3-5min，再加入Al2O3和SiO2混合3-5min，最后加入石墨和混合粉重量的0.5％煤油，混合5-10min。
将适合重量的混合粉放入模具中，在600MPa的压力下压制5-10秒，取出后成为冷压制毛坯。
将冷压制毛坯置入热模压模具3中，启动真空系统，当真空度达70mmHg时，通过上下凸模4、5对毛坯施加5MPa压力，同时，启动加热电流6，加热时间在2-3min左右，毛坯温度达到1000℃，对毛坯施加60MPa压力，保温2min，随炉冷却至100℃出炉，制成制动块。
制得的材料的硬度HB210，密度为4.8g/cm3。在GF150D型定速摩擦试验机上，比压为0.6MPa，摩擦转速为200，500，2000，3000r/min，测得的摩擦系数为0.39，0.35，0.32，0.29，磨损量为0.39cm3/MJ。
同样条件下，采用传统工艺制造制动块，将冷压制毛坯置入钟罩式加压烧结炉中，烧结气氛为氢气，压力为3.5MPa，经3-4h加热，温度达到1000℃，保温时间为1.5小时，随炉冷却4-6h至100℃出炉，制成制动块。制得的材料的硬度HB150，密度为4.6g/mm3。在GF150D型定速摩擦试验机上，比压为0.6Mpa，摩擦转速为200，500，2000，3000r/min，测得的摩擦系数为0.34，0.35，0.29，0.28，磨损量为0.45cm3//MJ。
权利要求
1.一种金属基烧结磨擦片制造工艺，其特征是第一步混合原料粉末混合均匀；第二步冷压制成型将模具内表面涂润滑脂，将混合好的粉料及护套或护环置入模具中，在常温及100-600MPa压力下，压制出所需的毛坯；第三步电流直加热模压烧结成型将冷压制成型毛坯置入高强石墨或钢质模具中，将模具连同毛坯置入炉中，炉内通入氢气和氮气，或启动真空系统，真空度达70mmHg，然后，对毛坯施加电压3-15V、大电流10-200A，同时，对毛坯施加压力5-100MPa，烧结温度750-1500℃，保温时间为1-30分钟，随炉冷却至100℃出炉。
2.根据权利要求
1所述的一种金属基烧结磨擦片制造工艺，其特征是第一步混合将各组份材料按比例加入混合器中进行混合，首先混合密度较大的金属粉，如铜粉、锡粉、铁粉和铝粉等，再加入硬质粒子如A12O3、SiO2、硬质合金等，最后加入石墨。
3.根据权利要求
1所述的一种金属基烧结磨擦片制造工艺，其特征是各种原料粉末粒子的尺寸小于800μm。
4.根据权利要求
1所述的一种金属基烧结磨擦片制造工艺，其特征是第一步混合可混入混合物重量的0.2-1％的轻质油或易挥发性溶剂。
5.根据权利要求
1所述的一种金属基烧结磨擦片制造工艺，其特征是第三步电流直加热模压烧结成型对毛坯施加压力，压力随毛坯温度升高而逐渐增加。
6.根据权利要求
1所述的一种金属基烧结磨擦片制造工艺，其特征是第三步电流直加热模压烧结成型对于铜基烧结材料，烧结温度为750-1000℃，保温时间为1-20分钟。
7.根据权利要求
1所述的一种金属基烧结磨擦片制造工艺，其特征是对于铁基烧结材料，烧结温度为900-1500℃，保温时间为2-30分钟，随炉冷却至100℃出炉。
8.根据权利要求
1-7任一所述的一种金属基烧结磨擦片制造工艺，其特征是热压模具材料为高密度石墨、钢或石墨与钢的复合模。
专利摘要
本发明涉及属于摩擦材料制造技术领域：
，一种金属基烧结摩擦片制造工艺，金属基烧结摩擦片由铜、铁等金属材料为基体，含有硬质粒子、石墨粒子等摩擦性能调节组分，通过粉末原料混合、冷压制成型、电流直加热模压烧结成型工序制成摩擦块。由于工艺中采用了电流直加热模压烧结成型工序，使制品密度显著提高，这允许材料中的脆性粒子变化范围增加，有利于调节制品的摩擦性能和降低磨损量。同时，这种工艺具有制造效率高、成本低、尺寸精度高等优点。因此，是一种制造金属基烧结摩擦片的好方法。
文档编号C09K3/14GK1994628SQ200610134186
公开日2007年7月11日 申请日期2006年11月3日
发明者高飞, 宋宝韫, 符蓉 申请人:大连交通大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan