一种铜铁基制动复合材料及其制备方法
【专利摘要】一种铜铁基制动复合材料及其制备方法，其粉末按重量比加入5％～50％的铜粉，5％～50％的铁粉，1％～10％的铝粉，1％～30％的等轴石墨和1％～10％的Al2O3颗粒，通过原料预处理、设计原料配比、混料、压制、烧结和机械加工，形成具有各向同性的粉末冶金摩擦材料，本发明制备方法工艺简单、成本低廉且可用于制备具有各种复杂形状的复合材料，采用本发明的制备方法制备的铜铁基制动复合材料具有优异的力学性能和摩擦磨损性能，与GCr15钢配对，形成摩擦对偶，适用于飞机多盘式刹车装置，或者重型车辆的制动器和离合器。
【专利说明】
一种铜铁基制动复合材料及其制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种复合材料，具体涉及一种铜铁基制动复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 日本在1964年10月开通世界第一列速度超过200km/h的高速列车后，高速铁路在 世界范围内获得快速发展。我国发展高速铁路始于1991年开工建设的广深线。经过20年的 发展，铁路六次大提速后，路网规模得到了快速发展。尤其是近五年来，先后建成了京津、京 哈、京沪、京广等高等级的现代化铁路干线，开行了速度为200km/h、250km/h和300km/h的 "和谐号"高速动车组列车。在2011年7月开通的京沪城际铁路，设计最高运营速度更是达到 了380km/h，成为目前世界上运营速度最高的铁路。在实现高速列车迅速发展的同时，制度 技术成为重要的因素，尤其是制动装置中闸片的研制。目前使用的无论铁基制动复合材料， 还是铜基制动复合材料，大致由三部分组成，金属做为基体、陶瓷颗粒做为硬质相和鳞片状 石墨做为固体润滑剂。石墨的添加起到耐高温作用，但是同时也降低了材料的硬度，增加了 磨损。现在国内外研究使用，大都采用天然鳞片状石墨做为固体润滑剂，但是片状石墨可以 看做是类盘状形貌，这种形貌容易传递应力，在石墨尖端形成裂纹源，造成基体开裂，增加 磨损率。本发明提出了采用等轴石墨做为固体润滑剂，既保证较好的物理性能和稳定的摩 擦性能，又具有良好的材料基体强度，可以满足高速列车制动使用的要求。
【发明内容】
[0003] 为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铜铁基制动复合材料 及其制备方法，本发明制备方法工艺简单、成本低廉且可用于制备具有各种复杂形状的复 合材料，采用本发明的制备方法制备的铜铁基制动复合材料具有优异的力学性能和摩擦磨 损性能。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0005] -种铜铁基制动复合材料，所述复合材料中铜粉、铁粉和铝粉做为基体材料，氧化 铝Al 2O3颗粒做为硬质相，等轴石墨做为固体润滑剂，基体材料、硬质相和等轴石墨这三部分 构成铜铁基制动复合材料，所述的复合材料中各原料的重量百分比分别为：铜粉5%~ 50%，铁粉5%~50%，铝粉1%~10%，等轴石墨1%~30%，氧化铝412〇3颗粒1%~1〇%。
[0006] -种制备铜铁基制动复合材料的方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1:原料的预处理:将氧化铝Al2O3颗粒过60目筛，置于烘箱中90-150°C干燥处 理；
[0008] 步骤2:按所有原料的重量百分比称取：铜粉5%~50%，铁粉5%~50%，和铝粉 1 %~10 %，然后湿法球磨，制备成混合粉末，随后将混合粉末真空干燥，将混合粉末过60目 筛，待用；
[0009] 步骤3:按所有原料的重量百分比称取:等轴石墨1%~30%，氧化铝Al2O 3颗粒1% ~10%，和步骤1中待用的粉末，混合均匀，随后将混合粉末干燥后再装入模具型腔内， IOMPa下模压成型，制成生坯；
[0010] 步骤4:将步骤3制成的生坯置于真空热压炉中烧结，真空度小于5Pa，以10°C/min 的升温速度将炉温升至800-1050°C，然后施加压力10_30MPa，保温2小时，最后获得复合材 料；
[0011] 步骤5:机械加工，烧结之后根据设计精度要求对摩擦材料进行喷砂处理。
[0012] 本发明采用真空热压烧结的技术制备铜铁基制动复合材料，与现有技术相比，本 发明的有益效果是：
[0013] (1)通过改变烧结工艺中烧结温度和压力，增加了材料的致密度，硬度提高了 10 % 以上。
[0014] (2)通过调节固体润滑剂等轴石墨的百分含量，可以获得摩擦系数0.5以上和磨损 率低于2.7X 10-4mm3 · m-1 · N-1的铜铁基制动复合材料。
[0015] (3)通过调节原料中基体配料的铜粉、铁粉和铝粉的重量百分含量，起到弥散强化 或固溶强化作用，增加了材料的硬度，硬度提高了 10 %以上。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0017] 一种铜铁基制动复合材料，其组分包括铜粉5%~50%，铁粉5 %~50 %，铝粉1 % ~10%，等轴石墨1 %~30%，氧化铝Al2O3颗粒1 %~10%，其中等轴石墨包括中间相碳微 球、球形天然石墨、或用高纯石墨块经破碎挑选的自制石墨等长径比较小的石墨。通过调节 等轴石墨的百分含量，可以获得摩擦系数高和磨损率低的铜铁基制动复合材料。具体实施 例见表1所列组成。
[0018] 本粉末冶金摩擦材料的制备方法具体实施如下：
[0019] 步骤1:原料的预处理:将氧化铝Al2O3颗粒过60目筛，置于烘箱120°C干燥处理； [0020] 步骤2:按所有原料的重量百分比称取：铜粉5%~50%，铁粉5%~50%，和铝粉 1 %~10 %，然后湿法球磨，制备成混合粉末，随后将混合粉末真空干燥，将混合粉末过60目 筛，待用;通过调节原料中基体配料的铜粉和铁粉的重量百分含量，调节材料的力学性能；
[0021] 步骤3:按所有原料的重量百分比称取:等轴石墨1 %~30% ,Al2O3颗粒1 %~10%， 和步骤1中待用的粉末，混合均匀，随后将混合粉末干燥后再装入模具型腔内，IOMPa模压成 型，制成生坯；
[0022] 步骤4:将步骤3制成的生坯置于真空热压炉中烧结，真空度小于5Pa，以10°C/min 的升温速度将炉温升至800-1050°C，然后施加压力10_30MPa，保温2小时，最后获得复合材 料;通过改变烧结工艺中烧结温度和压力，提高材料的力学性能；
[0023] 步骤5:机械加工，烧结之后根据设计精度要求对摩擦材料喷砂处理。
[0024] 采用上述步骤制备得到的摩擦材料经过测量力学性能，摩擦性能，所得到的数据 见表2。材料的布氏硬度31~38,摩擦因数为0.33~0.40,磨损率小于2.7X ΙΟΛιι?3 · πΓ1 · N 本材料的力学性能和摩擦性能都优于对比材料，对比材料的布氏硬度是28~30,摩擦因 数为0.33~0.34,磨损率大于2.8X10_4mm3 · πΓ1 · ΓΓ1，可以看出，本发明中的复合材料提高 了 Cu-Fe基粉末冶金摩擦材料的摩擦因数，降低了材料的磨损率。
[0025] 表1:本发明中各实施例的材料配比及烧结条件
[0028]表2:本发明中各实施例材料的力学性能和摩擦性能
[0031] 采用上述步骤制备得到的摩擦材料经过测量力学性能，摩擦性能，所得到的数据 见表2。实施例3材料的布氏硬度35,摩擦因数为0.38,磨损率仅为2.5Xl(T 4mm3 ^nf1 · ΓΓ1。 表2中同时给出了添加天然鳞片石墨的摩擦材料的摩擦性能做为对比（比较实施例1，2)，可 以看出，本发明中的材料配比大幅度提高了Cu-Fe基粉末冶金摩擦材料的摩擦性能。
[0032] 本发明制备方法工艺简单、成本低廉且可用于制备具有各种复杂形状的复合材 料，采用本发明的制备方法制备的铜铁基制动复合材料具有优异的力学性能和摩擦磨损性 能，与GCrl5钢配对，形成摩擦对偶，适用于飞机多盘式刹车装置，或者重型车辆的制动器和 离合器。
【主权项】
1. 一种铜铁基制动复合材料，其特征在于，所述复合材料中铜粉、铁粉和铝粉做为基体 材料，氧化铝Al 2〇3颗粒做为硬质相，等轴石墨做为固体润滑剂，基体材料、硬质相和等轴石 墨这三部分构成铜铁基制动复合材料，所述的复合材料中各原料的重量百分比分别为:铜 粉5%~50 %，铁粉5%~50%，铝粉1 %~10 %，等轴石墨1 %~30 %，氧化铝Al2〇3颗粒1 %~ 10%〇2. 基于权利要求1所述的一种铜铁基制动复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下 步骤： 步骤1:原料的预处理:将氧化铝Al2〇3颗粒过60目筛，置于烘箱中90-150°C干燥处理； 步骤2:按所有原料的重量百分比称取：铜粉5%~50%，铁粉5%~50%，和铝粉1 %~ 10 %，然后湿法球磨，制备成混合粉末，随后将混合粉末真空干燥，将混合粉末过60目筛，待 用； 步骤3:按所有原料的重量百分比称取：等轴石墨1%~30%，氧化错AI2O3颗粒1 %~ 10%，和步骤1中待用的粉末，混合均匀，随后将混合粉末干燥后再装入模具型腔内，lOMPa 下模压成型，制成生坯； 步骤4:将步骤3制成的生坯置于真空热压炉中烧结，真空度小于5Pa，以10°C/min的升 温速度将炉温升至800-1050°C，然后施加压力10_30MPa，保温2小时，最后获得复合材料； 步骤5:机械加工，烧结之后，根据设计精度要求对摩擦材料进行喷砂处理。
【文档编号】C22C38/06GK106086585SQ201610680154
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月17日 公开号201610680154.9, CN 106086585 A, CN 106086585A, CN 201610680154, CN-A-106086585, CN106086585 A, CN106086585A, CN201610680154, CN201610680154.9
【发明人】杨建锋, 郭海霞, 张亚明, 曲囡, 徐照芸, 曾德军
【申请人】西安交通大学