本发明属于摩擦材料技术领域，尤其涉及一种金属烧结摩擦材料、其制备方法及摩擦片。
背景技术：
因为涉及到准确运行和安全问题，制动和传动是在工程机械传动部件中的关键。典型的传动工具与器件涉及领域很广泛，比如工程车，高速列车，机械齿轮传动，风电发动机的传动等等。制动(刹车摩擦片)和传动(离合器摩擦片)过程中摩擦副摩擦生热、传热以及质量损耗的问题，极大地影响了摩擦副的工作，功率输出以及使用寿命。
金属烧结摩擦材料因为其优良的耐磨性能、耐高温性能、高的导热性能、高强度和稳定性在各行业里的制动部件拥有广泛的用途。与摩擦材料相匹配的摩擦副(芯片)一般是强化处理的合金钢，硬度和强度都比较高。相应的摩擦材料则是耗材。因此，导热和耐磨是评价金属烧结摩擦材料的两大关键指标，摩擦材料的过早失效和摩擦热的产生和传递密切相关。没有控制的摩擦热量(尤其是在干性摩擦应用中)导致界面温度升高，极大地影响了材料的各项性能(比如材料的强度和硬度降低)，由此而改变了摩擦磨损机理(比如从磨粒磨损转换到粘着磨损，从而导致工件的损坏)。
现有的金属烧结摩擦材料主要有五个组分：金属粘结相、润滑剂、摩擦介质、耐磨剂和填充剂，目前的粘结相为铜基混合低熔点的金属锌，添加适量的铁和铬来增加强度；润滑剂是片状石墨，摩擦介质为氧化铝；其工艺是将原料粉末按比例压制，然后再一定压力(3～7mpa)和温度(700～950℃)下和合金钢衬体一起烧结，然后加工成型。但是，目前的铜基摩擦材料的导热性能和摩擦性还有待进一步提高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种金属烧结摩擦材料、其制备方法及摩擦片，本发明中的金属烧结摩擦材料导热率高，摩擦系数低。
本发明提供一种金属烧结摩擦材料，具有若干个孔格和分隔所述若干个孔格的孔壁；
所述孔壁由97.5～99.5wt％铜粉和0.05～2.5wt％的石墨烯制成；
所述孔格内填充有5～25w％的润滑剂、25～50wt％的摩擦剂和30～50wt％的粘结相。
优选的，所述孔格的形状为正六边形、椭圆形、三角形、四边形、五边形或上述几种形状的组合。
优选的，所述孔壁的厚度为30～1000μm；
所述孔壁的高度为0.5～20mm。
优选的，所述孔格的边长为50～5000μm。
优选的，所述铜粉的粒径为25～1500μm。
优选的，所述石墨烯的片层厚度为0.35～10nm；所述石墨烯的宽度为20～400μm。
优选的，所述润滑剂为石墨；
所述摩擦剂为钨和氧化铝；
所述粘结相为铜锌合金。
本发明提供一种金属烧结摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将97.5～99.5wt％铜粉和0.05～2.2wt％的石墨烯混合，添加成型剂，制作成半孔壁片；
b)将5～25w％的润滑剂、25～50wt％的摩擦剂和30～50wt％的粘结相混合均匀，按照孔格形状压制成填充物棒材；
c)将两片半孔壁包裹住填充物棒材，进行热挤压，得到孔格单元；
d)将若干个孔格单元连续排列，进行热挤压，得到半成品；
e)将所述半成品进行压力烧结，得到金属烧结摩擦材料。
优选的，所述步骤e)中烧结的温度为650～950℃；
所述步骤e)中烧结的压力为3～7mpa；
所述步骤e)中烧结的时间为5～90min。
本发明提供一种摩擦片，为刹车摩擦片或离合器摩擦片，由上文所述的金属烧结摩擦材料制成。
本发明提供了一种金属烧结摩擦材料，具有若干个孔格和分隔所述若干个孔格的孔壁；所述孔壁由97.5～99.5wt％铜粉和0.05～2.5wt％的石墨烯制成；所述孔格内填充有5～25w％的润滑剂、25～50wt％的摩擦剂和30～50wt％的粘结相。本发明构建了一种有序的孔格结构，能够有效降低制动温度和极大的减小制动粘结的问题，同时对材料的成分进行了改进，添加了石墨烯对铜粉进行预增强，能够极大的提高导热率、降低摩擦系数，从而降低摩擦副界面的温度、减少摩擦副界面产生的热，降低摩擦磨损。实验结果表明，本申请摩擦材料的导热率为95～185w/(m·k)，摩擦系数为0.10～0.65。
另外，本发明中的金属烧结摩擦材料的结构可根据实际的需求进行结构调整，例如传热层壁厚和网格大小，以及它们的比例，从而调节整体摩擦构件的摩擦系数和传热。建议单片摩擦材料的孔格数量为50～400，以保证摩擦材料在应用中性能的稳定性和工作状态的一致性。。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中金属烧结摩擦材料的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种金属烧结摩擦材料，具有若干个孔格和分隔所述若干个孔格的孔壁；
所述孔壁由97.5～99.5wt％铜粉和0.05～2.5wt％的石墨烯制成；
所述孔格内填充有5～25w％的润滑剂、25～50wt％的摩擦剂和30～50wt％的粘结相。
本发明中金属烧结摩擦材料的结构参见图1，孔壁提供韧性和传热介质源，内部的填充物提供耐摩擦源。
在本发明中，所述孔格的形状优选为正六边形、椭圆形、三角形、四边形或五边形或者多种形状的组合以达到结构的致密性；所述孔格的直径优选为50～5000μm，更优选为300～4000μm，最优选为400～1000μm；所述孔壁的厚度优选为30～1000μm，更优选为30～500μm，最优选为30～100μm；所述孔壁的高度优选为0.5～20mm，更优选为2～8mm，最优选为2.5～5mm。
当所述孔格为正六边形时，所述金属烧结摩擦材料具有蜂窝状结构。具体的，在本发明的实施例中，所述孔格可以是紧密排列的正六边形的蜂窝状结构，直径为10mm。
所述孔壁由铜粉和石墨烯制成，也可以由铜合金与石墨烯制成，由于本发明在结构上的特殊性以及处于摩擦材料整体功能性上的考虑，也可以虑不加石墨烯，所述铜粉的质量分数优选为97.5～99.5％，更优选为98.5～99.0％；所述石墨烯的质量分数优选为0.05～2.5％，更优选为1.0～1.5％。
所述铜粉的粒径优选为25～1500μm，更优选为40～1000μm，最优选为45～280μm，最最优选为80～200nm；所述石墨烯的宽度优选为20～400μm，更优选为50～300μm，最优选为100～200μm；所述石墨烯的片层厚度优选为0.35～10nm，更优选为1～8nm，最优选为3～5nm。
本发明优选采用铜或铜合金，但是，本发明的设计思路也可进一步的应用到铁基、镍基等其他合金上。孔壁和内部填充物的粘接相可以是同类也可以是不同类；比如铜基孔壁，内部摩擦材料填充物的粘接相是铁基，镍基，或者它们的混合物等等。
在本发明中，所述孔格内的填充物为润滑剂、摩擦剂和粘结相，其中，所述润滑剂为石墨，所述润滑剂在填充物中的质量分数优选为5～25％，更优选为10～20％，最优选为15～16％；所述摩擦剂优选为钨和氧化铝，所述钨与氧化铝的质量比优选为1:9；所述摩擦剂在填充物中的质量分数优选为25～50％，更优选为35～45％，最优选为40％；所述粘结相为铜锌合金，所述粘结相在填充物中的质量分数优选为30～50％，更优选为35～45％，最优选为40％。
本发明还提供了一种金属烧结摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将97.5～99.5wt％铜粉和0.05～2.2wt％的石墨烯混合，添加成型剂，压制成半孔壁片；
b)将5～25w％的润滑剂、25～50wt％的摩擦剂和30～50wt％的粘结相混合均匀，按照孔格形状压制成填充物棒材；
c)将两片半孔壁包裹住填充物棒材，进行热挤压，得到孔格单元；
d)将若干个孔格单元连续排列，进行热挤压，得到半成品；
e)将所述半成品切割个成一定的高度(0.5-20mm)进行压力烧结，得到金属烧结摩擦材料。
在本发明中，所使用原料的种类、用量和来源与上文中各原料的种类。用量和来源一致，在此不再赘述。
所述半孔壁片的制备方法为热压，其挤压温度为150～280℃，更优选为180～250℃，最优选为200～230℃。
所述填充物棒材的压制工艺条件与半孔壁的热压一致，在此不再赘述。
制备所述孔格单元时，热压的温度优选为120～150℃，更优选为140℃；所述热压的压力优选为50～100mpa，更优选为60～90mpa，最优选为70～80mpa；
制备所述半成品时，所述热挤压的挤压比优选为2.0～5.0，更优选为3.0～4.0；所述热挤压的温度优选为120～200℃，更优选为150～180℃；所述热挤压的压力优选为150～300mpa，更优选为200～250mpa。
在热挤压制备半成品的时候，本发明可以通过改变挤压比和进行多次热挤压来控制孔格单元的大小，同时维持网格尺寸和填充物棒材的相对比例不变。在本发明中，所述半成品的壁厚与孔格直径的比例优选为1：(2～15)，更优选为1：(5～10)。
对所述半成品的压力烧结中，所述压力烧结的烧结温度优选为650～950℃，更优选为800～900℃，最优选为850～900℃；所述压力烧结的压力为3～7mpa，更优选为3～5mpa，最优选为4mpa；所述压力烧结的时间优选为5～90min，更优选为10～80min，最优选为40～60min。
本发明中的金属烧结摩擦材料可应用于干式摩擦中，如刹车摩擦片和离合器摩擦片，因此，本申请还提供一种摩擦片，为刹车摩擦片或离合器摩擦片，由上文所述的金属烧结摩擦材料制成。
本发明提供了一种金属烧结摩擦材料，具有若干个孔格和分隔所述若干个孔格的孔壁；所述孔壁由97.5～99.5wt％铜粉和0.05～2.5wt％的石墨烯制成；所述孔格内填充有5～25wt％的润滑剂、25～50wt％的摩擦剂和30～50wt％的粘结相。本发明构建了一种有序的孔格结构，能够有效降低制动温度和极大的减小制动粘结的问题，同时对材料的成分进行了改进，添加了石墨烯对铜粉进行预增强，能够极大的提高导热率、降低摩擦系数，从而降低摩擦副界面的温度、减少摩擦副界面产生的热，降低摩擦磨损。实验结果表明，本申请摩擦材料的导热区导热率为95～185w/(m·k)，摩擦材料的摩擦区摩擦系数为0.10～0.65。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种金属烧结摩擦材料、其制备方法及摩擦片进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将99.5wt％的铜粉和0.50wt％的石墨烯混合，在140℃条件下挤压制备成直径为10毫米正六边形蜂窝状的孔格，孔壁厚1毫米；长度为100毫米；
然后将10wt％石墨，40wt％摩擦剂和50wt％铜锡合金粉末进行混合，填充至蜂窝状孔格内，在150℃条件下挤压成单个蜂窝400微米直径，切割成10mm高度进行压力烧结，压力为4.0mpa，通氢还原性气氛下900℃，60分钟烧结最终得到摩擦材料。
实施例2
将99.0wt％的铜粉和1.0wt％的石墨烯混合，在140℃条件下挤压制备成直径为10毫米蜂窝状的孔壁，孔壁厚1毫米；长度为100毫米；
然后将10wt％石墨，50wt％摩擦剂和40wt％铜锡合金粉末进行混合，填充至蜂窝状孔格内，在150℃条件下挤压成单个蜂窝400微米直径，切割成10mm高度进行压力烧结，压力为4.0mpa通氢还原性气氛下900℃，60分钟烧结最终得到摩擦材料。
实施例3
将98.5wt％的铜粉和1.5wt％的石墨烯混合，在140℃条件下挤压制备成直径为10毫米蜂窝状的孔壁，孔壁厚1毫米；长度为100毫米；
然后将10wt％石墨，40wt％摩擦剂和50wt％铜锡合金粉末进行混合，填充至蜂窝状孔格内，在150℃条件下挤压成单个蜂窝400微米直径，切割成10mm高度进行压力烧结，压力为4.0mpa通氢还原性气氛下900℃，60分钟烧结最终得到摩擦材料。
实施例4
将99.0wt％的铜粉和1.0wt％的石墨烯混合，在140℃条件下挤压制备成直径为10毫米蜂窝状的孔壁，孔壁厚2毫米；长度为100毫米；
然后将10wt％石墨，50wt％摩擦剂和40wt％铜锡合金粉末进行混合，填充至蜂窝状孔格内，在150℃条件下挤压成单个蜂窝400微米直径，切割成10mm高度进行压力烧结，压力为4.0mpa通氢还原性气氛下900℃，60分钟烧结最终得到摩擦材料。
表1本发明实施例1～4得到的摩擦材料的性能测试
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。