一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法与流程

本发明属于摩擦材料制造技术领域和粉末冶金技术领域，尤其是用于制造铁路车辆制动刹车片的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具有良好的导热性、耐腐蚀性、制动性能稳定等特点，被广泛应用到汽车、飞机、轮船等制动装置中。这类材料是通过利用粉末冶金制备技术，选用铜等为基体组元，通过添加摩擦组元、润滑组元等改善基体综合性能制备而成的。

随着列车行驶速度的提高，对摩擦制动材料的性能要求越来越高，这就要求摩擦材料在保证基体的强度同时，能够进一步增强材料的摩擦磨损性能，具有较高的摩擦系数，较低的磨损量，以及更高的摩擦性能稳定性，在恶劣环境下也能保证行车安全，且摩擦材料是属于易损部件，其更换费用也是列车运行成本的重要部分之一，这就要求在提高摩擦材料的综合性能的同时也要降低制造成本。

对于铜基粉末摩擦材料，其碳含量较高，在混合过程中，石墨将涂抹、附着在金属粉末表面，形成一定厚度的碳膜，而且这些碳膜是连续的，在热压烧结过程，碳膜的存在极大地阻碍了金属粉末之间的结合与原子扩散，碳膜的存在，将导致热压烧结成型后的摩擦材料存在孔隙率高、剪切强度低、耐磨性差的问题，这也是铜基粉末冶金摩擦材料需要解决的问题之一。

技术实现要素：

针对现有摩擦材料存在的摩擦系数低，磨损量大，摩擦性能不稳定等问题，本发明的目的是提供一种具有稳定的摩擦磨损性能的碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法。

本发明的技术方案具体为：

一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料，所述摩擦材料由以下重量百分比的原料组成，铜粉为50%～70%，铁粉为10%～20%，锡粉为1%～5%，石墨为6%～11%和碳化钨为0.01%～15%。

采用的铜粉粒度为180～220目，铁粉粒度为200～300目，锡粉粒度为200～300目，石墨粒度为60～100目，碳化钨粒度为80～200目。

所述铜粉为电解铜粉，采用的铁粉为还原性铁粉，碳化钨采用由碳化钨粉末造粒后形成的球状或不规则颗粒。

所述碳化钨为摩擦组元。

所述的碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括以下步骤，

第一步，对铜粉、铁粉、锡粉、石墨和碳化钨进行配比；

第二步，混料：先混合配比好的铜粉、铁粉、锡粉和碳化钨，混料时长为2～8h，再加入石墨粉末混合2～12h；

第三步，冷压：将第二步中混合好的原料放入正六边形冷压模具中进行冷压，设置的冷压压力为300mpa～600mpa，保压时长为1～30min；

第四步，热压烧结：将第三步中压制成型的原料放入热压烧结模具中，置于真空热压烧结炉中，烧结过程选用氩气为保护气。

第四步中，热压压力为0.5～2.5mpa，加压时长为1～10h，烧结温度为850℃～980℃，升温时长为0.5～5h，保温时长为0.5～5h。

相对于现有技术，本发明的铜基粉末冶金制备工艺解决了因混料过程中碳膜存在导致的热压烧结成型后的摩擦材料存在孔隙率高、剪切强度低、耐磨性差的问题。本发明提供了一种先混合金属粉末，再混合石墨的工艺，金属粉末在混合过程中，逐渐结合、团聚，形成较大的颗粒。然后，再加入石墨混合，碳膜只能在团聚后的颗粒表面形成，团聚后的大颗粒表面使用具有不规则形状的小颗粒原料形成的，其表面是不光滑、不连续的，因此，团聚后的大颗粒表面的碳膜也是不连续的。在烧结过程中，团聚后的大颗粒内部金属的成型不受碳膜的影响，而团聚颗粒之间的扩散收不连续的碳膜的影响较小，可以改善碳膜的不利影响，提高热压烧结成型后的摩擦材料存在孔隙率高、剪切强度低、耐磨性差的问题。

本发明中的新型碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料与同类材料相比具有基体强度高、硬度大、摩擦系数高、摩擦性能稳定、磨损量低、制备工艺简单、生产成本低等优点，提高了材料的综合性能，保证材料具有稳定的摩擦性能，高的摩擦系数和良好的耐磨性，而且微量元素种类少，不含有铅、石棉等有害健康的成分，符合对健康安全和环境保护的要求，在制备工艺上，工艺简单，方便实现大批量生产，制造成本低。

附图说明

图1是不同碳化钨含量的铜基摩擦材料显微组织（a）。

图2为不同碳化钨含量的铜基摩擦材料显微组织（b）。

图3为不同碳化钨含量的铜基摩擦材料显微组织（c）。

图4为含0.01%碳化钨的铜基摩擦材料的摩擦系数测试结果。

图5为含5%碳化钨的铜基摩擦材料的摩擦系数测试结果。

图6为含15%碳化钨的铜基摩擦材料的摩擦系数测试结果。

图7为本发明热压烧结过程中金属颗粒的变化示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明，但是不限于实施例：

实施例1

一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料，由以下重量百分比的原料组成，铜粉为50%～70%，铁粉为10%～20%，锡粉为1%～5%，石墨为6%～11%和碳化钨为0.01%～15%。

对于上述原料，铜是基体，是利用了铜质软、塑性高的特点，减少自润滑材料对所接触的关键零部件的磨损，利用铜的高导热性，吸收并导出制动过程中产生的热量；铁同为基体相，能够弥补铜基体的强度的缺点，铁可以被石墨强化，提高硬度和强度，从摩擦材料的角度选择铁粉作为基体增强相，在石墨的作用下，铁的强度和硬度提高，增强效果更明显；由于锡在铜中的固溶度有限（500℃时低于5%，并随着温度的降低而减小），所以，锡对铜的固溶强化作用有限，锡含量较低，锡的作用是强化铜基体，形成锡青铜；碳化钨是增磨相，提高铜基摩擦材料的摩擦系数，碳化钨颗粒具有高硬度、高熔点、低膨胀系数、良好的耐磨性和抗热冲击性能等，以碳化钨作为摩擦组元制备铜基粉末冶金摩擦材料，可改善硬质相与铜基体的结合状态，可有效改善复合材料或涂层的强度和摩擦磨损性能等；石墨除了润滑的作用外，最重要的作用是调控摩擦材料的摩擦系数，使铜基摩擦材料的摩擦系数满足不同使用条件的需求。

铜粉粒度为180～220目，铁粉粒度为200～300目，锡粉粒度为200～300目，石墨粒度为60～100目，碳化钨粒度为80～200目。

采用的铜粉为电解铜粉，采用的铁粉为还原性铁粉，碳化钨采用由碳化钨粉末造粒后形成的球状或不规则颗粒。粉末冶金材料的性能及制备工艺与所使用的粉末的结构和性能有密切的关系，粉末的结构主要是粉末的成分、组织状态等，粉末的性能包括颗粒的形貌、粒度、比表面积、密度、熔点、比热等物理性能，以及松装密度、振实密度、流动性、压缩与成形性等工艺性性能，粉末的形状和粒度是影响粉末冶金摩擦材料成型质量和使用性能的重要因素之一。粉末颗粒的形状直接影响粉末的流动性、松装密度、气体透过性，对粉末的压制成型型和烧结强度也有显著影响。对于铜基粉末冶金摩擦材料而言，铜粉、铁粉、碳化钨粉的形态影响了粉末冶金材料的成型过程，即摩擦材料的质量（致密度、孔隙率、硬度、剪切强度），进而影响摩擦的摩擦磨损性能，本发明所选择的电解铜粉为树枝状，还原性铁粉为海绵状颗粒，碳化钨粉为由粉末造粒后的球状或不规则颗粒状，其目的是提高铜基粉末冶金摩擦材料的成型质量和摩擦磨损性能。

具体制备工艺如下：

第一步：将各原料粉末按照上述比例称重；

第二步：先将铜粉、铁粉、锡粉以及碳化钨放入v型混料机中进行混合，混料2～8h，再向v型混料机中加入石墨粉末混合2～12h，制成混合均匀的料粉；

混粉方式的不同直接影响热压烧结过程摩擦材料的成形质量（孔隙率、密度、剪切强度），对于铜基粉末摩擦材料，其碳含量较高，若将所有的原料一起混合，在混合过程中，石墨将涂抹、附着在金属粉末表面，形成一定厚度的碳膜，而且这些碳膜是连续的，在热压烧结过程，碳膜的存在极大地阻碍了金属粉末之间的结合与原子扩散，碳膜的存在，将导致热压烧结成型后的摩擦材料存在孔隙率高、剪切强度低、耐磨性差的问题。

本发明中采用先混合金属粉末，再混合石墨的工艺，金属粉末在混合过程中，逐渐结合、团聚，形成较大的颗粒。然后，再加入石墨混合，碳膜只能在团聚后的颗粒表面形成，团聚后的大颗粒表面是用具有不规则形状的小颗粒原料形成的，其表面是不光滑、不连续的，因此，团聚后的大颗粒表面的碳膜也是不连续的，在烧结过程中，团聚后的大颗粒内部金属的成型不受碳膜的影响，而团聚颗粒之间的扩散受不连续的碳膜的影响较小，可以改善碳膜的不利影响，提高热压烧结成型后的摩擦材料存在孔隙率高、剪切强度低、耐磨性差的问题。

第三步：将适量料粉加入正六边形的冷压模具中，用300mpa～600mpa的压力进行冷压，保压时长为1～30min；

第四步：将冷压后的原料放入热压烧结模具中，置于真空热压烧结炉中，在氩气氛围中进行加压烧结，热压压力为0.5～2.5mpa，加压时长为1～10h，烧结温度为850℃～980℃，升温时长为0.5～5h，保温时长为0.5～5h，随炉冷却至室温后取出。

铜基摩擦材料的成型过程包括了冷压和热压烧结，热压烧结过程中，对于粉末冶金成型工艺而言，成型温度越高，金属粉末越软（硬度降低），越容易成型，成型温度高，可以提高粉末的流变性能，有利于致密度的提高。同时，成型温度越高，金属粉末之间的扩散，颗粒之间的结合强度越高，但是，烧结温度过高，会导致烧结体尺寸变化大，形状和性能难以控制，同时影响烧结炉的使用寿命，一般粉末冶金的成型温度不超过主要金属粉末的固相线。另一方面，烧结时对烧结体施加压力，可以更有效的实现烧结体的致密化，通过理论分析和实验验证，优化出合适的烧结温度和烧结压力是提高粉末冶金制品的有效方法。

粉末冶金的热压烧结过程是粉末在低于其主要组织分熔点温度以下进行加热，使粉末颗粒之间产生原子扩散、固溶、化合和熔接，使压坯收缩致密化并强化的过程，其目的是通过颗粒间的合金结合提高其强度。烧结过程中，随着温度的升高，粉末中产生一系列的物理、化学变化：水和有机物的蒸发或挥发、吸附气体的排出、应力消除以及粉末颗粒表面氧化物的还原等，然后，粉末表面原子间发生相互扩散和塑性流动，随着颗粒间接触面的增大，会产生再结晶和晶粒长大，有时出现固相熔化和重结晶。上述过程常常会相互重叠，相互影响，使烧结过程变得十分复杂，在热压烧结过程中，固体颗粒表面能的减小是烧结的驱动力，即热力学条件，烧结是一个自发的不可逆过程，烧结过程金属颗粒的变化过程如图7所示，接触在一起的粉末颗粒在表面能的驱动下，接触面间通过原子扩散结合在一起，并形成孤立的空隙；随着热压烧结的进行，空隙周边的原子向空隙扩散、流动、填充，同时晶粒均匀长大是空隙处的晶界合并，空隙不断缩小，不断致密化，颗粒的形状也随之发生变化，空隙形状趋近球形并不断缩小。

实施例2

一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料，由以下重量配比的原料制成：碳化钨0.01%，石墨8%，铁粉18%，锡粉4%，铜粉69.99%。

碳化钨粒度为200目，石墨100目，铁粉280目，锡粉280目，铜粉200目。

具体制备工艺如下：

将各原料粉末按照上述比例称重，先将铜粉、铁粉、锡粉以及碳化钨放入v型混料机中混料2h，再将石墨粉末加入混合3h，制成混合均匀的料粉；将适量料粉加入正六边形的冷压模具中，用400mpa的压力进行冷压，保压时长为3min；将冷压后的样料放入热压模具中，在氩气氛围中进行加压烧结，热压压力为0.5mpa，保压时长为1h，烧结温度为920℃，升温时间为0.5h，保温时长0.5h，随炉冷却至室温后取出。

采用排水法测量试样的密度ρ和孔隙率θ；采用扫描电子显微镜观察试样的显微组织；按照国标gb/t231.1-2009，采用布氏硬度计测量试样的硬度；采用mmw-1a型微机控制万能摩擦磨损试验机测试试样的摩擦系数和磨损量。制得的材料经过测试，其显微组织如图1中所示，其相对密实度为97%，硬度为22.6hbw、磨损量为0.07g、平均摩擦系数为0.331。

如图1-3中所示，在金相组织中，黑色相为石墨，浅灰色相为铜基体，深灰色相为铁，白亮相为碳化钨颗粒。从图中可以看出，铜基体均匀连续，铁相均匀的分布在铜基体中，石墨以长条状分布在基体中，碳化钨均匀分布在铜基体中，上述组织，既保证了基体的强度，又能充分发挥碳化钨颗粒的增加摩擦力的作用，以及石墨的润滑与调节摩擦系数的作用。

实施例3

一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料，由以下重量配比的原料制成：碳化钨粉5%、石墨8%、铁粉20%、锡粉4%、铜粉63%。

碳化钨粒度为150目，石墨100目，铁粉260目，锡粉280目，铜粉180目。

具体制备工艺如下：

将各原料粉末按照上述比例称重，先将铜粉、铁粉、锡粉以及碳化钨放入v型混料机中混料2h，再将石墨粉末加入混合2h，制成混合均匀的料粉；将适量料粉加入正六边形的冷压模具中，用300mpa的压力进行冷压，保压时长为15min；将冷压成型的样料放入热压模具中，在氩气氛围中进行加压烧结，热压压力为1.5mpa，保压时长为4h，烧结温度为920℃，升温时间为2h，保温时长2h，随炉冷却至室温后取出。

测试方法同实施例2。制得的材料经过测试，其显微组织如图2中所示，其相对密实度为93%，硬度为24.7hbw、磨损量为0.11g、平均摩擦系数为0.374。

实施例4

一种新型碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料，由以下重量配比的原料制成：碳化钨粉15%、石墨11%、铁粉20%、锡粉4%、铜粉50%。

碳化钨粒度为150目，石墨80目，铁粉200目，锡粉200目，铜粉180目。

具体制备工艺如下：

将各原料粉末按照上述比例称重，先将铜粉、铁粉、锡粉以及碳化钨放入v型混料机中混料2h，再将石墨粉末加入混合6h，制成混合均匀的料粉；将适量料粉加入正六边形的冷压模具中，用300mpa的压力进行冷压，保压时长为30min；将冷压成型的样料放入热压模具中，在氩气氛围中进行加压烧结，热压压力为2.5mpa，保压时长为10h，烧结温度为920℃，升温时间为5h，保温时长5h，随炉冷却至室温取出。

测试方法同实施例2。制得的材料经过测试，其显微组织如图3中所示，其相对密实度为89%，硬度为22hbw、磨损量为0.04g、平均摩擦系数为0.389。

图2-4给出了实施例2、实施例3、实施例4三种不同碳化钨含量的铜基摩擦材料的摩擦系数，可以出材料的摩擦系数稳定，随着碳化钨含量的增加，摩擦系数升高。

实施例5

一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料，由以下重量百分比的原料组成，铜粉为50%，铁粉为10%，锡粉为1%，石墨为6%和碳化钨为0.01%。

铜粉粒度为180目，铁粉粒度为200目，锡粉粒度为200目，石墨粒度为60目，碳化钨粒度为80目。

具体制备工艺如下：

将各原料粉末按照上述比例称重，先将铜粉、铁粉、锡粉以及碳化钨放入v型混料机中混料2h，再加入石墨粉末混合2h，制成混合均匀的料粉；将适量料粉加入正六边形的冷压模具中，用300mpa的压力进行冷压，保压时长为1min；将冷压成型的原料放入热压烧结模具中，在氩气氛围中进行加压烧结，热压压力为0.5mpa，加压时长为1h，烧结温度为850℃，升温时长为0.5h，保温时长为0.5h，然后随炉冷却至室温后取出。

制得的材料的测试方法同实施例2。

实施例6

一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料，由以下重量百分比的原料组成，铜粉为70%，铁粉为20%，锡粉为5%，石墨为11%和碳化钨为15%。

铜粉粒度为220目，铁粉粒度为300目，锡粉粒度为300目，石墨粒度为100目，碳化钨粒度为200目。

具体制备工艺如下：

将各原料粉末按照上述比例称重，先将铜粉、铁粉、锡粉以及碳化钨放入v型混料机中混料8h，再加入石墨粉末混合12h，制成混合均匀的料粉；将适量料粉加入正六边形的冷压模具中，用600mpa的压力进行冷压，保压时长为30min；将冷压成型的原料放入热压烧结模具中，在氩气氛围中进行加压烧结，热压压力为2.5mpa，加压时长为10h，烧结温度为980℃，升温时长为5h，保温时长为5h，然后随炉冷却至室温后取出。

制得的材料的测试方法同实施例2。

实施例7

一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料，由以下重量百分比的原料组成，铜粉为60%，铁粉为15%，锡粉为3%，石墨为8%和碳化钨为8%。

铜粉粒度为200目，铁粉粒度为250目，锡粉粒度为250目，石墨粒度为80目，碳化钨粒度为140目。

具体制备工艺如下：

将各原料粉末按照上述比例称重，先将铜粉、铁粉、锡粉以及碳化钨放入v型混料机中混料5h，再加入石墨粉末混合7h，制成混合均匀的料粉；将适量料粉加入正六边形的冷压模具中，用450mpa的压力进行冷压，保压时长为15min；将冷压成型的原料放入热压烧结模具中，在氩气氛围中进行加压烧结，热压压力为1.5mpa，加压时长为6h，烧结温度为920℃，升温时长为3h，保温时长为3h，然后随炉冷却至室温后取出。

制得的材料的测试方法同实施例2。

实施例8

一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料，由以下重量百分比的原料组成，铜粉为55%，铁粉为18%，锡粉为2%，石墨为10%和碳化钨为3%。

铜粉粒度为190目，铁粉粒度为280目，锡粉粒度为220目，石墨粒度为70目，碳化钨粒度为180目。

具体制备工艺如下：

将各原料粉末按照上述比例称重，先将铜粉、铁粉、锡粉以及碳化钨放入v型混料机中混料4h，再加入石墨粉末混合4h，制成混合均匀的料粉；将适量料粉加入正六边形的冷压模具中，用500mpa的压力进行冷压，保压时长为10min；将冷压成型的原料放入热压烧结模具中，在氩气氛围中进行加压烧结，热压压力为2mpa，加压时长为5h，烧结温度为900℃，升温时长为1h，保温时长为4h，然后随炉冷却至室温后取出。

制得的材料的测试方法同实施例2。

实施例9

一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料，由以下重量百分比的原料组成，铜粉为65%，铁粉为15%，锡粉为1%，石墨为10%和碳化钨为10%。

铜粉粒度为210目，铁粉粒度为220目，锡粉粒度为260目，石墨粒度为80目，碳化钨粒度为100目。

具体制备工艺如下：

将各原料粉末按照上述比例称重，先将铜粉、铁粉、锡粉以及碳化钨放入v型混料机中混料6h，再加入石墨粉末混合10h，制成混合均匀的料粉；将适量料粉加入正六边形的冷压模具中，用350mpa的压力进行冷压，保压时长为20min；将冷压成型的原料放入热压烧结模具中，在氩气氛围中进行加压烧结，热压压力为1mpa，加压时长为2h，烧结温度为940℃，升温时长为1.5h，保温时长为0.5h，然后随炉冷却至室温后取出。

制得的材料的测试方法同实施例2。

实施例10

一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料，由以下重量百分比的原料组成，铜粉为70%，铁粉为13%，锡粉为2%，石墨为9%和碳化钨为12%。

铜粉粒度为180目，铁粉粒度为240目，锡粉粒度为300目，石墨粒度为70目，碳化钨粒度为120目。

具体制备工艺如下：

将各原料粉末按照上述比例称重，先将铜粉、铁粉、锡粉以及碳化钨放入v型混料机中混料8h，再加入石墨粉末混合8h，制成混合均匀的料粉；将适量料粉加入正六边形的冷压模具中，用550mpa的压力进行冷压，保压时长为5min；将冷压成型的原料放入热压烧结模具中，在氩气氛围中进行加压烧结，热压压力为2.5mpa，加压时长为5h，烧结温度为950℃，升温时长为4h，保温时长为1h，然后随炉冷却至室温后取出。

制得的材料的测试方法同实施例2。

实施例11

一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料，由以下重量百分比的原料组成，铜粉为60%，铁粉为20%，锡粉为2%，石墨为6%和碳化钨为12%。

铜粉粒度为200目，铁粉粒度为250目，锡粉粒度为240目，石墨粒度为90目，碳化钨粒度为160目。

具体制备工艺如下：

将各原料粉末按照上述比例称重，先将铜粉、铁粉、锡粉以及碳化钨放入v型混料机中混料4h，再加入石墨粉末混合12h，制成混合均匀的料粉；将适量料粉加入正六边形的冷压模具中，用320mpa的压力进行冷压，保压时长为25min；将冷压成型的原料放入热压烧结模具中，在氩气氛围中进行加压烧结，热压压力为1mpa，加压时长为5h，烧结温度为880℃，升温时长为2h，保温时长为3h，然后随炉冷却至室温后取出。

制得的材料的测试方法同实施例2。

实施例12

一种碳化钨增强铜基粉末冶金摩擦材料，由以下重量百分比的原料组成，铜粉为58%，铁粉为12%，锡粉为5%，石墨为8%和碳化钨为10%。

铜粉粒度为220目，铁粉粒度为300目，锡粉粒度为260目，石墨粒度为60目，碳化钨粒度为90目。

具体制备工艺如下：

将各原料粉末按照上述比例称重，先将铜粉、铁粉、锡粉以及碳化钨放入v型混料机中混料5h，再加入石墨粉末混合8h，制成混合均匀的料粉；将适量料粉加入正六边形的冷压模具中，用580mpa的压力进行冷压，保压时长为20min；将冷压成型的原料放入热压烧结模具中，在氩气氛围中进行加压烧结，热压压力为0.5mpa，加压时长为8h，烧结温度为960℃，升温时长为4h，保温时长为4h，然后随炉冷却至室温后取出。

制得的材料的测试方法同实施例2。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。