一种钛铝铌合金摩擦片及其制备方法和应用

本发明涉及合金材料，尤其涉及一种钛铝铌合金摩擦片及其制备方法和应用。

背景技术：

1、车辆离合器摩擦片，如拖拉机离合器摩擦片，是确保拖拉机平稳起步、换挡平顺、动力充足的关键部件。在长时间工作或极限工况条件下，摩擦片容易发生异常摩擦，造成烧蚀、打滑和翘曲等故障。随着离合器工作时间的不断累积，摩擦片表面可能出现严重的机械磨损，导致摩擦材料的厚度逐渐减少，最终磨损失效。此外，对于动力不中断的大型拖拉机，在换段或换挡过程，发生强烈打滑，产生大量热量，致使摩擦材料中的化学物质逐渐分解、碳化，磨损加剧，最终也会导致失效。因此，为了延长摩擦片的寿命，提高离合器安全性，需要摩擦材料具有稳定的摩擦系数、较高的力学强度、良好的耐磨性和耐高温性等性能。目前，常用的摩擦片材料为铜基合金，其耐磨性好，导热性好。

2、钛铝铌合金属于金属间化合物基合金，密度相比于铜较低，具有弹性模量高、高温强度高、抗蠕变能力强、抗氧化能力强、在油性介质中耐蚀性好的特点，在诸多领域得到了广泛应用。但是钛铝铌合金的摩擦片材料目前未见报道。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钛铝铌合金摩擦片及其制备方法和应用。本发明提供的钛铝铌合金摩擦片硬度高、耐磨性好，摩擦系数稳定，能够应用于车辆离合器中。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种钛铝铌合金摩擦片，包括以下质量百分含量的元素：al 8.5～25.5％，nb 16～38％，ce 2～6％，gd 2～6％，y 1～3％，la 0.5～1.5％，余量为ti。

4、本发明提供了以上技术方案所述钛铝铌合金摩擦片的制备方法，包括以下步骤：

5、将ti粉、al-60nb合金粉、nb粉和al-20ce-20gd-10y-5la合金粉混合进行球磨，得到混合粉末；所述混合粉末中ti粉、al-nb合金粉、nb粉和al-20ce-20gd-10y-5la合金粉的质量百分含量分别为20～70％、10～30％、10～20％和10～30％；

6、将所述混合粉末进行冷等静压成型，得到成型料；

7、将所述成型料进行常压程序烧结，所述常压程序烧结包括：在保护气氛下，将所述成型料以第一升温速率由室温升温至第一温度，然后以第二升温速率由所述第一温度升温至第二温度，再以第三升温速率由所述第二温度升温至第三温度，在所述第三温度下保温后冷却，得到钛铝铌合金摩擦片；所述第一升温速率、第二升温速率和第三升温速率分别为20～40℃/min、5～10℃/min和1～5℃/min，所述第一温度、第二温度和第三温度分别为600～700℃、950～1100℃和1400～1500℃。

8、优选地，所述ti粉的粒径为20～50μm，al-60nb合金粉的粒径为20～75μm，nb粉的粒径为5～25μm，al-20ce-20gd-10y-5la合金粉的粒径为20～200μm。

9、优选地，所述球磨的球磨介质为聚乙二醇或甲苯，所述球磨介质与混合所得混合粉体的体积比为(1～5)：1。

10、优选地，所述球磨的转速为100～200r/min，时间为60～240min。

11、优选地，所述冷等静压成型的压力为150～400mpa，保压时间为10～60min。

12、优选地，所述保护气氛为ar气，所述ar气的流动速率为100～400ml/min。

13、优选地，所述保温的时间为4～8h。

14、优选地，所述冷却为随炉冷却。

15、本发明提供了以上技术方案所述钛铝铌合金摩擦片或以上技术方案所述制备方法制备得到的钛铝铌合金摩擦片在车辆离合器中的应用。

16、本发明提供了一种钛铝铌合金摩擦片，包括以下质量百分含量的元素：al 8.5～25.5％，nb 16～38％，ce 2～6％，gd 2～6％，y 1～3％，la 0.5～1.5％，余量为ti。本发明在钛铝铌合金中引入多元稀土元素ce、gd、y和la，添加稀土元素可以形成高硬度的稀土氧化物作为基体的强化相，可以提高合金的硬度，从而提高合金的耐磨性。多元稀土氧化物与基体牢固结合，消除了晶界弱连接作用，提高了钛合金摩擦片的断裂韧性，能够承受摩擦片使用过程中的冲击载荷，而单一稀土氧化物与基体间的孔隙会成为裂纹源，降低摩擦片的断裂韧性。此外，高熔点的稀土氧化物提高了合金的热强性，避免了摩擦过程中产生的热量导致的合金高温下失效断裂。本发明中引入的多元稀土元素能够形成多元复合稀土氧化物，避免形成分散的多种稀土氧化物，保证了合金表面组织和硬度的均匀性，避免在硬度低的位置首先发生失效，且表面硬度的均匀有利于合金摩擦系数的稳定。因此，本发明提供的钛铝铌合金摩擦片硬度高、耐磨性好，摩擦系数稳定。

17、本发明提供了以上技术方案所述钛铝铌合金摩擦片的制备方法，本发明采用具有低成本优势的粉末冶金技术进行摩擦片材料的制备，采用粉末冶金近净成形技术制备异形零件可以减少加工量，提高原料利用率，降低钛合金的应用成本，并且常压烧结的方法可以降低制备过程中的能耗。而且，本发明通过采用程序升温的方式在常压下进行多步烧结，在烧结的不同升温阶段采用不同的升温速率，能调节多元稀土铝合金中每种稀土向钛中的扩散时间，精确控制稀土氧化物的尺寸。具体地，在600～700℃的温度范围内，la元素已经扩散进入ti颗粒，ce、gd和y元素尚未发生扩散，此时用较快的升温速率避免la2o3在低温下生成，使氧以固溶的形式存在于基体相中；在950～1100℃，ce元素已经扩散进入ti颗粒，gd和y元素尚未发生扩散，此时用适中的升温速率，抑制la2o3颗粒的长大，同时使ce元素扩散进入la2o3颗粒，形成(ce,la)2o3复合氧化物；1400～1500℃，gd和y元素已经扩散进入ti颗粒，此时用较慢的升温速率促进gd和y充分扩散，进入到(ce,la)2o3中，形成(ce,gd,y,la)2o3多元复合稀土氧化物，避免形成分散的多种稀土氧化物。本发明制备的摩擦片材料组织均匀致密，具有高耐磨性和耐腐蚀性，且成本低，一致性好，易于实现离合器摩擦片等异形件的低成本批量化生产。

18、实施例结果表明，本发明提供的钛铝铌合金摩擦片致密度可达99％以上，600℃下抗拉强度>500mpa，洛氏硬度达到55～65hrc，摩擦系数稳定在0.5～0.7，磨损率为9.14×10–5mm3·m–1·n–1～1.52×10–4mm3·m–1·n–1。

技术特征：

1.一种钛铝铌合金摩擦片，其特征在于，包括以下质量百分含量的元素：al 8.5～25.5％，nb 16～38％，ce 2～6％，gd 2～6％，y 1～3％，la 0.5～1.5％，余量为ti。

2.权利要求1所述钛铝铌合金摩擦片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述ti粉的粒径为20～50μm，al-60nb合金粉的粒径为20～75μm，nb粉的粒径为5～25μm，al-20ce-20gd-10y-5la合金粉的粒径为20～200μm。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的球磨介质为聚乙二醇或甲苯，所述球磨介质与混合所得混合粉体的体积比为(1～5)：1。

5.根据权利要求2或4所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的转速为100～200r/min，时间为60～240min。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述冷等静压成型的压力为150～400mpa，保压时间为10～60min。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述保护气氛为ar气，所述ar气的流动速率为100～400ml/min。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述保温的时间为4～8h。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述冷却为随炉冷却。

10.权利要求1所述钛铝铌合金摩擦片或权利要求2～9任意一项所述制备方法制备得到的钛铝铌合金摩擦片在车辆离合器中的应用。

技术总结
本发明提供了一种钛铝铌合金摩擦片及其制备方法和应用，涉及合金材料技术领域。本发明提供的钛铝铌合金摩擦片包括以下质量百分含量的元素：Al8.5～25.5％，Nb16～38％，Ce2～6％，Gd2～6％，Y1～3％，La0.5～1.5％，余量为Ti。本发明在钛铝铌合金中引入多元稀土元素Ce、Gd、Y和La，在合金中形成弥散分布的高硬度稀土氧化物增强体，所得合金硬度高，耐磨性好，摩擦系数稳定。本发明提供了钛铝铌合金摩擦片的制备方法，采用粉末冶金法，通过冷等静压成型+常压烧结的方式获得致密度高的稀土钛铝铌合金摩擦片，具有高耐磨性和耐腐蚀性的优点，且成本低，一致性好，易于实现摩擦片工业化批量生产。

技术研发人员：蔡奇,刘旭真,李硕,崔刚刚,李树奎
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15