金属基粉末冶金制动闸片材料及制备方法

专利名称：金属基粉末冶金制动闸片材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种摩擦材料，尤其是用于制造高速列车制动闸片的摩擦材料， 更具体地说，本发明涉及一种金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料以及制备 这种金属基陶瓷强化粉末冶金制动间片材料的方法。
背景技术：
金属基粉末冶金材料尤其是铁、铜基粉末冶金材料广泛用于各种磨擦磨损 零件的重要材料，尤其是铜、铁基陶瓷强化粉末冶金材料由于具有较高的强度， 耐磨损，磨擦系数稳定，导热性好等特点而成为制造离合器，制动器的关键材 料，广泛的用于汽车，摩托车，火车，飞机等运输工具制造业之中，尤其在高
性能制动材料制造方面，金属基陶瓷强化粉末冶金材料和c\c复合材料已经成
为目前在国际上应用最为广泛的材料。其中金属基陶瓷强化复合材料是由金属 基体以及均匀分布的陶资颗粒和润滑颗粒组成，金属基体的强度和含量对于材 料的强度和韧性起主要作用，陶瓷颗粒和润滑颗粒的材料、性质、粒度以及含 量控制着材料的摩擦系数和磨损量。
随着铁路交通的迅速发展，列车的速度，载重量也迅速增加，对于摩擦制 动材料的性能提出了越来越高的要求，需要制动材料在保证强度的同时，保证 摩擦系数的稳定，降低磨损量，由于制动功率与列车速度的三次方成正比，因 此对于高速列车上使用的制动材料来说，制动时所产生的大量热就对制动材料 的热传导性能提出了更高的要求，制动材料的热传导性能直接关系到闸片材料 的摩擦稳定性，因而传统树脂基制动材料在热传导性能上的劣势制约了其在高 速列车上的应用，而热传导性能更好的金属基材料也就逐渐代替树脂基材料成 为高速列车制动材料的首选。而由于高速列车越来越广泛的应用，制动闸片材
料的制造成本也成为一个重要指标。综合各种因素，金属基，尤其是铜、铁、铝 基陶乾强化粉末冶金材料就成为了制造高速列车制动材料的首选。
在铜、铁基粉末冶金制动摩^"材料及其制造方法方面，国内外均有相关专
利报导
1.中国专利公告号为1149273 ,公告日为2004.05.12,专利号为 01115331.8，发明名称为"含钢纤维的金属陶瓷摩擦材料及制造方法"的发明 创造描述了一种摩擦材料及其制造方法，该摩擦材料的组分含量为铜粉和锡 粉53-69%,其中铜粉与锡粉比为92: 8,短切钢纤维10-40%,铁粉0-10 %，无机氧化物或矿物3-8%,石墨5-12%， 二辟d匕钼0-4%。制造工艺 为150-300MPa下成型，在700-92(TC烧结3-8小时，烧结时采用还原性保护气
4氛，烧结压力为l-2MPa,随炉冷却，取出并机械磨平为成品。
2. 中国专利公开号为CN1032195 ，
公开日为1989.04.05，专利号为 87106352.2，发明名称为" 一种摩擦片及其制造方法"的发明创造描述了一种 摩擦片及其制造方法，该摩擦片材料的组分含量为铜粉45-58 %，锡粉 0.5-2%,铁粉10-24%,钼粉2-5%，锰粉0.6-2.5%, 二碌d匕钼1-3%, 石墨10-12%, 二氧化硅5-10%,碳化硅1: -3%,氧化铝1-3%。制造 工艺为分级混料后在970-IOO(TC烧结温度下加压烧结2-4小时。
3. 中国专利公开号为CN1257903，
公开日为2000. 06. 28 ,专利号为 99122593.7,发明名称为" 一种制动用粉末冶金摩擦材料"的发明创造描述了 一种制动用粉末冶金摩擦材料，该摩擦材料的组分含量为铜粉15-30%，锡 粉3-7%,锑粉0.5-3%, 二硫化钼粉1-3%,石墨6-12%,氧化铝粉 1.5-6%,氧化硅粉1.5-6%,铁粉余量。制造工艺压制后在还原行气氛下在 980-100(TC下烧结2小时。
4. 中国专利公告号为1272454,公告日为2006.08.30，专利号为 03126347. X，发明名称为" 一种铜基粉末冶金摩擦材料"的发明创造描述了一 种摩擦材料及其制造方法，该摩擦材料的组分含量为铜粉40-80%，锡粉 3-10%,铁粉2-20%，铝粉2-10%,碳化硅1-3%，四硼化碳1-3%,石 墨1-15%，铅粉》0-10%, 二硫化钼2-10%。钡粉5-20%,锰粉0-2 %,镁粉0-2%， 二氟化钙0_2%。制造工艺为在950-1050。C烧结温度下加 压烧结1. 5-2小时。
5. 中国专利公告号为100467659,公告日为2009.03.11，专利号为 200610134187. X,发明名称为" 一种铜基粒子强化摩擦材料"的发明创造描述 了一种铜基粒子强化摩擦材料，该摩擦材料的组分含量为铜粉30-70 %，锡 粉4-11%,铝粉1-15%,铁粉5-18%,氧化铝2-15%,氧化硅2-15 %，铁铬合金0-15%,石墨5-20%。制造工艺为采用钟罩炉加压烧结法在 还原行气氛下在780-880。C下烧结40-60分钟，烧结压力l-2MPa,或采用电流 直加热模压烧结成型法在真空条件下在750-90(TC下烧结3-5分钟，烧结压力 为10-50MPa。
比较已报导的专利可知，这些专利中提及的摩擦材料的制备工艺都是在原 始粉末中直接添加陶资颗粒，由于陶瓷颗粒的熔点一般较高，与基体金属之间 的润湿性也往往不佳，在烧结过程中不易与基体金属形成有效的冶金结合，因 而对于传统直接添加陶瓷颗粒的方法来说，材料的最终强度往往会随着陶瓷颗 粒的添加而降低，为了保证摩擦材料的强度，就必须采用较高的烧结温度和一 定的烧结压力，导致生产成本增加，直接增加生产成本，并且限制了陶瓷颗粒 的选才奪禾口添力口量。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服传统方法通过直接添加陶瓷颗粒而摩擦 材料的最终强度往往会随着陶瓷颗粒量的添加而降低和为了保证摩擦材料的强 度就必须采用较高的烧结温度和一定的烧结压力而导致生产成本增加并且限制 了陶乾颗粒组分含量的选择范围的问题。提供了一种不通过直接添加陶究颗粒
而是在烧结过程中形成TiC的金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料。同时也 提供了 二种制备这种金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料的方法。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案金属基粉末冶金制动 闸片材料由按重量百分比计算的组分Cu粉10-70%、 Fe粉2-65°/。、 Sn粉1-10%、 Ni粉0-10%、 Cr粉0-12%、 Ti粉1-12%、人1203粉2-8°/。和石墨8-25%组 成。
技术方案中所述的金属基粉末冶金制动闸片材料由按重量百分比计算的组 分Cu-Sn才几械合金粉10-80°/。、 Ti-C机械活化粉1.25-15°/" Fe粉2-65%、 Ni粉0-10%、 Cr粉0-12%、八1203粉:2-8%和石墨:7. 75-23°/ 组成；所述的 Cu-Sn机械合金粉是由按照重量百分比Sn粉占6-10%的Cu粉与Sn粉预先经过 机械合金化制成的Cu-Sn机械合金粉。Ti-C机械活化粉是由按照重量百分比为 2: l至8: 1的Ti粉和石墨预先经过机械活化制成高活度的并在烧结过程中形 成T i C的T i -C机械活化粉。
一种制备金属基粉末冶金制动闸片材料的方法，该方法包括以下步骤
1. 将按照重量百分比Sn粉含量为6-10%的Cu粉与Sn粉在球磨机里采用球 磨的方式经过机械合金化制成Cu-Sn机械合金粉，球磨机转速为200-500转/ 分钟，5求磨时间5-20小时，3求料比20: 1。
2. 将按照重量比为2: 1至8: 1的Ti粉与石墨在球磨机里采用球磨的方式 经过机械活化制成高活度的在烧结过程中会形成TiC的Ti-C机械活化粉，球磨 机转速为200-500转/分钟，球磨时间3-15小时，球料比20: 1。
3. 将按重量百分比计算的组分Cu-Sn机械合金粉10-80°/。、 Ti-C机械活化 粉1.25-15°/。、 Fe粉2-65%、 Ni粉0-10°/。、 Cr 4分0-12%、入1203粉2-8%和 石墨7. 75-23%装入球磨机里混^分1-2小时，球磨^/L转速为100-200转/分。
4. 将在第3步骤中混合后的粉末进行冷压，采用300-900MPa的压制压力， 冷压G. 5-2分钟制成冷压坯。
5. 在烧结气氛为真空、还原性气氛、惰性气氛或覆盖石墨还原性粉末的条 件下，将冷压坯在0-4MPa的压力下烧结0. 5-3小时，烧结温度为780-U30。C。
第二种制备权金属基粉末冶金制动闸片材料的方法，该方法包括以下步骤 1.将按照重量百分比Sn粉含量为6%-10%的Cu粉和Sn粉在球磨机里采 用3求磨的方式经过机械合金化形成Cu-Sn机械合金粉，球磨才几转速为200-500
6转/分，球磨时间为5-20小时，球料比20: 1。
2. 将按照重量比为2: 1至8: 1的Ti粉与石墨在球磨机里采用球磨的方式 经过机械活化制成高活度的在烧结过程中会形成TiC的Ti-C机械活化粉，球磨 机转速为200-500转/分，J求磨时间为3-15小时，球料比20: 1。
3. 将按重量百分比计算的组分Cu-Sn机械合金粉10-80%、 Fe粉2-65%、 Ni粉0-10%、 Cr粉0-12%、 Ti-C机械活化粉1.25-15%、人1203粉2-8°/。和 石墨7. 75-23%装入球磨机里混粉0. 5-IO小时，球磨机转速为200-500转/分。
4. 采用放电等离子烧结方法对经过第3步骤的混合粉末在放电等离子烧结 设备上进行烧结，烧结模具采用石墨模具，烧结温度为450-980°C，升温速度 为50-30(TC/分，烧结压力5-75Mpa，保温时间1-20分钟，制成粉末冶金制动 闸片材料的压坯。
与现有技术相比本发明的有益效果是
1. 本发明所述的金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料及制备方法与同类 材料和方法相比具有显著的特点，除材料性能方面优良外，材料成分简单，不 存在如铅，石棉等有害健康的成分，有利于环境保护。
2. 在第一种方法中，由Ti与C所形成的TiC陶瓷颗粒是在烧结过程中原位 生成的，烧结过程中在局部发生的Ti+C —TiC的反应可以释;^丈大量的热量，能 够在极短的时间内使反应区域附近的组分迅速熔化，而又由于经机械活化的 Ti-C机械活化粉非常细小，反应区域也非常小，虽然反应过程非常剧烈，但是 反应所释放的热量也迅速向周围传递，熔化的组分也迅速凝固，因此可以在基 体与TiC陶资颗粒之间形成良好的冶金结合。在第二种方法中，由于采用具有 活化作用的放电等离子烧结(SPS)方法进行烧结，因此可以得到强度密度高， 组织均匀的摩擦材料，由于此种方法在烧结过程中能够在金属基体和陶瓷颗粒 形成良好的界面结合，在磨损过程中能够迅速的形成三体磨损状况并有效地减 少陶瓷颗粒的脱落，稳定材料的摩擦系数，从而有效地减小材料的磨损率，提 高材料的使用寿命。
3. 本发明所述金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料及制备方法可以有效 解决现有工艺中材料强度随着陶瓷颗粒添加而降低的问题，同时可以在很大程 度上扩大陶瓷组分含量的选择范围。由于本专利中所提出的第 一种方法不依靠 提高烧结温和烧结压力来保证组分之间的冶金结合，并保证动闸片材料的强度。 因此，第一种方法可以有效地降低烧结温度和烧结压力，降低生产成本。本发 明提出第二种方法可以进一步调控材料成份，调整材料的摩擦系数和强度，制 备出适合各种条件下使用的制动闸片材料。
4. 在本发明所述的金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料及制备方法中的 摩擦材料在摩擦磨损过程中超细的陶瓷颗粒可以在摩擦磨损过程中迅速在其他陶瓷颗粒钉扎位置处形成磨损中的第三体，而这种三体磨损可以有效的降低材
料的磨损率，保证摩擦系数的稳定性；金属基体既可以快速传导制动所产生的 热量，又能够耐受制动过程中所产生的高温，从而满足高速摩擦条件对于摩擦 系数，磨损量，以及高温耐受性的要求，更适合制造时速250-300公里高速列 车制动闸片。


下面结合附图对本发明作进一步的说明
图1为本发明所述的金属基粉末冶金制动闸片材料及其制备方法中经过机 械活化后的Ti-C机械活化粉的X射线衍射图镨。
图2为本发明所述的金属基粉末冶金制动闸片材料及其制备方法中经过机 械合金化后的Cu-Sn机械合金粉的X射线衍射图谱。
图3为本发明所述的金属基粉末冶金制动闸片材料及其制备方法中采用第 一种方法即实施例1当Ti-C机械活化粉含量为10%时所提供的金属基陶瓷强化 粉末冶金制动闸片材料显微组织的图片。
图4为本发明所述的金属基粉末冶金制动闸片材料及其制备方法中采用第 一种方法即实施例5当Ti-C机械活化粉含量为1. 25%时所提供的金属基陶瓷强 化粉末冶金制动闸片材料显微组织的图片。
图5为本发明所述的金属基粉末冶金制动闸片材料及其制备方法中采用第 二种方法即实施例7当Ti-C机械活化粉含量为15%时所提供的金属基陶瓷强化 粉末冶金制动闸片材料显微组织的图片。
图6为本发明所述的金属基粉末冶金制动闸片材料及其制备方法中实施例 1至实施例7所提供的金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料在不同比压下的 摩擦系数测试结果曲线图。
图7为制备本发明所述的金属基粉末冶金制动闸片材料的第一种方法的工 艺流程框图。
图8为制备本发明所述的金属基粉末冶金制动闸片材料的第二种方法的工 艺流程框图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作详细的描述
本发明的目的是克服传统方法通过直接添加陶瓷颗粒而摩擦材料的最终强 度往往会随着陶瓷颗粒的添加而降低和为了保证摩擦材料的强度就必须采用较 高的烧结温度和一定的烧结压力而导致生产成本增加并且限制了陶瓷颗粒的选 择和添加量的问题，提供一种新的金属基陶资强化粉末冶金制动闸片材料。制 造制动闸片材料时不通过直接添加陶瓷颗粒而是设计一组包括Ti粉和石墨的 粉末冶金组分，Ti粉和石墨在烧结过程中能够自然形成我们所需要的TiC。同
8时此种制动闸片材料的成分简单，无有害成分，烧结温度较低，时间短，烧结 设备简单，可实现低压或者无压烧结，制成材料强度大，耐疲劳，具有稳定的 摩擦系数和低磨损率。本发明也提供了 二种制备这种金属基陶瓷强化粉末冶金 制动闸片材料的方法。
本发明为了实现上述目的所提供的金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料
由Cu、 Sn、 Fe、 Ni、 Cr, Ti、 A1A以及石墨组成。各组分按照重量百分比计算 的含量为Cu粉10-70°/。， Fe粉2-65%， Sn粉1-10°/。， Ni粉0-10%， Cr 粉0-12%, Ti粉:1-12%， Ah(U分:2-8°/。，石墨8-25%。
为得到具有稳定的摩擦系数和低磨损率的制动闸片材料，在选定(设计) 的金属基陶瓷强化粉末冶金制动间片材料组分含量(配方)的基础上，或者说 在各组分混合和制成冷压坯以前，首先要做两项工作
1. 制备Cu-Sn机械合金粉
将Cu粉与Sn粉在球磨机中进行混合，即将按照重量百分比Sn粉的含量为 6%-10%， Cu粉含量为90%-94%放在球磨机中进行混合，球磨机的转速为 200-500转/分，球磨时间为5-20小时，球料比20: 1,制成所需要的Cu-Sn 机械合金粉。
2. 制备Ti-C机械活化粉
将Ti粉与石墨粉(C)在球磨机中进行混合，即将按重量百分比为2: l至 8: 1的Ti粉和石墨粉放在球磨机中进行混合，球磨机的转速为200-500转/分， 球磨时间为3-15小时，球料比20: 1，制成高活度的并在以后的烧结过程中形 成TiC的Ti-C机械活化粉。
将制成的Cu-Sn机械合金粉和Ti-C机械活化粉各作为一个组分的话，那么， 金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料也可以被描述成由按重量百分比计算的 组分Cu-Sn机械合金粉10-80°/。、 Ti-C机械活化粉1.25-15°/。、 Fe粉2-65°/。、 Ni粉:0-10%、 Cr粉:0-12%、入1203粉:2-8%和石墨:7. 75-23°/。组成。然后，将 Cu-Sn才几械合金粉10-80°/。、 Ti-C机械活化粉1.25-15%、 Fe粉2-65%、 Ni 粉0-10%、 Cr粉:0-12%、 Ah(U分:2-8°/。和石墨7. 75-23。/。装入球磨机中混粉、 冷压制成冷压坯、将冷压坯烧结和打磨，最终制成应用在车辆上特别是高速列 车上的金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料。
本发明所提供的二种制备这种金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料的方 法，是采用机械活化、机械合金化与传统粉末冶金或放电等离子烧结(SPS)方 法相结合的工艺方法。
参阅图7,第一种方法主要步骤包括机械活化-机械合金化-原料混合-压制 -烧结等工序
选取(设计)制动闸片材料各组分按照重量百分比计算的含量为Cu粉10-70%, Fe粉2—65%, Sn寿分1-10%， Ni粉0—10%, Cr奇分0-12°/。， Ti粉 1-12%, Ah03粉:2-8%,石墨8-25%。在此基础上
1. 采用在球磨机中进行球磨的方式对按照重量比Sn含量为6%-10% (Cu 含量为90%-94% )的Cu和Sn混合粉末进行才几械合金化，合金化过程中球磨 机的转速为200-500转/分，J求磨时间为5-20小时，球料比20: 1。
2. 釆用在球磨机中进行球磨的方式对按照重量比为2: l至8: 1的Ti粉和 石墨进行活化并形成高活度的在烧结过程中能够自然形成TiC的Ti-C机械活化 粉，所述的球磨机的球磨速度为200-500转/分，球磨时间为3-15小时，球料 比20: 1。
3. 将粉末冶金制动闸片材料按重量百分比计算的组分Cu-Sn机械合金粉 10-80%、 Fe粉2-65°/。、 Ni 4分0-10%、 Cr粉0-12°/。、 Ti-C才几械活化粉1. 25-15°/。、 人1203粉2-8%和石墨7. 75-23°/。装入球磨机中混粉1-2小时，所述的球磨速度 为100-200转/分；
4. 对粉末冶金制动闸片材料按重量百分比混合的粉末进行冷压，压制压力 范围为300-900MPa，冷压0. 5-2分钟，制成冷压坯；
5. 将冷压坯在烧结温度为780-1130°C，烧结压力为0-4MPa,烧结时间(保 温时间)为0.5-3小时，烧结气氛为真空、还原性气氛、惰性气氛或覆盖石墨 等还原性粉末。
6. 对烧结后的粉末冶金制动闸片材料进行打磨以去除材料表面的氧化皮， 最终制成金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料。粉末冶金制动闸片材料典型 显微组织如图3所示。
参阅图8，第二种方法主要步骤包括机械活化-机械合金化-原料混合-利用 放电等离子方法烧结等工序。第二种方法升温速度快，通过具有活化作用的放 电等离子烧结(SPS)可以有效地改善金属基体与陶瓷强化颗粒之间的界面结合。 这种方法和第一种方法一样能够得到强度较大，耐疲劳，具有稳定的摩擦系数 和低磨损率的粉末冶金制动闸片材料。
第二种方法主要步骤
同样选取(设计)制动闸片材料各组分按照重量百分比计算的含量为Cu 粉10-70%, Fe4分2-65%, Sn 4分1_10%， Ni粉0-10%, Cr 4分0-12%， Ti 粉1-12°/。，八1203粉:2-8%,石墨8-25°/。。在此基础上
1. 采用在球磨机中进行球磨的方式对按照重量百分比Sn含量为6%-10% (Cu含量为90 % -94 % )的Cu粉和Sn粉进行机械合金化，合金化过程中球磨
机的转速为200-500为转/分，球磨时间为5-20小时，球料比20: 1。
2. 采用在球磨机中进行球磨的方式对按照重量百分比为2: 1至8: 1的Ti 粉和石墨进行活化并形成高活度的在烧结过程中能够形成TiC的Ti-C机械活化粉，球磨机的转速为200-500转/分，球磨时间为3-15小时，球料比20: 1。
3. 将粉末冶金制动闸片材料按重量百分比计算的组分Cu-Sn机械合金粉 10-80%、 Fe粉:2-65°/。、 Ni粉0-10%、 Cr粉0-12%、 Ti-C机械活化粉:1. 25-15%、 入1203粉:2-8%和石墨:7. 75-23%装入球磨机中混粉0. 5-10小时,球磨机的转速 为200-500转/分。
4. 采用放电等离子烧结方法对经过第3步骤的混合粉末在放电等离子烧结 设备上进行烧结，烧结模具采用石墨模具，烧结温度范围为450-980°C,升温 速度为50-30(TC/分，烧结压力5-75Mpa,保温时间1-20分钟，制成粉末冶金
制动闸片材料的压坯。
5. 对烧结后的粉末冶金制动闸片材料的压坯进行打磨以去除材料表面的 氧化皮，最终制成金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料。
采用第二种方法制成的粉末冶金制动闸片材料的典型显微组织如图5所示。
下面结合具体实施例对本发明所述的金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材 料及制备方法作进一步地说明 实施例1
1. 本发明所述的制动闸片材料按重量百分比各组分含量为Cu粉54%、 Sn粉6%、石墨21%、 Fe粉3%、 Ti粉8%、人1203粉6%、 Ni粉1 Q/。和Cr粉1%。
2. 参阅图1,将重量比为4: 1的Ti粉和石墨即8 %的Ti粉与2 %的石墨 在卧式行星式球磨机里进行机械活化，速度为500转/分，活化时间为IO小时， 制成Ti-C机械活化粉10%。图中表示的是制成的Ti-C机械活化粉的典型X射 线衍射图谱。
3. 参阅图2，将重量比为9: 1的Cu粉和Sn粉即54 %的Cu粉和6 %的Sn 粉在卧式行星式5求磨机里进行机械合金化，速度为500转/分，活化时间为10 小时，制成Cu-Sn机械合金粉60°/。。图中表示的是制成的Cu-Sn机械合金粉的 典型X射线衍射图谱。
制成10%的Ti-C机械活化粉和60°/。的Cu-Sn机械合金粉后，本发明所述的 制动闸片材料按重量百分比各组分含量变为Cu-Sn机械合金粉60%、 Ti-C机 械活化粉10°/。、石墨19%、人1203粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1。/。和Cr粉1 %。
4. 将Cu-Sn机械合金粉60°/。、 Ti-C机械活化粉10%、石墨19%、 A1203: 6%、 Fe粉3%、 Ni粉1。/。和Cr粉1 %装入球磨机中混粉2小时，转速为 200转/分。
5. 将混合后的粉末放入冷压模具中，在800MPa压力下压制1分钟，制成冷压毛坯。
6.将冷压毛坯放入烧结炉内，烧结压力为零，使用石墨和氧化铝粉末覆盖
并在830。C下烧结1小时，冷却后加以修整。
参阅图3与图6,图3是采用第一种方法并当Ti-C机械活化粉含量为10% 时制得的制动闸片材料显微组织的图片，制动闸片材料硬度为Hv90，密度为 4. 56g/cm^在GG-2000型摩擦磨损试验机上对制得的制动闸片材料进行摩4察磨 损试验，测得在不同比压下本发明所述的金属基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材 料的摩^^系数为0.41-0.48,如图6中第1条曲线所示，平均磨损量为 0. 16-0. 21cm3/MJ。
实施例2
1. 本发明所述的制动闸片材料按重量百分比各组分含量为Cu粉54%、 Sn粉6%、石墨21%、 Fe粉3%、 Ti粉8%、入1203粉6%、 Ni粉1 0/o和Cr粉1%。
2. 将重量比为8: 1的Ti粉和石墨即8 %的Ti粉与1 %的石墨在卧式行星 式球磨机里进行机械活化，速度为500转/分，活化时间为10小时，制成Ti-C 机械活化粉9%。
3. 将重量比为9: 1的Cu粉和Sn粉即54 %的Cu粉和6 %的Sn粉在卧式 行星式球磨机里进行机械合金化，速度为500转/分，活化时间为10小时，制 成Cu-Sn机械合金粉60%。
制成9°/。的Ti-C机械活化粉和60%的Cu-Sn机械合金粉后，本发明所述的制 动闸片材料按重量百分比各组分含量变为Cu-Sn机械合金粉60%、 Ti-C机械 活化粉9%、石墨20%、 Al"3粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1°/。和Cr粉1°/。。
4. 将Cu-Sn机械合金粉60%、 Ti-C机械活化粉9°/。、石墨20%、 A1203 粉6、 Fe粉3%、 Ni粉1°/。和Cr粉1°/。装入球磨机中混粉2小时，转速为 200转/分。
5. 将混合后的粉末放入冷压模具中，在800MPa压力下压制l分钟，制成冷 压毛坯。
6. 将冷压毛坯放入烧结炉内，烧结压力为零，使用石墨和氧化铝粉末覆盖 并在830。C下烧结1小时，冷却后加以〗务整。
参阅图6，采用第一种方法并当Ti-C机械活化粉含量为9%时制得的制动闸 片材料硬度为Hv78，密度为4. 56g/cm3，在GG-2000型摩擦磨损试验机上对制得 的制动闸片材料进行摩擦磨损试验，测得在不同比压下本发明所述的金属基陶 瓷强化粉末冶金制动闸片材料的摩擦系数为0. 29-0. 4,如图6中第2条曲线所 示，平均磨损量为0. 28-0. 33cmVMJ。
实施例31. 本发明所述的制动闸片材料按重量百分比各组分含量为Cu粉54 % 、 Sn粉6% 、石墨21%、 Fe粉3%、 Ti粉8%、人1203粉6%、 Ni粉1 。/。和Cr粉1%。
2. 将重量比为6: 1的Ti粉和石墨即8 %的Ti粉与1. 33 %的石墨在卧式 行星式球磨机里进行机械活化，速度为500转/分，活化时间为10小时，制成 Ti-C机械活化粉9. 33°/。。
3. 将重量比为9: 1的Cu粉和Sn粉即54 %的Cu粉和6 %的Sn粉在卧式行 星式球磨机里进行机械合金化，速度为500转/分，活化时间为10小时，制成 Cu-Sn机械合金粉60%。
制成9. 33%的Ti-C机械活化粉和60%的Cu-Sn机械合金粉后，本发明所述 的制动闸片材料按重量百分比各组分含量变为Cu-Sn机械合金粉60%、 Ti-C 机械活化粉9.33%、石墨19.67%、人1203粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1% 和Cr粉1%。
4. 将Cu-Sn机械合金粉60%、 Ti-C机械活化粉9.33%、石墨19.67%、 人1203粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1%和Cr粉1°/。装入球磨机中混粉2小时， 转速为200转/分。
5. 将混合后的粉末放入冷压模具中，在800MPa压力下压制1分钟，制成冷 压毛坯。
6. 将冷压毛坯放入烧结炉内，烧结压力为零，使用石墨和氧化铝粉末覆盖 并在83(TC下烧结1小时，冷却后加以修整。
参阅图6，采用第一种方法并当Ti-C机械活化粉含量为9. 33%时制得的制 动闸片材料硬度为Hv86,密度为4. 56g/cn^，在GG-2000型摩擦磨损试验机上对 制得的制动闸片材料进行摩擦磨损试验，测得在不同比压下本发明所述的金属 基陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料的摩擦系数为0.33-0.45,如图6中第3条 曲线所示，平均磨损量为0. 25-0. 31cmVMJ。
实施例4
1. 本发明所述的制动闸片材料按重量百分比各组分含量为Cu粉54%、 Sn寿分6% 、石墨21%、 Fe粉3%、 Ti粉8%、八1203粉6%、 Ni粉1 0/o和Cr粉1%。
2. 将重量比为2: 1的Ti粉和石墨即8 %的Ti粉与4 %的石墨在卧式行星 式球磨机里进行机械活化，速度为500转/分，活化时间为10小时，制成Ti-C 机械活化粉12%。
3. 将重量比为9: 1的Cu粉和Sn粉即54 %的Cu粉和6 %的Sn粉在卧式 行星式球磨机里进行机械合金化，速度为500转/分，活化时间为10小时，制 成Cu-Sn才几械合金粉6 0% 。
13制成12°/。的Ti-C机械活化粉和60°/。的Cu-Sn机械合金粉后，本发明所述的 制动间片材料按重量百分比各组分含量变为Cu-Sn合金粉60%、 Ti-C机械 活化粉12%、石墨粉17%、 A1A粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉l°/。、 Cr粉 1%。
4. 将Cu-Sn机械合金粉60%、 Ti-C机械活化粉12%、石墨粉17%、 人1203粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1%、 Cr粉1°/。装入球磨机中混粉2小时， 转速为200转/分。
5. 将混合后的粉末放入冷压模具中，在800MPa压力下压制1分钟，制成为 冷压毛坯。
6. 将冷压毛坯放入烧结炉内，烧结压力为零，使用石墨和氧化铝粉末覆盖 并在830。C下烧结1小时，冷却后加以》务整。
参阅图6,采用第一种方法并当Ti-C机械活化粉含量为12%时制得的制动 闸片材料硬度为Hv94，密度为4. 56g/cm3,在GG-2000型摩擦磨损试验机上对制 得的制动闸片材料进行摩擦磨损试验，测得在不同比压下本发明所述的金属基 陶瓷强化粉末冶金制动闸片材料的摩擦系数为0. 41-0. 5,如图6中第4条曲线 所示，平均磨损量为0. 14-0. 26cm7MJ。
实施例5
1. 本发明所述的制动闸片材料按重量百分比各组分含量为Cu粉60.3%、 Sn粉6.7%、石墨21%、 Fe粉3%、 Ti粉1%、人1203粉6%、 Ni粉 1%、 Cr粉1%。
2. 将重量比为4: 1的即1%的Ti粉和0. 25°/。的石墨在卧式行星式球磨机里 进行机械活化，速度为500转/分，活化时间为10小时，制成Ti-C机械活化粉 1. 25°/。。
3. 将重量比为9: 1的即60. 3%的Cu粉和6. 7%的Sn粉在卧式行星式球磨机 里进行机械合金化，速度为500转/分，活化时间为10小时，制成Cu-Sn机械 合金粉67%。
制成1. 25%的Ti-C机械活化粉和67%的Cu-Sn机械合金粉后，本发明所述 的制动闸片材料按重量百分比各组分含量变为Cu-Sn合金粉67%、 Ti-C机 械活化粉1.25%、石墨粉20.75 %、 Al2034》6%、 Fe 4分3%、 Ni粉1%、 Cr粉1%。
4. 将Cu-Sn合金粉67%、 Ti-C机械活化粉1.25%、石墨粉20.75 %、 人1203粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1%、 Cr粉1°/。装入球磨机中混粉2小时， 转速为200转/分。
5. 将混合后的粉末放入冷压模具中，在80画Pa压力下压制1分钟，制成 为冷压毛坯。6.将冷压毛坯放入烧结炉内，烧结压力为零，使用石墨和氧化铝粉末覆盖
并在830。C下烧结1小时，冷却后加以修整。
参阅图4与图6,图4是采用第一种方法并当Ti-C机械活化粉含量为1.25% 时制得的制动闸片材料显微组织的图片，制得的制动闸片材料硬度为Hv86,密 度为4. 56g/cm^在GG-2000型摩擦磨损试验机上对制得的制动闸片材料进行摩 擦磨损试验，测得在不同不同比压下本发明所述的金属基陶瓷强化粉末冶金制 动闸片材料的摩擦系数为0.27-0.39,如图6中第5条曲线所示，平均磨损量 为0. 58-0. 67cmVMJ。
实施例6
1. 本发明所述的制动闸片材料按重量百分比各组分含量为Cu粉57.6%、 Sn粉6,4%、石墨21%、 Fe斗分3%、 Ti粉4%、八1203粉6%、 Ni粉 1%、 Cr粉1%。
2. 将重量比为4: 1的即4%的Ti粉和1°/。的石墨在卧式行星式球磨机里进行 机械活化，速度为500转/分，活化时间为IO小时，制成Ti-C机械活化粉5%。
3. 将重量比为9: 1的即57. 6%的Cu粉和6. 4°/。的Sn粉在卧式行星式球磨 机里进行机械合金化，速度为为500转/分，活化时间为IO小时，制成Cu-Sn 机械合金粉64%。
制成5°/。的Ti-C机械活化粉和64%的Cu-Sn机械合金粉后，本发明所述的制 动闸片材料按重量百分比各组分含量变为Cu-Sn合金粉64%、 Ti-C机械活 化粉5%、石墨粉20%、人1203粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1%、 Cr粉1%。
4. 将Cu-Sn合金粉64。/。、 Ti-C机械活化粉5%、石墨粉20%、 A1203 粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1%、 Cr粉1°/。装入球磨机中混粉2小时，转速 为200转/分。
5. 将混合后的粉末放入冷压才莫具中，在800MPa压力下压制1分钟，制成为 冷压毛坯。
6. 将冷压毛坯放入烧结炉内，烧结压力为零，使用石墨和氧化铝粉末覆盖 并在830。C下烧结1小时，冷却后加以纟f整。
参阅图6,采用第一种方法并当Ti-C机械活化粉含量为5%时制得的制动闸 片材料硬度为Hv86,密度为4. 56g/cm3，在GG-2000型摩擦磨损试验机上对制得 的制动间片材料进行摩擦磨损试验，测得在不同比压下本发明所述的金属基陶 瓷强化粉末冶金制动闸片材料的摩擦系数为0.27-0.42,如图6中第6条曲线 所示，平均磨损量为0. 27-0. 42cmVMJ。
实施例7
l.本发明所述的制动闸片材料按重量百分比各组分含量为Cu粉51%、 Sn砵分5% 、石墨22%、 Fe 4分2%、 Ti并分12°/。、 A1A4分6%、 Ni 4分1n/。和Cr粉1%。
2. 将重量比为4: 1的Ti粉和石墨即12 %的Ti粉与3 %的石墨在卧式行 星式球磨机里进行机械活化，速度为500转/分，活化时间为10小时，制成Ti-C 机械活化粉15%。
3. 将重量比为9: 1的50. 4 %的Cu粉和5. 6 %的Sn粉在卧式行星式球磨 机里进行机械合金化，速度为500转/分，活化时间为10小时，制成Cu-Sn机 械合金粉56%。
制成10%的Ti-C机械活化粉和56%的Cu-Sn机械合金粉后，本发明所述的 制动闸片材料按重量百分比各组分含量变为Cu-Sn合金粉56%、 Ti-C机械 活化粉15%、石墨19%、人1203粉6%、 Fe粉2%、 Ni粉1%、 Cr粉1%。
4. 将Cu-Sn合金粉56%、 Ti-C机械活化粉15%、石墨19%、 Al力3粉: 6%、 Fe粉2%、 Ni粉1%、 Cr粉1%装入卧式行星式球磨机里进行混粉， 球磨速度为500转/分，球磨时间为5小时。
5. 将混粉后的粉末在;^丈电等离子烧结设备上进行烧结，烧结温度为800°C， 升温速度60。C/分，烧结压力30MPa,保温时间3分钟，冷却后加以修整。
参阅图5与图6,图5是采用第二种方法并当Ti-C机械活化粉含量为15% 时制得的制动闸片材料显微组织的图片，制动闸片材料硬度为Hvl40-160,密 度为5. 37g/cn^在GG-2000型摩擦磨损试验机上对制得的制动闸片材料进行摩 擦磨损试验，测得在不同比压下本发明所述的金属基陶t:强化粉末冶金制动闸 片材料的摩擦系数为0.32-0.36,如图6中第7条曲线所示，平均磨损量为 0. 06-0. llcm3/MJ。
实施例8
1. 本发明所述的制动闸片材料按重量百分比各组分的含量为Cu粉9%、 Sn并分1%、石墨22%、 Fe净分51%、 丁i寿分8%、 Ni 4分1%、 Cr净分1%、 人1203粉7%。
2. 将重量比为4: 1的Ti粉和石墨即8 %的Ti与2 %的石墨在卧式行星式 球磨机上进行机械活化，速度为500转/分，活化时间为10小时，制成Ti-C机 械活化粉10%。
3. 将重量比为9: 1的即9 % Cu粉和1 % Sn粉在卧式行星式球磨机上进行机 械合金化，速度为500转/分，活化时间为10小时，制成Cu-Sn机械合金粉 10%。
制成10%的Ti-C机械活化粉和10%的Cu-Sn机械合金粉后，本发明所述的 制动闸片材料按重量百分比各组分含量变为Cu-Sn机械合金粉10%、 Ti-C机 械活化粉10%、石墨20°/" A1203: 7 %、 Fe: 51%、 Ni粉1。/。和Cr粉1 % 。
4. 将Cu-Sn斗几械合金4分10%、 Ti-C机械活化斗分10%、石墨20%、 A1203:7%、 Fe: 51%、 Ni粉1。/。和Cr粉1 %装入球磨机中混粉2小时，转速为200 转/分。
5. 将混合后的粉末放入冷压^^具中，在800MPa压力下压制1分钟，制成为 冷压毛坯。
6. 将冷压毛坯放入烧结炉内，烧结压力为零，使用石墨和氧化铝粉末覆盖 并在1030。C下烧结1小时，冷却后加以修整。
权利要求
1.一种金属基粉末冶金制动闸片材料，其特征在于，金属基粉末冶金制动闸片材料由按重量百分比计算的组分Cu粉10-70％、Fe粉2-65％、Sn粉1-10％、Ni粉0-10％、Cr粉0-12％、Ti粉1-12％、Al2O3粉2-8％和石墨8-25％组成。
2. 按照权利要求1所述的金属基粉末冶金制动闸片材料，其特征在于，金 属基粉末冶金制动闸片材料由按重量百分比计算的组分Cu-Sn机械合金粉 10-80%、 Ti-C才几械活化粉1.25-15%、 Fe粉2-65°/。、 Ni蜂分0-10%、 Cr粉 0-12%、八1203粉:2-8°/。和石墨7. 75-23°/。组成。
3. 按照权利要求2所述的金属基粉末冶金制动闸片材料，其特征在于，所 述的Cu-Sn机械合金粉是由按照重量百分比Sn粉占6-10°/。的Cu粉与Sn粉预先 经过机械合金化制成的Cu-Sn机械合金粉；Ti-C机械活化粉是由按照重量百分比为2: 1至8: 1的Ti粉和石墨预先 经过机械活化制成高活度的并在烧结过程中形成TiC的Ti-C机械活化粉。
4. 一种制备权利要求l所述的金属基粉末冶金制动闸片材料的方法，其特 征在于，该方法包括以下步骤1)将按照重量百分比Sn粉含量为6-10%的Cu粉与Sn粉在球磨机里采用 球磨的方式经过机械合金化制成Cu-Sn机械合金粉，球磨机转速为200-500转/ 分钟，球磨时间5-20小时，球4牛比20: 1;2)将按照重量比为2: 1至8: 1的Ti粉与石墨在球磨机里采用球磨的方 式经过机械活化制成高活度的在烧结过程中会形成TiC的Ti-C机械活化粉，球 磨机转速为200-500转/分钟，球磨时间3-15小时，球料比20: 1;3) 将按重量百分比计算的组分Cu-Sn机械合金粉10-80%、 Ti-C机械活 化粉1.25-15%、 Fe粉2-65%、 Ni粉0-10%、 Cr粉0-12%、八1203粉2-8% 和石墨7. 75-23°/。装入球磨机里混粉1-2小时，球磨机转速为100-200转/分；4) 将在第3)步骤中混合后的粉末进行冷压，采用300-900MPa的压制压 力，冷压0. 5-2分钟制成冷压坯；5) 在烧结气氛为真空、还原性气氛、惰性气氛或覆盖石墨还原性粉末的条 件下，将冷压坯在0-4MPa的压力下烧结0. 5-3小时，烧结温度为780-113(TC。
5. 第二种制备权利要求l所述的金属基粉末冶金制动闸片材料的方法，其 特征在于，该方法包括以下步骤1)将按照重量百分比Sn粉含量为6 % -10 %的Cu粉和Sn粉在球磨机里采 用王求磨的方式经过才几械合金化形成Cu-Sn机械合金粉，^求磨机转速为200-500 转/分，球磨时间为5-20小时，球料比20: 1;2)将按照重量比为2: 1至8: 1的Ti粉与石墨在球磨机里采用球磨的方式经过机械活化制成高活度的在烧结过程中会形成TiC的Ti-C机械活化粉，球 磨机转速为200-500转/分，球磨时间为3-15小时，球料比20: 1;3) 将按重量百分比计算的组分Cu-Sn机械合金粉10-80%、 Fe粉2-65%、 Ni斗分0-10%、 Cr 4分0-12%、 Ti-C机械活化粉1.25-15%、 A1A粉2-8%和 石墨7. 75-23%装入5求磨机里混粉0. 5-10小时，球磨机转速为200-500转/分；4) 釆用放电等离子烧结方法对经过第3)步骤的混合粉末在放电等离子烧 结设备上进行烧结，烧结模具采用石墨模具，烧结温度为450-98(TC,升温速 度为50-300。C/分，烧结压力5-75Mpa,保温时间1-20分钟，制成粉末冶金制 动闸片材料的压坯。
全文摘要
本发明公开了金属基粉末冶金制动闸片材料及制备方法。旨在克服现有技术生产粉末冶金制动闸片材料时材料强度随着陶瓷颗粒添加而降低等问题。该材料由按重量百分比的组分Cu-Sn机械合金粉 10-80％、Ti-C 机械活化粉1.25-15％、Fe粉 2-65％、Ni粉 0-10％、Cr粉 0-12％、Al₂O₃粉 2-8％和石墨 7.75-23％组成。其中Cu-Sn机械合金粉由Sn粉占6-10％的Cu粉与Sn粉预先经过机械合金化制成；Ti-C机械活化粉由2∶1至8∶1的Ti粉和C粉预先经过机械活化制成，并在烧结时形成TiC。本发明还提供了二种采用机械活化、机械合金化与传统粉末冶金或放电等离子烧结方法相结合的制备方法。
文档编号C22C1/05GK101602105SQ20091006724
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月7日 优先权日2009年7月7日
发明者刘勇兵, 健 庄, 曹占义 申请人:吉林大学