一种铁基粉末冶金摩擦材料及其制备方法
【专利摘要】一种铁基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，所述铁基粉末冶金摩擦材料本发明由铁粉、铜粉、锰粉、石墨粉、碳化硅粉、二硫化钼粉、二氧化硅粉、三氧化二铝粉和沉淀硫酸钡粉组成，发挥了铁合金基体、润滑组元、固体摩擦组元等系统匹配效应，提供了一种具有良好机械强度，在低速、宽压力范围内使用高性能粉末冶金铁基摩擦材料。本发明的摩擦系数＞0.32，磨损量≤0.0005mm/面·次。
【专利说明】一种铁基粉末冶金摩擦材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料领域，具体是一种铁基粉末冶金摩擦材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 某运输飞机襟翼保护装置用刹车副属易耗件，其静摩擦片的摩擦材料起初采用美 国C94500高铅锡青铜系材料，但该材料属国外限购材料，很难购买，国内不掌握核心技术， 且随着后期对使用条件的加重，其摩擦磨损性能方面出现了某些缺陷。如：在低速、高比压 使用条件下，材料磨损较大，摩擦系数较低。
[0003] 国内现有铁基粉末冶金摩擦材料CN200710106016. 0主要应用于中、高速，中比压 的飞机、工程车和火炮的制动。CN200720153895. 8主要应用于某型履带式挖掘机离合器 中，发明的是一种摩擦片的结构和生产流程，并不包含铁基粉末冶金摩擦材料配方及其制 备工艺。专利CN200710160660. 6公开了一种用于制备铁基粉末冶金摩擦的组合物以及摩 擦材料，其主要成分为铁、铜、锰、碳化硅、二氧化硅、三氧化二铝、碳化硼、硫酸亚铁和石墨， 其特征在于所述成分含量为铁55-70 %，铜5-20 %，锰0. 3-1. 4 %，碳化硅3-10 %，二氧化硅 5-15%，三氧化二铝0? 9-1. 8%，碳化硼2-5%，硫酸亚铁5-15%，石墨5-10%。在MM-1000 型摩擦磨损试验机上得到磨损量为〇. 006-0. 0094之间，但并未对其使用、试验工况条件进 行说明。
【发明内容】
[0004]为克服现有技术中存在的在低速、高比压使用条件下，材料磨损较大，摩擦系数较 低的不足，本发明提出了一种铁基粉末冶金摩擦材料及其制备方法。
[0005] 本发明由61?73. 5%的铁粉、6?12%的铜粉、2?5%的锰粉、8?14%的石 墨粉、2?6%的碳化硅粉、2. 0?4. 0%的二硫化钥粉、2. 0?4. 0%的二氧化硅粉、2. 0? 5. 0%的三氧化二铝粉和2?6%的沉淀硫酸钡粉组成，所述的百分比均为质量百分比。
[0006]所述铁粉为FHY200,铁的含量彡98%，；所述铜粉为FTD1，铜的含量彡99. 8%;所 述锰粉为-100?+300目DJMnD，锰的含量彡99. 7 % ;所述石墨粉为+80目鳞片状，该石墨 粉中碳的含量> 99. 99%;所述二氧化硅粉为-100?+200目，并且三氧化二铝粉为-100? +250目的煅烧a型；所述碳化硅粉为-120目绿色碳化硅，含量为SiC> 98%;所述沉淀硫 酸钡为粉剂，含量BaS04彡98%。
[0007] 本发明提出的制备所述铁基粉末冶金摩擦材料的具体过程是：
[0008] 步骤1，原材料处理：所述原材料处理包括铁粉和铜粉的还原、球磨、烘干和过筛， 具体是：
[0009] 铁粉和铜粉的还原：将铁粉和铜粉分别置于还原炉中，在氢气气氛保护下进行还 原，以消除所述铁粉和铜粉中的氧含量及加工硬化现象；还原温度：铁粉为600?700°C，铜 粉为350?450°C，保温时间均为2?3小时；得到还原后的还原铁粉和铜粉；
[0010] 球磨：将还原合格的铁粉和铜粉分别放入球磨机中球磨〇. 5?lh;
[0011] 烘干：将石墨粉、二硫化钥粉、二氧化硅粉、硫酸钡粉和碳化硅粉分别放入烘箱内， 在120°C?150°C条件下保温2. 5?3. 0h，以除去所述各粉末中的水分；
[0012] 过筛：将烘干的二氧化硅粉、三氧化二铝粉和碳化硅粉分别过筛，取-100?+200 目二氧化娃粉，取 _1〇〇?+250目二氧化二错粉，取-120目碳化娃粉；
[0013] 步骤2,配料、混料：
[0014] 按比例称量上述经过处理的原材料；先将称量的铁粉、铜粉和锰粉放入混料机中 混合10?12h，将混合后的铁粉、铜粉和锰粉与称量好的硫酸钡粉、二氧化硅粉、三氧化二 铝粉、碳化硅粉和二硫化钥粉一起放入料盒并搅拌，组成预混合料；在得到的预混合料中加 入混合油并人工搅拌均勻后，装入混料机继续混合3?5h;加入石墨粉混合7h，得到混合 料；混料机转速为40?45转/分钟；
[0015] 所述的混合油是由1 :1的机油和汽油混合而成，每公斤预混合料加入l〇ml所述的 混合油。
[0016] 步骤3,压制：
[0017] 根据产品的设计要求称量上述混合料，倒入模具中并刮平，采用常规方法在液压 机上冷压成型，得到密度为5. 2?5. 6g/cm3的铁基粉末冶金摩擦材料的压坯；所述冷压成 型中，铁基粉末冶金摩擦材料压坯单位面积承受的压力为400?600MPa;
[0018] 步骤4,烧结：
[0019] 将得到的铁基粉末冶金摩擦材料压坯与摩擦材料的钢背固定组装成为组装件；将 各组装件之间用石墨垫板隔开，重复叠放；将叠放后的组装件装入加压烧结炉中进行烧结； 对所述加压烧结炉在通氢气条件下升温至1010?1050°c并保温3. 0?4. 5h，加压至20? 25kg/cm2并保压；烧结结束后，随炉冷却到900°C后；水冷却到60°C以下卸压，出炉，得到铁 基粉末冶金摩擦材料。
[0020] 由于采取了上述技术方案，使本发明具有以下特点：
[0021] 1、本发明通过科学设计材料的各种成分组成，发挥了铁合金基体、润滑组元、固 体摩擦组元等系统匹配效应，提供了一种具有良好机械强度，在低速1. 5m/s，宽压力范围 (6?65Kg/cm2)内使用，摩擦系数> 0. 32,磨损量彡0. 0005mm/面?次的高性能粉末冶金 铁基摩擦材料及其制备技术。
[0022] 1)基体组元
[0023] 烧结摩擦材料的硬度、耐磨性和耐热性在很大程度上取决于基体的组织结构和摩 擦磨损过程中的一系列物理、化学变化。由于铁熔点高，它的强度、硬度、塑性、耐热强度和 抗氧化性可通过各种元素使其合金化加以调整，铁粉混合料易于压制和烧结，相对铜粉成 本价格便宜，制造成本大幅降低。加入Mn可使铁基体合金化，提高其强度、屈服极限及硬 度，稳定摩擦系数，减少粘结，降低磨损等。加入Cu可提高铁基体耐热度和抗氧化性，稳定 摩擦系数。本发明在铁粉中加入了 2?5%Mn粉和6?13%Cu粉来强化铁基体。
[0024] 2)固体润滑组元
[0025] 固体润滑组元的加入可有效改善铁基摩擦材料的抗卡滞性能、提高耐磨性。润滑 剂中得到广泛应用的是层状结构的石墨。石墨的作用首先在于它填充了零件表面上的微观 凹穴，也能吸收在摩擦过程中所产生的电晕放电和火花放电，减少摩擦表面的破碎，起到润 滑和降低了磨损作用。石墨含量依据所要求的摩擦系数及稳定性、耐磨性选择，在此条件下 铁石墨材料中石墨含量在8?15%左右时，材料摩擦特性稳定度可达到0. 8左右。单独加 入固体润滑剂会降低材料的冲击韧性，当二硫化钥含量在2?6%范围内，铁石墨材料冲击 韧性值大于3Kg^/⑶2,在本发明中采取二硫化钥与石墨作为复合固体润滑组元组合使用， 一方面增加耐磨性弥补高石墨含量造成材料磨损的缺陷，另一方面可提高材料的抗冲击韧 性。
[0026] 3)摩擦组元
[0027] 为提高和稳定材料的摩擦性能，摩擦材料中需加入固体摩擦剂。固体摩擦剂不仅 保证材料的摩擦特性，还能消除对偶件上从烧结粉末材料转移过来的金属，从而保证与对 偶件的正常磨合。铁基摩擦材料可选用碳化硅、二氧化硅、碳化硼、三氧化二铝等作为摩擦 组元。碳化硅的加入可迅速提高材料摩擦系数，二氧化硅和三氧化二铝的加入能有效改善 材料摩擦性能，提高摩擦系数，降低对对偶的磨损。
[0028] 本发明中对固体摩擦剂二氧化硅和三氧化二铝含量对该摩擦材料摩擦性能的影 响进行了研究及验证。
[0029] 图1中曲线1是在滑动速度1. 0米/秒下，二氧化硅含量从1%增至10%时，铁基 摩擦材料摩擦系数从0. 28增至0. 43 ;图1中曲线2是在滑动速度2. 0米/秒下，二氧化硅 含量从1 %增至10 %时，铁基摩擦材料摩擦系数从0. 16增至0.29 ;图1中曲线3是在滑动 速度1. 〇米/秒下，二氧化硅含量从1 %增大到10%时，摩擦温度由120°C逐渐升至180°C。 图1中曲线4是在滑动速度2.0米/秒下，二氧化硅含量从1 %增至4 %时，摩擦温度由 3401：迅速增至4601：，进一步提高二氧化硅含量至10%时，摩擦温度缓慢升高至4801：。
[0030] 图2中曲线5是在滑动速度1. 0米/秒下，随着三氧化二铝含量增加，摩擦系数是 先逐渐增大后减小的。即当三氧化二铝含量为1%时，摩擦系数为〇. 29,进一步提高含量到 3 %时，摩擦系数达到最大0. 32,继续提高三氧化二铝含量，摩擦系数缓慢降低，直至含量增 加到10%时，摩擦系数降低至0. 28。
[0031] 图2中曲线6是在滑动速度2. 0米/秒下，随着三氧化二铝含量增加，摩擦系数是 先逐渐增大后趋于稳定。即当三氧化二铝含量为1%时，摩擦系数为0. 14,进一步提高含量 到4%时，摩擦系数达到最大0. 20,继续增加三氧化二铝含量，摩擦系数在0. 2左右变化。
[0032] 图2中曲线7是在滑动速度1. 0米/秒下测定的摩擦温度与三氧化二铝含量的关 系。表明随着三氧化二铝含量增加，摩擦温度是逐渐升高的。即从二氧化硅含量1%增大到 10%时，摩擦温度由30°C逐渐升至90°C。
[0033] 图2中曲线8是在滑动速度2. 0米/秒下测定的摩擦温度与三氧化二铝含量的关 系。表明随着三氧化二铝含量从1%增大到10%时，摩擦温度由235°C逐渐升至380°C。 [0034] 考虑到烧结损失、化验误差以及综合摩擦磨损性能等，本发明采用复合摩擦组元 来确保在提高摩擦系数的同时避免对偶的过量磨损、减小摩擦温度场对摩擦性能的不良影 响、提高摩擦系数稳定度，选择固体摩擦组元为碳化硅2?6%、二氧化硅2?4%、三氧化 二铝2?5%。
[0035] 2、按照本发明制造的粉末冶金铁基摩擦材料，具有强度高、密度低、膨胀率低、变 形量小、耐磨性良好等优点。采用该粉末冶金铁基摩擦材料制成的摩擦层厚度小于〇. 5mm的超薄型制动零件与65Mn钢材料制成的对偶件组成粉末冶金铁基摩擦材料摩擦副，在低 速1. 5m/s，宽压力范围（6Kg/cm2?65Kg/cm2)条件下使用时，摩擦系数达到0. 32以上。图 3中曲线1代表本发明在1. 5m/s，压力6Kg/cm2条件下随刹车时间测定的摩擦系数曲线，其 平均摩擦系数为〇? 3763。图4中曲线4代表本发明在1. 5m/s，压力65Kg/cm2条件下随刹 车时间测定的摩擦系数曲线，其平均摩擦系数为〇. 3381。
[0036] 3、按照本发明制造的摩擦材料与65Mn钢材料制成的对偶件组成摩擦副，在摩擦 磨损性能上优于美国C94500高铅锡青铜原材摩擦副在低速1. 5m/s，宽压力范围（6Kg/cm2、 65Kg/cm2)条件下使用时的各项性能指标。如图3、图4、图5、图6、表1所示。且摩擦过程 中未出现摩擦层脱落、掉块、卡滞、粘结、火花等现象，制动稳定可靠，力矩曲线平稳、峰比适 中。
[0037] 4、本发明通过材料设计、制造工艺研究、以及小样对比试验等方面的研制和验证 等工作，研究获得一种新型长寿命的铁基摩擦材料，完全替代了美国C94500高铅锡青铜系 材料，在低速1. 5m/s，宽压力（6?65Kg/cm2)范围条件下工作，满足摩擦系数> 0. 32,磨损 量< 0. 0005mm/面?次的高性能要求。
[0038] 表1本发明铁基粉末冶材料与美国C94500材料性能对比
[0039]
【权利要求】
1. 一种铁基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，由61?73. 5%的铁粉、6?12%的铜粉、 2?5%的锰粉、8?14%的石墨粉、2?6%的碳化硅粉、2. 0?4. 0%的二硫化钥粉、2. 0? 4. 0%的二氧化硅粉、2. 0?5. 0%的三氧化二铝粉和2?6%的沉淀硫酸钡粉组成，所述的 百分比均为质量百分比。
2. 如权利要求1所述铁基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述铁粉为FHY200,铁的含 量彡98%，；所述铜粉为FTD1，铜的含量> 99. 8% ;所述锰粉为-100?+300目DJMnD，锰 的含量彡99. 7% ;所述石墨粉为+80目鳞片状，该石墨粉中碳的含量彡99. 99% ;所述二氧 化硅粉为-100?+200目，并且三氧化二铝粉为-100?+250目的煅烧a型；所述碳化硅 粉为-120目绿色碳化硅，含量为SiC彡98%;所述沉淀硫酸钡为粉剂，含量BaS04彡98%。
3. -种制备权利要求1所述铁基粉末冶金摩擦材料的方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，原材料处理：所述原材料处理包括铁粉和铜粉的还原、球磨、烘干和过筛，具体是： 铁粉和铜粉的还原：将铁粉和铜粉分别置于还原炉中，在氢气气氛保护下进行还原，以 消除所述铁粉和铜粉中的氧含量及加工硬化现象；还原温度：铁粉为600?700°C，铜粉为 350?450°C，保温时间均为2?3小时；得到还原后的还原铁粉和铜粉；球磨：将还原合格 的铁粉和铜粉分别放入球磨机中球磨〇. 5?lh ; 烘干：将石墨粉、二硫化钥粉、二氧化硅粉、硫酸钡粉和碳化硅粉分别放入烘箱内，在 120°C?150°C条件下保温2. 5?3. 0h，以除去所述各粉末中的水分； 过筛：将烘干的二氧化硅粉、三氧化二铝粉和碳化硅粉分别过筛，取-100?+200目二 氧化娃粉，取_1〇〇?+250目二氧化二错粉，取-120目碳化娃粉； 步骤2,配料、混料： 按比例称量上述经过处理的原材料；先将称量的铁粉、铜粉和锰粉放入混料机中混合 10?12h，将混合后的铁粉、铜粉和锰粉与称量好的硫酸钡粉、二氧化硅粉、三氧化二铝粉、 碳化硅粉和二硫化钥粉一起放入料盒并搅拌，组成预混合料；在得到的预混合料中加入混 合油并人工搅拌均勻后，装入混料机继续混合3?5h ;加入石墨粉混合7h，得到混合料；混 料机转速为40?45转/分钟； 步骤3,压制： 根据产品的设计要求称量上述混合料，倒入模具中并刮平，采用常规方法在液压机上 冷压成型，得到密度为5. 2?5. 6g/cm3的铁基粉末冶金摩擦材料的压坯；所述冷压成型中， 铁基粉末冶金摩擦材料压坯单位面积承受的压力为400?600MPa ; 步骤4,烧结： 将得到的铁基粉末冶金摩擦材料压坯与摩擦材料的钢背固定组装成为组装件；将各组 装件之间用石墨垫板隔开，重复叠放；将叠放后的组装件装入加压烧结炉中进行烧结；对 所述加压烧结炉在通氢气条件下升温至1010?l〇50°C并保温3. 0?4. 5h，加压至20? 25kg/cm2并保压；烧结结束后，随炉冷却到900°C后；水冷却到60°C以下卸压，出炉，得到铁 基粉末冶金摩擦材料。
4. 一种制备权利要求3所述铁基粉末冶金摩擦材料的方法，其特征在于，所述的混合 油是由1 :1的机油和汽油混合而成，每公斤预混合料加入l〇ml所述的混合油。
【文档编号】B22F1/00GK104399970SQ201410704348
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】李利, 刘联军, 卢宏, 裴广林, 张婧琳 申请人:西安航空制动科技有限公司