金屬基粉末冶金制動閘片材料及制備方法

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專利名稱：金屬基粉末冶金制動閘片材料及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種摩擦材料，尤其是用于制造高速列車制動閘片的摩擦材料，更具體地說，本發明涉及一種金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料以及制備這種金屬基陶瓷強化粉末冶金制動間片材料的方法。
背景技術：
金屬基粉末冶金材料尤其是鐵、銅基粉末冶金材料廣泛用于各種磨擦磨損零件的重要材料，尤其是銅、鐵基陶瓷強化粉末冶金材料由于具有較高的強度，耐磨損，磨擦系數穩定，導熱性好等特點而成為制造離合器，制動器的關鍵材料，廣泛的用于汽車，摩托車，火車，飛機等運輸工具制造業之中，尤其在高
性能制動材料制造方面，金屬基陶瓷強化粉末冶金材料和c\c復合材料已經成
為目前在國際上應用最為廣泛的材料。其中金屬基陶瓷強化復合材料是由金屬基體以及均勻分布的陶資顆粒和潤滑顆粒組成，金屬基體的強度和含量對于材料的強度和韌性起主要作用，陶瓷顆粒和潤滑顆粒的材料、性質、粒度以及含量控制著材料的摩擦系數和磨損量。
隨著鐵路交通的迅速發展，列車的速度，載重量也迅速增加，對于摩擦制動材料的性能提出了越來越高的要求，需要制動材料在保證強度的同時，保證摩擦系數的穩定，降低磨損量，由于制動功率與列車速度的三次方成正比，因此對于高速列車上使用的制動材料來說，制動時所產生的大量熱就對制動材料的熱傳導性能提出了更高的要求，制動材料的熱傳導性能直接關系到閘片材料的摩擦穩定性，因而傳統樹脂基制動材料在熱傳導性能上的劣勢制約了其在高速列車上的應用，而熱傳導性能更好的金屬基材料也就逐漸代替樹脂基材料成為高速列車制動材料的首選。而由于高速列車越來越廣泛的應用，制動閘片材
料的制造成本也成為一個重要指標。綜合各種因素，金屬基，尤其是銅、鐵、鋁基陶乾強化粉末冶金材料就成為了制造高速列車制動材料的首選。
在銅、鐵基粉末冶金制動摩^"材料及其制造方法方面，國內外均有相關專
利報導
1.中國專利公告號為1149273 ,公告日為2004.05.12,專利號為 01115331.8，發明名稱為"含鋼纖維的金屬陶瓷摩擦材料及制造方法"的發明創造描述了一種摩擦材料及其制造方法，該摩擦材料的組分含量為銅粉和錫粉53-69%,其中銅粉與錫粉比為92: 8,短切鋼纖維10-40%,鐵粉0-10 %，無機氧化物或礦物3-8%,石墨5-12%，二辟d匕鉬0-4%。制造工藝為150-300MPa下成型，在700-92(TC燒結3-8小時，燒結時采用還原性保護氣
4氛，燒結壓力為l-2MPa,隨爐冷卻，取出并機械磨平為成品。
2. 中國專利公開號為CN1032195 ，
公開日為1989.04.05，專利號為 87106352.2，發明名稱為" 一種摩擦片及其制造方法"的發明創造描述了一種摩擦片及其制造方法，該摩擦片材料的組分含量為銅粉45-58 %，錫粉 0.5-2%,鐵粉10-24%,鉬粉2-5%，錳粉0.6-2.5%, 二碌d匕鉬1-3%, 石墨10-12%, 二氧化硅5-10%,碳化硅1: -3%,氧化鋁1-3%。制造工藝為分級混料后在970-IOO(TC燒結溫度下加壓燒結2-4小時。
3. 中國專利公開號為CN1257903，
公開日為2000. 06. 28 ,專利號為 99122593.7,發明名稱為" 一種制動用粉末冶金摩擦材料"的發明創造描述了一種制動用粉末冶金摩擦材料，該摩擦材料的組分含量為銅粉15-30%，錫粉3-7%,銻粉0.5-3%, 二硫化鉬粉1-3%,石墨6-12%,氧化鋁粉 1.5-6%,氧化硅粉1.5-6%,鐵粉余量。制造工藝壓制后在還原行氣氛下在 980-100(TC下燒結2小時。
4. 中國專利公告號為1272454,公告日為2006.08.30，專利號為 03126347. X，發明名稱為" 一種銅基粉末冶金摩擦材料"的發明創造描述了一種摩擦材料及其制造方法，該摩擦材料的組分含量為銅粉40-80%，錫粉 3-10%,鐵粉2-20%，鋁粉2-10%,碳化硅1-3%，四硼化碳1-3%,石墨1-15%，鉛粉》0-10%, 二硫化鉬2-10%。鋇粉5-20%,錳粉0-2 %,鎂粉0-2%，二氟化鈣0_2%。制造工藝為在950-1050。C燒結溫度下加壓燒結1. 5-2小時。
5. 中國專利公告號為100467659,公告日為2009.03.11，專利號為 200610134187. X,發明名稱為" 一種銅基粒子強化摩擦材料"的發明創造描述了一種銅基粒子強化摩擦材料，該摩擦材料的組分含量為銅粉30-70 %，錫粉4-11%,鋁粉1-15%,鐵粉5-18%,氧化鋁2-15%,氧化硅2-15 %，鐵鉻合金0-15%,石墨5-20%。制造工藝為采用鐘罩爐加壓燒結法在還原行氣氛下在780-880。C下燒結40-60分鐘，燒結壓力l-2MPa,或采用電流直加熱模壓燒結成型法在真空條件下在750-90(TC下燒結3-5分鐘，燒結壓力為10-50MPa。
比較已報導的專利可知，這些專利中提及的摩擦材料的制備工藝都是在原始粉末中直接添加陶資顆粒，由于陶瓷顆粒的熔點一般較高，與基體金屬之間的潤濕性也往往不佳，在燒結過程中不易與基體金屬形成有效的冶金結合，因而對于傳統直接添加陶瓷顆粒的方法來說，材料的最終強度往往會隨著陶瓷顆粒的添加而降低，為了保證摩擦材料的強度，就必須采用較高的燒結溫度和一定的燒結壓力，導致生產成本增加，直接增加生產成本，并且限制了陶瓷顆粒的選才奪禾口添力口量。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服傳統方法通過直接添加陶瓷顆粒而摩擦材料的最終強度往往會隨著陶瓷顆粒量的添加而降低和為了保證摩擦材料的強度就必須采用較高的燒結溫度和一定的燒結壓力而導致生產成本增加并且限制了陶乾顆粒組分含量的選擇范圍的問題。提供了一種不通過直接添加陶究顆粒
而是在燒結過程中形成TiC的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料。同時也提供了二種制備這種金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料的方法。
為解決上述技術問題，本發明是采用如下技術方案金屬基粉末冶金制動閘片材料由按重量百分比計算的組分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%組成。
技術方案中所述的金屬基粉末冶金制動閘片材料由按重量百分比計算的組分Cu-Sn才幾械合金粉10-80°/。、 Ti-C機械活化粉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°/ 組成；所述的 Cu-Sn機械合金粉是由按照重量百分比Sn粉占6-10%的Cu粉與Sn粉預先經過機械合金化制成的Cu-Sn機械合金粉。Ti-C機械活化粉是由按照重量百分比為 2: l至8: 1的Ti粉和石墨預先經過機械活化制成高活度的并在燒結過程中形成T i C的T i -C機械活化粉。
一種制備金屬基粉末冶金制動閘片材料的方法，該方法包括以下步驟
1. 將按照重量百分比Sn粉含量為6-10%的Cu粉與Sn粉在球磨機里采用球磨的方式經過機械合金化制成Cu-Sn機械合金粉，球磨機轉速為200-500轉/ 分鐘，5求磨時間5-20小時，3求料比20: 1。
2. 將按照重量比為2: 1至8: 1的Ti粉與石墨在球磨機里采用球磨的方式經過機械活化制成高活度的在燒結過程中會形成TiC的Ti-C機械活化粉，球磨機轉速為200-500轉/分鐘，球磨時間3-15小時，球料比20: 1。
3. 將按重量百分比計算的組分Cu-Sn機械合金粉10-80°/。、 Ti-C機械活化粉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%裝入球磨機里混^分1-2小時，球磨^/L轉速為100-200轉/分。
4. 將在第3步驟中混合后的粉末進行冷壓，采用300-900MPa的壓制壓力，冷壓G. 5-2分鐘制成冷壓坯。
5. 在燒結氣氛為真空、還原性氣氛、惰性氣氛或覆蓋石墨還原性粉末的條件下，將冷壓坯在0-4MPa的壓力下燒結0. 5-3小時，燒結溫度為780-U30。C。
第二種制備權金屬基粉末冶金制動閘片材料的方法，該方法包括以下步驟 1.將按照重量百分比Sn粉含量為6%-10%的Cu粉和Sn粉在球磨機里采用3求磨的方式經過機械合金化形成Cu-Sn機械合金粉，球磨才幾轉速為200-500
6轉/分，球磨時間為5-20小時，球料比20: 1。
2. 將按照重量比為2: 1至8: 1的Ti粉與石墨在球磨機里采用球磨的方式經過機械活化制成高活度的在燒結過程中會形成TiC的Ti-C機械活化粉，球磨機轉速為200-500轉/分，J求磨時間為3-15小時，球料比20: 1。
3. 將按重量百分比計算的組分Cu-Sn機械合金粉10-80%、 Fe粉2-65%、 Ni粉0-10%、 Cr粉0-12%、 Ti-C機械活化粉1.25-15%、人1203粉2-8°/。和石墨7. 75-23%裝入球磨機里混粉0. 5-IO小時，球磨機轉速為200-500轉/分。
4. 采用放電等離子燒結方法對經過第3步驟的混合粉末在放電等離子燒結設備上進行燒結，燒結模具采用石墨模具，燒結溫度為450-980°C，升溫速度為50-30(TC/分，燒結壓力5-75Mpa，保溫時間1-20分鐘，制成粉末冶金制動閘片材料的壓坯。
與現有技術相比本發明的有益效果是
1. 本發明所述的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料及制備方法與同類材料和方法相比具有顯著的特點，除材料性能方面優良外，材料成分簡單，不存在如鉛，石棉等有害健康的成分，有利于環境保護。
2. 在第一種方法中，由Ti與C所形成的TiC陶瓷顆粒是在燒結過程中原位生成的，燒結過程中在局部發生的Ti+C —TiC的反應可以釋;^丈大量的熱量，能夠在極短的時間內使反應區域附近的組分迅速熔化，而又由于經機械活化的 Ti-C機械活化粉非常細小，反應區域也非常小，雖然反應過程非常劇烈，但是反應所釋放的熱量也迅速向周圍傳遞，熔化的組分也迅速凝固，因此可以在基體與TiC陶資顆粒之間形成良好的冶金結合。在第二種方法中，由于采用具有活化作用的放電等離子燒結(SPS)方法進行燒結，因此可以得到強度密度高，組織均勻的摩擦材料，由于此種方法在燒結過程中能夠在金屬基體和陶瓷顆粒形成良好的界面結合，在磨損過程中能夠迅速的形成三體磨損狀況并有效地減少陶瓷顆粒的脫落，穩定材料的摩擦系數，從而有效地減小材料的磨損率，提高材料的使用壽命。
3. 本發明所述金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料及制備方法可以有效解決現有工藝中材料強度隨著陶瓷顆粒添加而降低的問題，同時可以在很大程度上擴大陶瓷組分含量的選擇范圍。由于本專利中所提出的第一種方法不依靠提高燒結溫和燒結壓力來保證組分之間的冶金結合，并保證動閘片材料的強度。因此，第一種方法可以有效地降低燒結溫度和燒結壓力，降低生產成本。本發明提出第二種方法可以進一步調控材料成份，調整材料的摩擦系數和強度，制備出適合各種條件下使用的制動閘片材料。
4. 在本發明所述的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料及制備方法中的摩擦材料在摩擦磨損過程中超細的陶瓷顆粒可以在摩擦磨損過程中迅速在其他陶瓷顆粒釘扎位置處形成磨損中的第三體，而這種三體磨損可以有效的降低材
料的磨損率，保證摩擦系數的穩定性；金屬基體既可以快速傳導制動所產生的熱量，又能夠耐受制動過程中所產生的高溫，從而滿足高速摩擦條件對于摩擦系數，磨損量，以及高溫耐受性的要求，更適合制造時速250-300公里高速列車制動閘片。

下面結合附圖對本發明作進一步的說明
圖1為本發明所述的金屬基粉末冶金制動閘片材料及其制備方法中經過機械活化后的Ti-C機械活化粉的X射線衍射圖鐠。
圖2為本發明所述的金屬基粉末冶金制動閘片材料及其制備方法中經過機械合金化后的Cu-Sn機械合金粉的X射線衍射圖譜。
圖3為本發明所述的金屬基粉末冶金制動閘片材料及其制備方法中采用第一種方法即實施例1當Ti-C機械活化粉含量為10%時所提供的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料顯微組織的圖片。
圖4為本發明所述的金屬基粉末冶金制動閘片材料及其制備方法中采用第一種方法即實施例5當Ti-C機械活化粉含量為1. 25%時所提供的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料顯微組織的圖片。
圖5為本發明所述的金屬基粉末冶金制動閘片材料及其制備方法中采用第二種方法即實施例7當Ti-C機械活化粉含量為15%時所提供的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料顯微組織的圖片。
圖6為本發明所述的金屬基粉末冶金制動閘片材料及其制備方法中實施例 1至實施例7所提供的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料在不同比壓下的摩擦系數測試結果曲線圖。
圖7為制備本發明所述的金屬基粉末冶金制動閘片材料的第一種方法的工藝流程框圖。
圖8為制備本發明所述的金屬基粉末冶金制動閘片材料的第二種方法的工藝流程框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作詳細的描述
本發明的目的是克服傳統方法通過直接添加陶瓷顆粒而摩擦材料的最終強度往往會隨著陶瓷顆粒的添加而降低和為了保證摩擦材料的強度就必須采用較高的燒結溫度和一定的燒結壓力而導致生產成本增加并且限制了陶瓷顆粒的選擇和添加量的問題，提供一種新的金屬基陶資強化粉末冶金制動閘片材料。制造制動閘片材料時不通過直接添加陶瓷顆粒而是設計一組包括Ti粉和石墨的粉末冶金組分，Ti粉和石墨在燒結過程中能夠自然形成我們所需要的TiC。同
8時此種制動閘片材料的成分簡單，無有害成分，燒結溫度較低，時間短，燒結設備簡單，可實現低壓或者無壓燒結，制成材料強度大，耐疲勞，具有穩定的摩擦系數和低磨損率。本發明也提供了二種制備這種金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料的方法。
本發明為了實現上述目的所提供的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料
由Cu、 Sn、 Fe、 Ni、 Cr, Ti、 A1A以及石墨組成。各組分按照重量百分比計算的含量為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%。
為得到具有穩定的摩擦系數和低磨損率的制動閘片材料，在選定(設計) 的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動間片材料組分含量(配方)的基礎上，或者說在各組分混合和制成冷壓坯以前，首先要做兩項工作
1. 制備Cu-Sn機械合金粉
將Cu粉與Sn粉在球磨機中進行混合，即將按照重量百分比Sn粉的含量為 6%-10%， Cu粉含量為90%-94%放在球磨機中進行混合，球磨機的轉速為 200-500轉/分，球磨時間為5-20小時，球料比20: 1,制成所需要的Cu-Sn 機械合金粉。
2. 制備Ti-C機械活化粉
將Ti粉與石墨粉(C)在球磨機中進行混合，即將按重量百分比為2: l至 8: 1的Ti粉和石墨粉放在球磨機中進行混合，球磨機的轉速為200-500轉/分，球磨時間為3-15小時，球料比20: 1，制成高活度的并在以后的燒結過程中形成TiC的Ti-C機械活化粉。
將制成的Cu-Sn機械合金粉和Ti-C機械活化粉各作為一個組分的話，那么，金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料也可以被描述成由按重量百分比計算的組分Cu-Sn機械合金粉10-80°/。、 Ti-C機械活化粉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°/。組成。然后，將 Cu-Sn才幾械合金粉10-80°/。、 Ti-C機械活化粉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。/。裝入球磨機中混粉、冷壓制成冷壓坯、將冷壓坯燒結和打磨，最終制成應用在車輛上特別是高速列車上的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料。
本發明所提供的二種制備這種金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料的方法，是采用機械活化、機械合金化與傳統粉末冶金或放電等離子燒結(SPS)方法相結合的工藝方法。
參閱圖7,第一種方法主要步驟包括機械活化-機械合金化-原料混合-壓制 -燒結等工序
選取(設計)制動閘片材料各組分按照重量百分比計算的含量為Cu粉10-70%, Fe粉2—65%, Sn壽分1-10%， Ni粉0—10%, Cr奇分0-12°/。， Ti粉 1-12%, Ah03粉:2-8%,石墨8-25%。在此基礎上
1. 采用在球磨機中進行球磨的方式對按照重量比Sn含量為6%-10% (Cu 含量為90%-94% )的Cu和Sn混合粉末進行才幾械合金化，合金化過程中球磨機的轉速為200-500轉/分，J求磨時間為5-20小時，球料比20: 1。
2. 釆用在球磨機中進行球磨的方式對按照重量比為2: l至8: 1的Ti粉和石墨進行活化并形成高活度的在燒結過程中能夠自然形成TiC的Ti-C機械活化粉，所述的球磨機的球磨速度為200-500轉/分，球磨時間為3-15小時，球料比20: 1。
3. 將粉末冶金制動閘片材料按重量百分比計算的組分Cu-Sn機械合金粉 10-80%、 Fe粉2-65°/。、 Ni 4分0-10%、 Cr粉0-12°/。、 Ti-C才幾械活化粉1. 25-15°/。、人1203粉2-8%和石墨7. 75-23°/。裝入球磨機中混粉1-2小時，所述的球磨速度為100-200轉/分；
4. 對粉末冶金制動閘片材料按重量百分比混合的粉末進行冷壓，壓制壓力范圍為300-900MPa，冷壓0. 5-2分鐘，制成冷壓坯；
5. 將冷壓坯在燒結溫度為780-1130°C，燒結壓力為0-4MPa,燒結時間(保溫時間)為0.5-3小時，燒結氣氛為真空、還原性氣氛、惰性氣氛或覆蓋石墨等還原性粉末。
6. 對燒結后的粉末冶金制動閘片材料進行打磨以去除材料表面的氧化皮，最終制成金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料。粉末冶金制動閘片材料典型顯微組織如圖3所示。
參閱圖8，第二種方法主要步驟包括機械活化-機械合金化-原料混合-利用放電等離子方法燒結等工序。第二種方法升溫速度快，通過具有活化作用的放電等離子燒結(SPS)可以有效地改善金屬基體與陶瓷強化顆粒之間的界面結合。這種方法和第一種方法一樣能夠得到強度較大，耐疲勞，具有穩定的摩擦系數和低磨損率的粉末冶金制動閘片材料。
第二種方法主要步驟
同樣選取(設計)制動閘片材料各組分按照重量百分比計算的含量為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°/。。在此基礎上
1. 采用在球磨機中進行球磨的方式對按照重量百分比Sn含量為6%-10% (Cu含量為90 % -94 % )的Cu粉和Sn粉進行機械合金化，合金化過程中球磨
機的轉速為200-500為轉/分，球磨時間為5-20小時，球料比20: 1。
2. 采用在球磨機中進行球磨的方式對按照重量百分比為2: 1至8: 1的Ti 粉和石墨進行活化并形成高活度的在燒結過程中能夠形成TiC的Ti-C機械活化粉，球磨機的轉速為200-500轉/分，球磨時間為3-15小時，球料比20: 1。
3. 將粉末冶金制動閘片材料按重量百分比計算的組分Cu-Sn機械合金粉 10-80%、 Fe粉:2-65°/。、 Ni粉0-10%、 Cr粉0-12%、 Ti-C機械活化粉:1. 25-15%、入1203粉:2-8%和石墨:7. 75-23%裝入球磨機中混粉0. 5-10小時,球磨機的轉速為200-500轉/分。
4. 采用放電等離子燒結方法對經過第3步驟的混合粉末在放電等離子燒結設備上進行燒結，燒結模具采用石墨模具，燒結溫度范圍為450-980°C,升溫速度為50-30(TC/分，燒結壓力5-75Mpa,保溫時間1-20分鐘，制成粉末冶金
制動閘片材料的壓坯。
5. 對燒結后的粉末冶金制動閘片材料的壓坯進行打磨以去除材料表面的氧化皮，最終制成金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料。
采用第二種方法制成的粉末冶金制動閘片材料的典型顯微組織如圖5所示。
下面結合具體實施例對本發明所述的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料及制備方法作進一步地說明實施例1
1. 本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分含量為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. 參閱圖1,將重量比為4: 1的Ti粉和石墨即8 %的Ti粉與2 %的石墨在臥式行星式球磨機里進行機械活化，速度為500轉/分，活化時間為IO小時，制成Ti-C機械活化粉10%。圖中表示的是制成的Ti-C機械活化粉的典型X射線衍射圖譜。
3. 參閱圖2，將重量比為9: 1的Cu粉和Sn粉即54 %的Cu粉和6 %的Sn 粉在臥式行星式5求磨機里進行機械合金化，速度為500轉/分，活化時間為10 小時，制成Cu-Sn機械合金粉60°/。。圖中表示的是制成的Cu-Sn機械合金粉的典型X射線衍射圖譜。
制成10%的Ti-C機械活化粉和60°/。的Cu-Sn機械合金粉后，本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分含量變為Cu-Sn機械合金粉60%、 Ti-C機械活化粉10°/。、石墨19%、人1203粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1。/。和Cr粉1 %。
4. 將Cu-Sn機械合金粉60°/。、 Ti-C機械活化粉10%、石墨19%、 A1203: 6%、 Fe粉3%、 Ni粉1。/。和Cr粉1 %裝入球磨機中混粉2小時，轉速為 200轉/分。
5. 將混合后的粉末放入冷壓模具中，在800MPa壓力下壓制1分鐘，制成冷壓毛坯。
6.將冷壓毛坯放入燒結爐內，燒結壓力為零，使用石墨和氧化鋁粉末覆蓋
并在830。C下燒結1小時，冷卻后加以修整。
參閱圖3與圖6,圖3是采用第一種方法并當Ti-C機械活化粉含量為10% 時制得的制動閘片材料顯微組織的圖片，制動閘片材料硬度為Hv90，密度為 4. 56g/cm^在GG-2000型摩擦磨損試驗機上對制得的制動閘片材料進行摩4察磨損試驗，測得在不同比壓下本發明所述的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料的摩^^系數為0.41-0.48,如圖6中第1條曲線所示，平均磨損量為 0. 16-0. 21cm3/MJ。
實施例2
1. 本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分含量為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. 將重量比為8: 1的Ti粉和石墨即8 %的Ti粉與1 %的石墨在臥式行星式球磨機里進行機械活化，速度為500轉/分，活化時間為10小時，制成Ti-C 機械活化粉9%。
3. 將重量比為9: 1的Cu粉和Sn粉即54 %的Cu粉和6 %的Sn粉在臥式行星式球磨機里進行機械合金化，速度為500轉/分，活化時間為10小時，制成Cu-Sn機械合金粉60%。
制成9°/。的Ti-C機械活化粉和60%的Cu-Sn機械合金粉后，本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分含量變為Cu-Sn機械合金粉60%、 Ti-C機械活化粉9%、石墨20%、 Al"3粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1°/。和Cr粉1°/。。
4. 將Cu-Sn機械合金粉60%、 Ti-C機械活化粉9°/。、石墨20%、 A1203 粉6、 Fe粉3%、 Ni粉1°/。和Cr粉1°/。裝入球磨機中混粉2小時，轉速為 200轉/分。
5. 將混合后的粉末放入冷壓模具中，在800MPa壓力下壓制l分鐘，制成冷壓毛坯。
6. 將冷壓毛坯放入燒結爐內，燒結壓力為零，使用石墨和氧化鋁粉末覆蓋并在830。C下燒結1小時，冷卻后加以〗務整。
參閱圖6，采用第一種方法并當Ti-C機械活化粉含量為9%時制得的制動閘片材料硬度為Hv78，密度為4. 56g/cm3，在GG-2000型摩擦磨損試驗機上對制得的制動閘片材料進行摩擦磨損試驗，測得在不同比壓下本發明所述的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料的摩擦系數為0. 29-0. 4,如圖6中第2條曲線所示，平均磨損量為0. 28-0. 33cmVMJ。
實施例31. 本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分含量為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. 將重量比為6: 1的Ti粉和石墨即8 %的Ti粉與1. 33 %的石墨在臥式行星式球磨機里進行機械活化，速度為500轉/分，活化時間為10小時，制成 Ti-C機械活化粉9. 33°/。。
3. 將重量比為9: 1的Cu粉和Sn粉即54 %的Cu粉和6 %的Sn粉在臥式行星式球磨機里進行機械合金化，速度為500轉/分，活化時間為10小時，制成 Cu-Sn機械合金粉60%。
制成9. 33%的Ti-C機械活化粉和60%的Cu-Sn機械合金粉后，本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分含量變為Cu-Sn機械合金粉60%、 Ti-C 機械活化粉9.33%、石墨19.67%、人1203粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1% 和Cr粉1%。
4. 將Cu-Sn機械合金粉60%、 Ti-C機械活化粉9.33%、石墨19.67%、人1203粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1%和Cr粉1°/。裝入球磨機中混粉2小時，轉速為200轉/分。
5. 將混合后的粉末放入冷壓模具中，在800MPa壓力下壓制1分鐘，制成冷壓毛坯。
6. 將冷壓毛坯放入燒結爐內，燒結壓力為零，使用石墨和氧化鋁粉末覆蓋并在83(TC下燒結1小時，冷卻后加以修整。
參閱圖6，采用第一種方法并當Ti-C機械活化粉含量為9. 33%時制得的制動閘片材料硬度為Hv86,密度為4. 56g/cn^，在GG-2000型摩擦磨損試驗機上對制得的制動閘片材料進行摩擦磨損試驗，測得在不同比壓下本發明所述的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料的摩擦系數為0.33-0.45,如圖6中第3條曲線所示，平均磨損量為0. 25-0. 31cmVMJ。
實施例4
1. 本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分含量為Cu粉54%、 Sn壽分6% 、石墨21%、 Fe粉3%、 Ti粉8%、八1203粉6%、 Ni粉1 0/o和Cr粉1%。
2. 將重量比為2: 1的Ti粉和石墨即8 %的Ti粉與4 %的石墨在臥式行星式球磨機里進行機械活化，速度為500轉/分，活化時間為10小時，制成Ti-C 機械活化粉12%。
3. 將重量比為9: 1的Cu粉和Sn粉即54 %的Cu粉和6 %的Sn粉在臥式行星式球磨機里進行機械合金化，速度為500轉/分，活化時間為10小時，制成Cu-Sn才幾械合金粉6 0% 。
13制成12°/。的Ti-C機械活化粉和60°/。的Cu-Sn機械合金粉后，本發明所述的制動間片材料按重量百分比各組分含量變為Cu-Sn合金粉60%、 Ti-C機械活化粉12%、石墨粉17%、 A1A粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉l°/。、 Cr粉 1%。
4. 將Cu-Sn機械合金粉60%、 Ti-C機械活化粉12%、石墨粉17%、人1203粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1%、 Cr粉1°/。裝入球磨機中混粉2小時，轉速為200轉/分。
5. 將混合后的粉末放入冷壓模具中，在800MPa壓力下壓制1分鐘，制成為冷壓毛坯。
6. 將冷壓毛坯放入燒結爐內，燒結壓力為零，使用石墨和氧化鋁粉末覆蓋并在830。C下燒結1小時，冷卻后加以》務整。
參閱圖6,采用第一種方法并當Ti-C機械活化粉含量為12%時制得的制動閘片材料硬度為Hv94，密度為4. 56g/cm3,在GG-2000型摩擦磨損試驗機上對制得的制動閘片材料進行摩擦磨損試驗，測得在不同比壓下本發明所述的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料的摩擦系數為0. 41-0. 5,如圖6中第4條曲線所示，平均磨損量為0. 14-0. 26cm7MJ。
實施例5
1. 本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分含量為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. 將重量比為4: 1的即1%的Ti粉和0. 25°/。的石墨在臥式行星式球磨機里進行機械活化，速度為500轉/分，活化時間為10小時，制成Ti-C機械活化粉 1. 25°/。。
3. 將重量比為9: 1的即60. 3%的Cu粉和6. 7%的Sn粉在臥式行星式球磨機里進行機械合金化，速度為500轉/分，活化時間為10小時，制成Cu-Sn機械合金粉67%。
制成1. 25%的Ti-C機械活化粉和67%的Cu-Sn機械合金粉后，本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分含量變為Cu-Sn合金粉67%、 Ti-C機械活化粉1.25%、石墨粉20.75 %、 Al2034》6%、 Fe 4分3%、 Ni粉1%、 Cr粉1%。
4. 將Cu-Sn合金粉67%、 Ti-C機械活化粉1.25%、石墨粉20.75 %、人1203粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1%、 Cr粉1°/。裝入球磨機中混粉2小時，轉速為200轉/分。
5. 將混合后的粉末放入冷壓模具中，在80畫Pa壓力下壓制1分鐘，制成為冷壓毛坯。6.將冷壓毛坯放入燒結爐內，燒結壓力為零，使用石墨和氧化鋁粉末覆蓋
并在830。C下燒結1小時，冷卻后加以修整。
參閱圖4與圖6,圖4是采用第一種方法并當Ti-C機械活化粉含量為1.25% 時制得的制動閘片材料顯微組織的圖片，制得的制動閘片材料硬度為Hv86,密度為4. 56g/cm^在GG-2000型摩擦磨損試驗機上對制得的制動閘片材料進行摩擦磨損試驗，測得在不同不同比壓下本發明所述的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料的摩擦系數為0.27-0.39,如圖6中第5條曲線所示，平均磨損量為0. 58-0. 67cmVMJ。
實施例6
1. 本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分含量為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. 將重量比為4: 1的即4%的Ti粉和1°/。的石墨在臥式行星式球磨機里進行機械活化，速度為500轉/分，活化時間為IO小時，制成Ti-C機械活化粉5%。
3. 將重量比為9: 1的即57. 6%的Cu粉和6. 4°/。的Sn粉在臥式行星式球磨機里進行機械合金化，速度為為500轉/分，活化時間為IO小時，制成Cu-Sn 機械合金粉64%。
制成5°/。的Ti-C機械活化粉和64%的Cu-Sn機械合金粉后，本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分含量變為Cu-Sn合金粉64%、 Ti-C機械活化粉5%、石墨粉20%、人1203粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1%、 Cr粉1%。
4. 將Cu-Sn合金粉64。/。、 Ti-C機械活化粉5%、石墨粉20%、 A1203 粉6%、 Fe粉3%、 Ni粉1%、 Cr粉1°/。裝入球磨機中混粉2小時，轉速為200轉/分。
5. 將混合后的粉末放入冷壓才莫具中，在800MPa壓力下壓制1分鐘，制成為冷壓毛坯。
6. 將冷壓毛坯放入燒結爐內，燒結壓力為零，使用石墨和氧化鋁粉末覆蓋并在830。C下燒結1小時，冷卻后加以纟f整。
參閱圖6,采用第一種方法并當Ti-C機械活化粉含量為5%時制得的制動閘片材料硬度為Hv86,密度為4. 56g/cm3，在GG-2000型摩擦磨損試驗機上對制得的制動間片材料進行摩擦磨損試驗，測得在不同比壓下本發明所述的金屬基陶瓷強化粉末冶金制動閘片材料的摩擦系數為0.27-0.42,如圖6中第6條曲線所示，平均磨損量為0. 27-0. 42cmVMJ。
實施例7
l.本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分含量為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. 將重量比為4: 1的Ti粉和石墨即12 %的Ti粉與3 %的石墨在臥式行星式球磨機里進行機械活化，速度為500轉/分，活化時間為10小時，制成Ti-C 機械活化粉15%。
3. 將重量比為9: 1的50. 4 %的Cu粉和5. 6 %的Sn粉在臥式行星式球磨機里進行機械合金化，速度為500轉/分，活化時間為10小時，制成Cu-Sn機械合金粉56%。
制成10%的Ti-C機械活化粉和56%的Cu-Sn機械合金粉后，本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分含量變為Cu-Sn合金粉56%、 Ti-C機械活化粉15%、石墨19%、人1203粉6%、 Fe粉2%、 Ni粉1%、 Cr粉1%。
4. 將Cu-Sn合金粉56%、 Ti-C機械活化粉15%、石墨19%、 Al力3粉: 6%、 Fe粉2%、 Ni粉1%、 Cr粉1%裝入臥式行星式球磨機里進行混粉，球磨速度為500轉/分，球磨時間為5小時。
5. 將混粉后的粉末在;^丈電等離子燒結設備上進行燒結，燒結溫度為800°C，升溫速度60。C/分，燒結壓力30MPa,保溫時間3分鐘，冷卻后加以修整。
參閱圖5與圖6,圖5是采用第二種方法并當Ti-C機械活化粉含量為15% 時制得的制動閘片材料顯微組織的圖片，制動閘片材料硬度為Hvl40-160,密度為5. 37g/cn^在GG-2000型摩擦磨損試驗機上對制得的制動閘片材料進行摩擦磨損試驗，測得在不同比壓下本發明所述的金屬基陶t:強化粉末冶金制動閘片材料的摩擦系數為0.32-0.36,如圖6中第7條曲線所示，平均磨損量為 0. 06-0. llcm3/MJ。
實施例8
1. 本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分的含量為Cu粉9%、 Sn并分1%、石墨22%、 Fe凈分51%、丁i壽分8%、 Ni 4分1%、 Cr凈分1%、人1203粉7%。
2. 將重量比為4: 1的Ti粉和石墨即8 %的Ti與2 %的石墨在臥式行星式球磨機上進行機械活化，速度為500轉/分，活化時間為10小時，制成Ti-C機械活化粉10%。
3. 將重量比為9: 1的即9 % Cu粉和1 % Sn粉在臥式行星式球磨機上進行機械合金化，速度為500轉/分，活化時間為10小時，制成Cu-Sn機械合金粉 10%。
制成10%的Ti-C機械活化粉和10%的Cu-Sn機械合金粉后，本發明所述的制動閘片材料按重量百分比各組分含量變為Cu-Sn機械合金粉10%、 Ti-C機械活化粉10%、石墨20°/" A1203: 7 %、 Fe: 51%、 Ni粉1。/。和Cr粉1 % 。
4. 將Cu-Sn斗幾械合金4分10%、 Ti-C機械活化斗分10%、石墨20%、 A1203:7%、 Fe: 51%、 Ni粉1。/。和Cr粉1 %裝入球磨機中混粉2小時，轉速為200 轉/分。
5. 將混合后的粉末放入冷壓^^具中，在800MPa壓力下壓制1分鐘，制成為冷壓毛坯。
6. 將冷壓毛坯放入燒結爐內，燒結壓力為零，使用石墨和氧化鋁粉末覆蓋并在1030。C下燒結1小時，冷卻后加以修整。
權利要求
1.一種金屬基粉末冶金制動閘片材料，其特征在于，金屬基粉末冶金制動閘片材料由按重量百分比計算的組分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％組成。
2. 按照權利要求1所述的金屬基粉末冶金制動閘片材料，其特征在于，金屬基粉末冶金制動閘片材料由按重量百分比計算的組分Cu-Sn機械合金粉 10-80%、 Ti-C才幾械活化粉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°/。組成。
3. 按照權利要求2所述的金屬基粉末冶金制動閘片材料，其特征在于，所述的Cu-Sn機械合金粉是由按照重量百分比Sn粉占6-10°/。的Cu粉與Sn粉預先經過機械合金化制成的Cu-Sn機械合金粉；Ti-C機械活化粉是由按照重量百分比為2: 1至8: 1的Ti粉和石墨預先經過機械活化制成高活度的并在燒結過程中形成TiC的Ti-C機械活化粉。
4. 一種制備權利要求l所述的金屬基粉末冶金制動閘片材料的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1)將按照重量百分比Sn粉含量為6-10%的Cu粉與Sn粉在球磨機里采用球磨的方式經過機械合金化制成Cu-Sn機械合金粉，球磨機轉速為200-500轉/ 分鐘，球磨時間5-20小時，球4牛比20: 1;2)將按照重量比為2: 1至8: 1的Ti粉與石墨在球磨機里采用球磨的方式經過機械活化制成高活度的在燒結過程中會形成TiC的Ti-C機械活化粉，球磨機轉速為200-500轉/分鐘，球磨時間3-15小時，球料比20: 1;3) 將按重量百分比計算的組分Cu-Sn機械合金粉10-80%、 Ti-C機械活化粉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°/。裝入球磨機里混粉1-2小時，球磨機轉速為100-200轉/分；4) 將在第3)步驟中混合后的粉末進行冷壓，采用300-900MPa的壓制壓力，冷壓0. 5-2分鐘制成冷壓坯；5) 在燒結氣氛為真空、還原性氣氛、惰性氣氛或覆蓋石墨還原性粉末的條件下，將冷壓坯在0-4MPa的壓力下燒結0. 5-3小時，燒結溫度為780-113(TC。
5. 第二種制備權利要求l所述的金屬基粉末冶金制動閘片材料的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1)將按照重量百分比Sn粉含量為6 % -10 %的Cu粉和Sn粉在球磨機里采用王求磨的方式經過才幾械合金化形成Cu-Sn機械合金粉，^求磨機轉速為200-500 轉/分，球磨時間為5-20小時，球料比20: 1;2)將按照重量比為2: 1至8: 1的Ti粉與石墨在球磨機里采用球磨的方式經過機械活化制成高活度的在燒結過程中會形成TiC的Ti-C機械活化粉，球磨機轉速為200-500轉/分，球磨時間為3-15小時，球料比20: 1;3) 將按重量百分比計算的組分Cu-Sn機械合金粉10-80%、 Fe粉2-65%、 Ni斗分0-10%、 Cr 4分0-12%、 Ti-C機械活化粉1.25-15%、 A1A粉2-8%和石墨7. 75-23%裝入5求磨機里混粉0. 5-10小時，球磨機轉速為200-500轉/分；4) 釆用放電等離子燒結方法對經過第3)步驟的混合粉末在放電等離子燒結設備上進行燒結，燒結模具采用石墨模具，燒結溫度為450-98(TC,升溫速度為50-300。C/分，燒結壓力5-75Mpa,保溫時間1-20分鐘，制成粉末冶金制動閘片材料的壓坯。
全文摘要
本發明公開了金屬基粉末冶金制動閘片材料及制備方法。旨在克服現有技術生產粉末冶金制動閘片材料時材料強度隨著陶瓷顆粒添加而降低等問題。該材料由按重量百分比的組分Cu-Sn機械合金粉 10-80％、Ti-C 機械活化粉1.25-15％、Fe粉 2-65％、Ni粉 0-10％、Cr粉 0-12％、Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>粉 2-8％和石墨 7.75-23％組成。其中Cu-Sn機械合金粉由Sn粉占6-10％的Cu粉與Sn粉預先經過機械合金化制成；Ti-C機械活化粉由2∶1至8∶1的Ti粉和C粉預先經過機械活化制成，并在燒結時形成TiC。本發明還提供了二種采用機械活化、機械合金化與傳統粉末冶金或放電等離子燒結方法相結合的制備方法。
文檔編號C22C1/05GK101602105SQ20091006724
公開日2009年12月16日申請日期2009年7月7日優先權日2009年7月7日
發明者劉勇兵, 健莊, 曹占義申請人:吉林大學

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