專利名稱:金屬基燒結摩擦片制造工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于摩擦材料制造技術領域：
，特別涉及燒結摩擦片制造工藝。
背景技術：
金屬基燒結摩擦材料由于具有強度高、耐磨損、導熱性好，并具有較高的摩擦系數、摩擦系數穩定等特點而成為制造離合器、制動器的關鍵材料，廣泛用于汽車、摩托車、列車、飛機等運輸工具及石油鉆井、風力發電等機械中。在列車車輛制造領域，用于制造制動閘瓦和制動閘片。這類材料以金屬為基體，含有均勻分布的硬質粒子和潤滑粒子。金屬基體的含量對材料的強度和韌性起主導作用，硬質粒子和潤滑粒子均為脆性材料，其含量控制著制品的摩擦系數和磨損量。提高脆性材料的含量，有利于增加摩擦系數、降低磨損量，同時，降低制品的強度和韌性。
隨著制動負荷的增加，如列車速度的提高，載重量增加，對摩擦制動材料性能提出了越來越高的要求，這就要求材料在保證基體強度的同時，進一步提高摩擦系數和降低磨損量。這對摩擦材料的制造工藝提出了更高的要求。
目前國內外傳統的制造工藝為原材料混合、冷壓制成型、壓力燒結成型。壓力燒結成型是將冷壓制成型的毛坯疊放在一起，放入加壓燒結爐中，在保護性氣氛下加壓燒結。由于爐溫分段固定加熱，溫區均勻性不足，造成制品質量難于均勻，同時，燒結壓力調節范圍有限，一般為1-5MPa這個范圍，難于進一步提高制品的密度和使制品有較復雜的形狀。另外，電阻加熱爐升溫、降溫均需要較長時間，這使得每爐的燒結時間約為8-10小時，因此，壓力燒結成型工序生產效率低、能耗大。為提高制品的密度和使制品具有較復雜的形狀，滿足高速列車對高能量制動閘片的制造要求，國際專利WO97/43560采用的制造高速列車制動閘片的工藝為原材料混合、冷壓制成型、第一次燒結、熱鍛成型、第二次燒結。這種工藝可以提高制品密度，允許制品形狀較復雜和尺寸精度好，然而，由于工藝中采用了3次加熱工序，因此，制造時間長，制造成本顯著提高。
發明內容本發明的目的是提出一種金屬基燒結摩擦片制造工藝，工藝簡單，制造效率高、成本低、產品性能優良，尺寸精度高。
本發明為實現上述目的所采用的技術方案是一種金屬基燒結磨擦片制造工藝第一步混合原料粉末混合均勻；第二步冷壓制成型將模具內表面涂潤滑脂，將混合好的粉料及護套或護環置入模具中，在常溫及100-600MPa壓力下，壓制出所需的毛坯；第三步電流直加熱模壓燒結成型將冷壓制成型毛坯置入高強石墨或鋼質模具中，將模具連同毛坯置入爐中，爐內通入氫氣和氮氣，或啟動真空系統，真空度達70mmHg，然后，對毛坯施加電壓3-15V、大電流10-200A，同時，對毛坯施加壓力5-100MPa，燒結溫度750-1500℃，保溫時間為1-30分鐘，隨爐冷卻至100℃出爐。
所述第一步混合將各組份材料按比例加入混合器中進行混合，首先混合密度較大的金屬粉，如銅粉、錫粉、鐵粉和鋁粉等，再加入硬質粒子如Al2O3、SiO2、硬質合金等，最后加入石墨。
所述各種粉末粒子的尺寸小于800μm。在混合時，可混入混合物重量的0.2-1％的輕質油或易揮發性溶劑。
所述第三步電流直加熱模壓燒結成型對毛坯施加壓力，壓力隨毛坯溫度升高而逐漸增加。
所述第三步電流直加熱模壓燒結成型對于銅基燒結材料，燒結溫度為750-1000℃，保溫時間為1-20分鐘；對于鐵基燒結材料，燒結溫度為900-1500℃，保溫時間為2-30分鐘，隨爐冷卻至100℃出爐。
本發明工藝簡單粉末原料混合、冷壓制成型、電流直加熱模壓燒結成型。這種工藝具有如下優點1.基體金屬材料可以是銅基，也可以是鐵基；2.制品在模具內成型，成型壓力調節范圍大，使制品密度高、尺寸精度好、允許形狀復雜，可實現摩擦材料與護套、護環完整結合；3.將低電壓、大電流直接施加在坯料上進行加熱，燒結時間短、效率高、節能效果顯著；4.燒結壓力和燒結溫度可靈活匹配，調節范圍大，可實現半凝固狀態下的壓力燒結，這允許進一步提高脆性粒子的含量，使材料的摩擦磨損性能實現在更大范圍內的調節。本發明尤其適用于制造鐵路車輛制動閘片和風力發電設備制動閘片。制造的閘片在高溫高速制動條件下，具有高的摩擦系數，良好的耐磨性，更適于時速200公里以上的高速列車和大功率風力發電機使用。
圖1是閘片制動塊的制造工序。
圖2是定速摩擦試驗機轉速為200r/min時制動塊的摩擦系數。
圖3是定速摩擦試驗機轉速為500r/min時制動塊的摩擦系數。
圖4是定速摩擦試驗機轉速為2000r/min時制動塊的摩擦系數。
圖5是定速摩擦試驗機轉速為3000r/min時制動塊的摩擦系數。
圖6是1∶1制動試驗臺測試的最高速度為300km/h時制動閘片的瞬時摩擦系數。
具體實施方式結合附圖對本發明進行詳細敘述實施例1各組份重量百分比如下銅粉54％，錫粉6％，鋁粉3％，鐵粉12％，Al2O36％，SiO29％，石墨10％。首先將金屬粉進行混合3-5min，再加入Al2O3和SiO2混合3-5min，最后加入石墨和混合粉重量的0.5％煤油，混合5-10min。
將適合重量的混合粉放入模具中，在500MPa的壓力下壓制5-10秒，取出后成為冷壓制毛坯。
將冷壓制毛坯置入熱模壓模具3中，啟動真空系統，當真空度達70mmHg時，通過上下凸模4、5對毛坯施加3MPa壓力，同時，啟動加熱電流6，加熱時間在2-3min左右，毛坯溫度達到800℃，對毛坯施加50MPa壓力，保溫2min，隨爐冷卻至100℃出爐，制成制動塊。
制得的材料的硬度HB70，密度為5.6g/cm3。在GF150D型定速摩擦試驗機上，比壓為0.6MPa，摩擦轉速為200，500，2000，3000r/min，測得的摩擦系數為0.49(圖2)，0.45(圖3)，0.42(圖4)，0.36(圖5)，磨損量為0.41cm3/MJ。
同樣條件下，采用傳統工藝制造制動塊，將冷壓制毛坯置入鐘罩式加壓燒結爐中，燒結氣氛為氫氣，壓力為3.5MPa，經2-3h加熱，溫度達到800℃，保溫時間為1小時，隨爐冷卻4-6h至100℃出爐，制成制動塊。
制得的材料的硬度HB60，密度為5.0g/mm3。在GF150D型定速摩擦試驗機上，比壓為0.6Mpa，摩擦轉速為200，500，2000，3000r/min，測得的摩擦系數為0.44，0.45，0.39，0.35，磨損量為0.65cm3//MJ。
兩種工藝比較可知，本發明工藝的燒結成型時間遠小于傳統工藝，而制品的密度高于傳統工藝，由于制品的密度高，使耐磨性能明顯提高。
采用本發明制造出了符合國際鐵路聯盟標準的高速列車銅基燒結制動閘片，將制動閘片在1∶1制動試驗臺上進行了最高速度達300km/h測試，測試結果表明，瞬時摩擦系數完全處于國際鐵路聯盟標準的控制范圍內(圖6)，磨損量為0.38cm3/MJ。
實施例2各組份重量百分比如下鐵粉60％，銅粉10％，錫粉5％，鋁粉5％，Al2O35％，SiO25％，石墨10％。首先將金屬粉進行混合3-5min，再加入Al2O3和SiO2混合3-5min，最后加入石墨和混合粉重量的0.5％煤油，混合5-10min。
將適合重量的混合粉放入模具中，在600MPa的壓力下壓制5-10秒，取出后成為冷壓制毛坯。
將冷壓制毛坯置入熱模壓模具3中，啟動真空系統，當真空度達70mmHg時，通過上下凸模4、5對毛坯施加5MPa壓力，同時，啟動加熱電流6，加熱時間在2-3min左右，毛坯溫度達到1000℃，對毛坯施加60MPa壓力，保溫2min，隨爐冷卻至100℃出爐，制成制動塊。
制得的材料的硬度HB210，密度為4.8g/cm3。在GF150D型定速摩擦試驗機上，比壓為0.6MPa，摩擦轉速為200，500，2000，3000r/min，測得的摩擦系數為0.39，0.35，0.32，0.29，磨損量為0.39cm3/MJ。
同樣條件下，采用傳統工藝制造制動塊，將冷壓制毛坯置入鐘罩式加壓燒結爐中，燒結氣氛為氫氣，壓力為3.5MPa，經3-4h加熱，溫度達到1000℃，保溫時間為1.5小時，隨爐冷卻4-6h至100℃出爐，制成制動塊。制得的材料的硬度HB150，密度為4.6g/mm3。在GF150D型定速摩擦試驗機上，比壓為0.6Mpa，摩擦轉速為200，500，2000，3000r/min，測得的摩擦系數為0.34，0.35，0.29，0.28，磨損量為0.45cm3//MJ。
權利要求
1.一種金屬基燒結磨擦片制造工藝，其特征是第一步混合原料粉末混合均勻；第二步冷壓制成型將模具內表面涂潤滑脂，將混合好的粉料及護套或護環置入模具中，在常溫及100-600MPa壓力下，壓制出所需的毛坯；第三步電流直加熱模壓燒結成型將冷壓制成型毛坯置入高強石墨或鋼質模具中，將模具連同毛坯置入爐中，爐內通入氫氣和氮氣，或啟動真空系統，真空度達70mmHg，然后，對毛坯施加電壓3-15V、大電流10-200A，同時，對毛坯施加壓力5-100MPa，燒結溫度750-1500℃，保溫時間為1-30分鐘，隨爐冷卻至100℃出爐。
2.根據權利要求
1所述的一種金屬基燒結磨擦片制造工藝，其特征是第一步混合將各組份材料按比例加入混合器中進行混合，首先混合密度較大的金屬粉，如銅粉、錫粉、鐵粉和鋁粉等，再加入硬質粒子如A12O3、SiO2、硬質合金等，最后加入石墨。
3.根據權利要求
1所述的一種金屬基燒結磨擦片制造工藝，其特征是各種原料粉末粒子的尺寸小于800μm。
4.根據權利要求
1所述的一種金屬基燒結磨擦片制造工藝，其特征是第一步混合可混入混合物重量的0.2-1％的輕質油或易揮發性溶劑。
5.根據權利要求
1所述的一種金屬基燒結磨擦片制造工藝，其特征是第三步電流直加熱模壓燒結成型對毛坯施加壓力，壓力隨毛坯溫度升高而逐漸增加。
6.根據權利要求
1所述的一種金屬基燒結磨擦片制造工藝，其特征是第三步電流直加熱模壓燒結成型對于銅基燒結材料，燒結溫度為750-1000℃，保溫時間為1-20分鐘。
7.根據權利要求
1所述的一種金屬基燒結磨擦片制造工藝，其特征是對于鐵基燒結材料，燒結溫度為900-1500℃，保溫時間為2-30分鐘，隨爐冷卻至100℃出爐。
8.根據權利要求
1-7任一所述的一種金屬基燒結磨擦片制造工藝，其特征是熱壓模具材料為高密度石墨、鋼或石墨與鋼的復合模。
專利摘要
本發明涉及屬于摩擦材料制造技術領域：
，一種金屬基燒結摩擦片制造工藝，金屬基燒結摩擦片由銅、鐵等金屬材料為基體，含有硬質粒子、石墨粒子等摩擦性能調節組分，通過粉末原料混合、冷壓制成型、電流直加熱模壓燒結成型工序制成摩擦塊。由于工藝中采用了電流直加熱模壓燒結成型工序，使制品密度顯著提高，這允許材料中的脆性粒子變化范圍增加，有利于調節制品的摩擦性能和降低磨損量。同時，這種工藝具有制造效率高、成本低、尺寸精度高等優點。因此，是一種制造金屬基燒結摩擦片的好方法。
文檔編號C09K3/14GK1994628SQ200610134186
公開日2007年7月11日 申請日期2006年11月3日
發明者高飛, 宋寶韞, 符蓉 申請人:大連交通大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan