一种高耐磨铜基摩擦复合材料及其制备方法.pdf

本发明涉及一种适用于制造铁路车辆制动闸片的高耐磨铜基摩擦复合材料及其制备方法，属于摩擦材料技术领域。其原料包括Cu、Fe、Cr、ZTA复合陶瓷、MoS2及石墨粉末，其重量百分比构成如下：Cu：45～60%、Fe：15～25%、Cr：5～10%、ZTA复合陶瓷：2～10%、MoS2：0.5～2%、石墨：10～20%。本发明采用粉末冶金方法高真空烧结成形高耐磨铜基摩擦复合材料，该材料具有强度高、硬度大，在高速、高温条件下，具有摩擦系数高、抗磨损能力强、稳定性好、导热性高、寿命长等优点，适合于制造高速列车制动闸片。

权利要求书
1.  一种高耐磨铜基摩擦复合材料，其特征在于由如下重量百分比的成分混合制成：Cu粉：45～60%、Fe粉：15～25%、Cr粉：5～10%、ZTA复合陶瓷粉：2～10%、MoS2粉：0.5～2%、石墨粉：10～20%，其中Cu粉、Fe粉、Cr粉的纯度大于99.0%，粒度小于75μm；ZTA复合陶瓷粉的纯度大于99.0%，粒度为75～150μm；MoS2粉和石墨粉的纯度大于99.5%，粒度小于75μm。

2.  根据权利要求1所述的高耐磨铜基摩擦复合材料，其特征在于上述各组成成分的重量百分比为：Cu粉：48～53%、Fe粉：18～22%、Cr粉：6～8%、ZTA复合陶瓷粉:4～8%、MoS2粉: 0.8～1.8%、石墨粉：12～18%。

3.  根据权利要求2所述的高耐磨铜基摩擦复合材料，其特征在于上述各组成成分的重量百分比为：Cu粉：50%、Fe粉：20%、Cr粉：7%、ZTA复合陶瓷粉:7%、MoS2粉:1%、石墨粉：15%。

4.  一种高耐磨铜基摩擦复合材料的制备方法，该方法采用粉末冶金的方式制备如前述任一权利要求所述的高耐磨铜基摩擦复合材料，其特征在于包括以下步骤：
1）称料：按重量百分比配比称量Cu粉、Fe粉、Cr粉、ZTA复合陶瓷粉、MoS2粉和石墨粉；
2）混料：将配好的料经高速搅拌机混合至均匀；
3）压制：将混合均匀的原料放入模具中进行压制成压坯，压力为650～850MPa；
4）真空加压烧结：将压坯固定在支撑钢背上，放入真空烧结炉中进行烧结，真空度为0.1～10Pa，烧结温度为750～900℃，施加压力为1～3MPa，保温时间2～4小时，得到高耐磨铜基摩擦复合材料。

说明书一种高耐磨铜基摩擦复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于摩擦材料技术领域，具体是涉及一种适用于制造铁路车辆制动闸片的高耐磨铜基摩擦复合材料及其制备方法。
背景技术
铜基摩擦复合材料具有较高强度、耐磨性好、导热性高等优点，是制造制动装置的重要材料，在高速列车、飞机、汽车等交通运输工具中获得广泛应用。随着电气化铁路的快速发展，对列车制动性能提出了更高的要求，特别是对摩擦材料的性能要求越来越高，不仅要求具有高强度、高导热性，同时要求有足够高的摩擦系数、高温稳定性、优良的耐磨性等特点。
现有技术中为提高列车用铜基摩擦复合材料的抗磨损能力，通常加入碳化硅、氧化锆、氧化铝等单相陶瓷材料，由于这几种单相陶瓷材料具有高的熔点、硬度和化学稳定性等特性，在摩擦材料中得到较广泛应用。但是单相陶瓷材料的高硬度等性能不能保证材料具有良好的耐磨性。在许多实际摩擦环境中为保证低磨损率,还要求陶瓷材料具有较高的断裂韧性。单相陶瓷材料由于脆性大，断裂韧性低, 陶瓷颗粒容易发生折断而剥落，增大了磨损量，降低了刹车片的制动效果，不能很好地满足实际要求，特别是高速列车制动情况下的使用要求。因此，单相陶瓷材料对提高铜基摩擦复合材料的耐磨性能仍然有限或不稳定，还需要进一步改善和提高。以上问题极大地限制了铜基摩擦复合材料的进一步快速发展和推广应用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种含有氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷的耐磨性能优越、稳定性好、导热性好、使用寿命长的高耐磨铜基摩擦复合材料及其制备方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的高耐磨铜基摩擦复合材料，其特点是由如下重量百分比的成分混合制成：Cu粉：45～60%、Fe粉：15～25%、Cr粉：5～10%、ZTA复合陶瓷粉：2～10%、MoS2粉：0.5～2%、石墨粉：10～20%，其中Cu粉、Fe粉、Cr粉的纯度大于99.0%，粒度小于75μm；ZTA复合陶瓷粉的纯度大于99.0%，粒度为75～150μm；MoS2粉和石墨粉的纯度大于99.5%，粒度小于75μm。
进一步地，上述各组成成分的更好重量百分比为：Cu粉：48～53%、Fe粉：18～22%、Cr粉：6～8%、ZTA复合陶瓷粉：4～8%、MoS2粉：0.8～1.8%、石墨粉：12～18%。
更进一步地，上述各组成成分的最佳重量百分比为：Cu粉：50%、Fe粉：20%、Cr粉：7%、ZTA复合陶瓷粉：7%、MoS2粉：1%、石墨粉：15%。
本发明所述的高耐磨铜基摩擦复合材料的制备方法是采用粉末冶金的方式制备所述的高耐磨铜基摩擦复合材料，其特点是包括以下步骤：
1）称料：按重量百分比配比称量Cu粉、Fe粉、Cr粉、ZTA复合陶瓷粉、MoS2粉和石墨粉；
2）混料：将配好的料经高速搅拌机混合至均匀；
3）压制：将混合均匀的原料放入模具中进行压制成压坯，压力为650～850MPa；
4）真空加压烧结：将压坯固定在支撑钢背上，放入真空烧结炉中进行烧结，真空度为0.1～10Pa，烧结温度为750～900℃，施加压力为1～3MPa，保温时间2～4小时，得到高耐磨铜基摩擦复合材料。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、与传统在铜基摩擦复合材料中加入单相陶瓷相比，本发明在铜基摩擦复合材料中加入了韧性更好、断裂韧性更高的ZTA复合陶瓷，有利于进一步提高耐磨性能，从而提高刹车效率；
2、本发明制备工艺简单、操作较简便，有利于推广应用；
3、采用本发明获得的铜基摩擦复合材料在高速下摩擦系数高、磨损小、稳定性高、导热性好、使用寿命长，适合用于制造铁路车辆制动闸片。
具体实施方式
本发明所述的高耐磨铜基摩擦复合材料，由如下重量百分比的成分混合制成：Cu粉：45～60%、Fe粉：15～25%、Cr粉：5～10%、ZTA复合陶瓷粉：2～10%、MoS2粉：0.5～2%、石墨粉：10～20%，其中Cu粉、Fe粉、Cr粉的纯度大于99.0%，粒度小于75μm；ZTA复合陶瓷粉的纯度大于99.0%，粒度为75～150μm；MoS2粉和石墨粉的纯度大于99.5%，粒度小于75μm。进一步地，所述各组成成分的更好重量百分比为：Cu粉：48～53%、Fe粉：18～22%、Cr粉：6～8%、ZTA复合陶瓷粉:4～8%、MoS2粉: 0.8～1.8%、石墨粉：12～18%。更进一步地，所述各组成成分的最佳重量百分比为：Cu粉：50%、Fe粉：20%、Cr粉：7%、ZTA复合陶瓷粉:7%、MoS2粉:1%、石墨粉：15%。
本发明所述的高耐磨铜基摩擦复合材料的制备方法，该方法采用粉末冶金的方式制备上述高耐磨铜基摩擦复合材料，其包括以下步骤：
1）称料：按重量百分比配比称量Cu粉、Fe粉、Cr粉、ZTA复合陶瓷粉、MoS2粉和石墨粉；
2）混料：将配好的料经高速搅拌机混合至均匀；
3）压制：将混合均匀的原料放入模具中进行压制成压坯，压力为650～850MPa；
4）真空加压烧结：将压坯固定在支撑钢背上，放入真空烧结炉中进行烧结，真空度为0.1～10Pa，烧结温度为750～900℃，施加压力为1～3MPa，保温时间2～4小时，得到高耐磨铜基摩擦复合材料。
实施例1：
制备一种高耐磨铜基摩擦复合材料，其各组分重量百分比如下：Cu粉：45%、Fe粉：25%、Cr粉：5%、ZTA复合陶瓷粉：10%、MoS2粉：2%、石墨粉：13%。其制备步骤如下：1）称料：按重量百分比配比称量Cu粉：45%、Fe粉：25%、Cr粉：5%、ZTA复合陶瓷粉：10%、MoS2粉：2%、石墨粉：13%；2）混料：将配好的原料组分Cu、Fe、Cr、ZTA复合陶瓷、MoS2和石墨粉末经高速搅拌机混合均匀；3）压制：将混合均匀的原料在650MPa压力下压制得到压坯；4）加压烧结：将压坯固定在支撑钢背上，放入真空烧结炉中进行烧结，真空度为0.1Pa，烧结温度为900℃，施加压力为1MPa，保温时间2小时，得到粉末冶金摩擦材料。按照上述工艺制备的铜基摩擦复合材料的密度为5.453×103kg/m3,摩擦系数为0.388，磨损量为0.282cm3/MJ。
实施例2：
制备一种铜基摩擦复合材料，其各组分重量百分比如下：Cu粉：60%、Fe粉：15%、Cr粉：10%、ZTA复合陶瓷粉：2%、MoS2粉：0.5%、石墨粉：12.5%。其制备步骤如下：1）称料：按重量百分比配比称量Cu粉：60%、Fe粉：15%、Cr粉：10%、ZTA复合陶瓷粉：2%、MoS2粉：0.5%、石墨粉：12.5%；2）混料：将配好的原料组分Cu、Fe、Cr、ZTA复合陶瓷、MoS2和石墨粉末经高速搅拌机混合均匀；3）压制：将混合均匀的原料在850MPa压力下压制得到压坯；4）加压烧结：将压坯固定在支撑钢背上，放入真空烧结炉中进行烧结，真空度为10Pa，烧结温度为750℃，施加压力为3MPa，保温时间4小时，得到粉末冶金摩擦材料。按照上述工艺制备的铜基摩擦复合材料的密度为5.531×103kg/m3,摩擦系数为0.381，磨损量为0.293cm3/MJ。
实施例3：
制备一种高耐磨铜基摩擦复合材料，其各组分重量百分比如下：Cu粉：48%、Fe粉：22%、Cr粉：6%、ZTA复合陶瓷粉：8%、MoS2粉：1.8%、石墨粉：14.2%。其制备步骤如下：1）称料：按重量百分比配比称量Cu粉：48%、Fe粉：22%、Cr粉：6%、ZTA复合陶瓷粉：8%、MoS2粉：1.8%、石墨粉：14.2%；2）混料：将配好的原料组分Cu、Fe、Cr、ZTA复合陶瓷、MoS2和石墨粉末经高速搅拌机混合均匀；3）压制：将混合均匀的原料在650MPa压力下压制得到压坯；4）加压烧结：将压坯固定在支撑钢背上，放入真空烧结炉中进行烧结，真空度为0.1Pa，烧结温度为900℃，施加压力为1MPa，保温时间2小时，得到粉末冶金摩擦材料。按照上述工艺制备的铜基摩擦复合材料的密度为5.469×103kg/m3,摩擦系数为0.392，磨损量为0.285cm3/MJ。
实施例4：
制备一种铜基摩擦复合材料，其各组分重量百分比如下：Cu粉：53%、Fe粉：18%、Cr粉：8%、ZTA复合陶瓷粉：4%、MoS2粉：0.8%、石墨粉：16.2%。其制备步骤如下：1）称料：按重量百分比配比称量Cu粉：53%、Fe粉：18%、Cr粉：8%、ZTA复合陶瓷粉：4%、MoS2粉：0.8%、石墨粉：16.2%；2）混料：将配好的原料组分Cu、Fe、Cr、ZTA复合陶瓷、MoS2和石墨粉末经高速搅拌机混合均匀；3）压制：将混合均匀的原料在850MPa压力下压制得到压坯；4）加压烧结：将压坯固定在支撑钢背上，放入真空烧结炉中进行烧结，真空度为10Pa，烧结温度为750℃，施加压力为3MPa，保温时间4小时，得到粉末冶金摩擦材料。按照上述工艺制备的铜基摩擦复合材料的密度为5.548×103kg/m3,摩擦系数为0.401，磨损量为0.293cm3/MJ。
实施例5：
制备一种铜基摩擦复合材料，其各组分重量百分比如下：Cu粉：50%、Fe粉：20%、Cr粉：6%、ZTA复合陶瓷粉：8%、MoS2粉：1%、石墨粉：15%。其制备步骤如下：1）称料：按重量百分比配比称量Cu粉：50%、Fe粉：20%、Cr粉：6%、ZTA复合陶瓷粉：8%、MoS2粉：1%、石墨粉：15%；2）混料：将配好的原料组分Cu、Fe、Cr、ZTA复合陶瓷、MoS2和石墨粉末经高速搅拌机混合均匀；3）压制：将混合均匀的原料在750MPa压力下压制得到压坯；4）加压烧结：将压坯固定在支撑钢背上，放入真空烧结炉中进行烧结，真空度为1Pa，烧结温度为850℃，施加压力为2MPa，保温时间3小时，得到粉末冶金摩擦材料。按照上述工艺制备的铜基摩擦复合材料的密度为5.521×103kg/m3,摩擦系数为0.414，磨损量为0.273cm3/MJ。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。