專利名稱：：制動石墨-Cu-Fe-Al基高溫自潤滑復合摩擦材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及摩擦材料及制造方法，具體涉及一種制動石墨-Cu-Fe-AI基高溫自潤滑復合摩擦材料及制備方法。
背景技術(shù)：
：摩擦材料是用于各種交通運輸工具(如汽車、火車、飛機、艦船等)以及機器設(shè)備的制動器、離合器和摩擦傳動裝置中的制動材料。在這些制動裝置中，利用摩擦材料的摩擦性能將轉(zhuǎn)動的動能化為熱能或其它形式的能量，從而使轉(zhuǎn)動裝置制動。隨著現(xiàn)代機械與機構(gòu)的運轉(zhuǎn)速度和負荷的急劇增加，以及由于宇航、核能、軍工，低溫技術(shù)的發(fā)展和食品，制藥等行業(yè)對安全，衛(wèi)生要求，導致許多工況條件處于無油潤滑或少油潤滑條件下，為此，自潤滑材料顯示了獨特的優(yōu)越性。并且，在某些特殊情況下(如重載機械、飛機制動等)，對于摩擦材料的高溫制動性能有較高的要求，比如要在500°C以上的環(huán)境中使用，而此時要求摩擦材料要具有高溫摩擦性能。自潤滑是由自潤滑材料本身含有的潤滑介質(zhì)，在工作過程中逐漸向配對副摩擦截面轉(zhuǎn)移形成潤滑轉(zhuǎn)移膜實現(xiàn)的。實踐證明，家用電器、紡織機械、食用機械、藥制機械、辦公設(shè)備、精密機械以及冶金、宇航、軍工的特殊領(lǐng)域的滑動軸承及其他摩擦組件是自潤滑材料最合適的應用領(lǐng)域。近一個時期，國內(nèi)、外對自潤滑材料進行大量探索性工作，并有成果報道。2001年第19巻第2期《粉末冶金技術(shù)》中的"粉末冶金高溫金屬基固體自潤滑材料"一文，報道了孔曉麗等作者綜述的粉末冶金高溫金屬基自潤滑材料的開發(fā)和發(fā)展，介紹了粉末冶金高溫金屬基自潤滑材料的高溫摩擦學性能，文中指出，目前的高溫摩擦材料主要是鈷鎳基合金添加潤滑組元CaF和MoS2材料，該材料的缺點是反應時間長，能耗大，成本高，高溫摩擦性能衰減迅速。2005年第3期《摩擦學學報》中的"石墨對銅基自潤滑材料高溫摩擦磨損性能的影響"一文，報道了尹延國作者通過基體多元合金化和選用不同粒度的石墨顆粒，采用常規(guī)粉末冶金方法制備了銅基石墨自潤滑材料，并分析了其磨損表面形貌，分析表明在室溫下，石墨顆粒越小，則復合材料的摩擦系數(shù)越小，減磨自潤滑效果越好，在室溫至50(TC條件下，選用合適石墨粒度和合金化工藝，可使銅基石墨固體自潤滑材料保持較好的自潤滑性。但是當溫度高于50(TC時，并不適用。在2005年《潤滑與密封》雜志中的"石墨含量對石墨固體潤滑涂層摩擦學性能的影響"一文，報道了王海斗等作者指出的利用簡便的刷涂法在鋼基體表面制備石墨固體潤滑涂層，并對比了不同石墨含量下涂層的摩擦學性能，發(fā)現(xiàn)石墨固體潤滑涂層的摩擦學性能與石墨含量之間呈"馬鞍形"變化規(guī)律，當石墨含量為28%時，固體潤滑涂層的減磨、耐磨性能最佳。此文章采用的制備方法為刷涂的方法，制備材料厚度低，磨損失效快。2007年6月《粉末冶金工業(yè)》雜志中的"石墨含量對鐵_石墨固體自潤滑材料力學及摩擦學性能的影響"一文，報道了李紅印等作者利用粉末冶金工藝制備了鐵-石墨固體自潤滑材料，并研究了石墨含量對摩擦材料的微觀組織結(jié)構(gòu)、力學性能及摩擦學性能的影響。本文采用的方法為壓燒法，摩擦材料的成分為Fe和C的混合物，沒有金屬間化合物產(chǎn)生，高溫摩擦性能不理想。綜上述，典型的自潤滑摩擦材料有銅基、鐵基和銅鐵基三種，制備的方法主要是粉末冶金的方法，包括壓燒法、沖切法、等離子噴涂法、電解沉積充填法、感應加熱沖擊法、氣相沉積法等。其中鐵基摩擦材料研究的比較多，而很少有人研究銅鐵鋁基自潤滑摩擦材料，石墨-銅鐵鋁基自潤滑復合摩擦材料在的文獻中并未看到相關(guān)報道。通過相關(guān)的文獻分析，目前的銅基、鐵基和銅鐵基自潤滑摩擦材料存在的缺陷有(l)使用溫度范圍較低，僅在400°C_5001:之間；(2)高溫的摩擦材料中必須要添加Ni和Co的元素，成本較高；(3)制備方法大多為壓燒法，存在時間長、能耗大的缺點。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明公開一種制動石墨-Cu-Fe-Al基自潤滑復合摩擦材料及制備方法，以銅鐵鋁基合金材料為基體，添加石墨等組元并通過組分優(yōu)化設(shè)計和采取感應加熱燒結(jié)和燃燒反應合成方法，解決現(xiàn)有自潤滑摩擦材料和制造工藝存在的技術(shù)問題.為解決上述技術(shù)問題本發(fā)明采取以下技術(shù)方案1制造工藝電解銅粉粒徑小于75iim，Cu純度大于99.9%;還原鐵粉粒徑小于75iim，F(xiàn)e純度大于99.9%;鋁粉粒徑小于100iim;石墨粉粒徑小于100iim;C純度大于99.9%;二氧化硅粉粒徑小于75iim，Si02純度大于99.9%;二硫化鉬粉粒徑小于100iim，MoS2粉純度大于99.9%;鉻粉粒徑小于100iim，Cr粉純度大于99.9%;碳化硅粒徑小于100iim，SiC粉純度大于99.9%等。按照一定的質(zhì)量配比(Cu-Fe-Al:70%-90%;石墨、MoS2:5%-15%;Cr、SiC等:5%-15%)稱量相應的粉末，而后機械混合均勻；在800MPa-1000MPa的壓力下，采用粉末冶金壓模法壓成20mm的圓柱形壓坯；將壓坯放入不銹鋼容器中，容器壁厚度為2mm，填充保護氣體；將容器放到中頻感應加熱電源的線圈內(nèi)，在加壓3MPa-5MPa下加熱燃燒反應燒結(jié)，反應加熱頻率為20HZ-50HZ;加熱速度為50°C-IO(TC，當溫度達到960°C-IIO(TC后，加熱保溫20min-60min后停止加熱；壓坯隨爐冷卻至室溫；取出試樣超聲清洗后風干；檢測試樣的硬度、摩擦系數(shù)和磨損率。2在銅鐵鋁基合金材料基體表層，開發(fā)出制動石墨-Cu-Fe-Al基高溫自潤滑復合摩擦材料層，厚度為lmm-200mm。復合摩擦材料性能指標硬度HRC60-90、摩擦系數(shù)0.45-0.65、磨損率3.4X10—9-6X10—9g/N.m。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點是采用感應加熱和燃燒反應合成的高效制備方法，時間短、效率高、能耗低；新型高溫耐磨材料石墨-Cu-Fe-Al基自潤滑復合摩擦材料，自潤滑、摩擦系數(shù)適中、磨損率小、成本低，可以在50(TC以上使用。具體實施例方式(1)具體實施中，采用以下原、輔料電解銅粉粒徑小于75iim，Cu純度大于99.9%;還原鐵粉粒徑小于75iim，F(xiàn)e純度大于99.9%;鋁粉粒徑小于100iim;石墨粉粒徑小于100iim;C純度大于99.9%;二氧化硅粉粒徑小于75iim，Si02純度大于99.9%;二硫化鉬粉粒徑小于100iim，MoS2粉純度大于99.9%;鉻粉粒徑小于100iim，Cr粉純度大于99.9%;碳化硅粒徑小于100iim，SiC粉純度大于99.9%等。(2)具體制造工藝實施例1按照一定的質(zhì)量配比Cu-Fe-Al:80X;石墨、MoS2:10X;Cr、SiC等10%，稱量相應的粉末，而后機械混合均勻；在800MPa的壓力下，采用粉末冶金壓模法壓成20mm的圓柱形壓坯；將壓坯放入不銹鋼容器中，容器壁厚度為2mm，填充保護氣體；將容器放到中頻感應加熱電源的線圈內(nèi)，在加壓3MPa下加熱燃燒反應燒結(jié)，感應加熱頻率為30HZ，加熱速度為50°C/min，當溫度達到96(TC后，加熱保溫20min后停止加熱；壓坯隨爐冷卻至室溫；取出試樣超聲清洗后風干；檢測試樣的硬度、摩擦系數(shù)和磨損率。(3)檢測結(jié)果硬度70HRC、摩擦系數(shù)0.50、磨損率5.5X10—9g/N.m。實施例2按照一定的質(zhì)量配比Cu-Fe-Al:70X;石墨、MoS2:15X;Cr、SiC等15%，稱量相應的粉末，而后機械混合均勻；在900MPa的壓力下，采用粉末冶金壓模法壓成20mm的圓柱形壓坯；將壓坯放入不銹鋼容器中，容器壁厚度為2mm，填充保護氣體；將容器放到中頻感應加熱電源的線圈內(nèi)，在加壓4MPa下加熱燃燒反應燒結(jié)，感應加熱頻率為40HZ，加熱速度為70°C/min，當溫度達到IOO(TC后，加熱保溫30min后停止加熱；壓坯隨爐冷卻至室溫；取出試樣超聲清洗后風干；檢測試樣的硬度、摩擦系數(shù)和磨損率。(3)檢測結(jié)果硬度80HRC、摩擦系數(shù)0.55、磨損率4.5X10—9g/N.m。實施例3按照一定的質(zhì)量配比Cu-Fe-Al:90X;石墨、MoS2:5X;Cr、SiC等5%，稱量相應的粉末，而后機械混合均勻；在lOOOMPa的壓力下，采用粉末冶金壓模法壓成20mm的圓柱形壓坯；將壓坯放入不銹鋼容器中，容器壁厚度為2mm，填充保護氣體；將容器放到中頻感應加熱電源的線圈內(nèi)，在加壓5MPa下加熱燃燒反應燒結(jié)，感應加熱頻率為50HZ，加熱速度為80°C/min，當溫度達到IOO(TC后，加熱保溫60min后停止加熱；壓坯隨爐冷卻至室溫；取出試樣超聲清洗后風干；檢測試樣的硬度、摩擦系數(shù)和磨損率。(3)檢測結(jié)果硬度90HRC、摩擦系數(shù)0.45、磨損率4X10—9g/N.m。實施例4按照一定的質(zhì)量配比Cu-Fe-Al:80%;石墨、MoS2:15%;Cr、SiC等5%，稱量相應的粉末，而后機械混合均勻；在850MPa的壓力下，采用粉末冶金壓模法壓成20mm的圓柱形壓坯；將壓坯放入不銹鋼容器中，容器壁厚度為2mm，填充保護氣體；將容器放到中頻感應加熱電源的線圈內(nèi)，在加壓4.5MPa下加熱燃燒反應燒結(jié)，感應加熱頻率為20HZ，加熱速度為IO(TC/min，當溫度達到IIO(TC后，加熱保溫30min后停止加熱；壓坯隨爐冷卻至室溫；取出試樣超聲清洗后風干；檢測試樣的硬度、摩擦系數(shù)和磨損率。(3)檢測結(jié)果硬度60HRC、摩擦系數(shù)0.65、磨損率3.4X10—9g/N.m。具體實施例工藝參數(shù)見表1具體實施例材料性能見表2表1參數(shù)單位技術(shù)方案值實施例1實施例2實施例3實施例4ACu-Fe-Al%70~9080709080B石墨、MoS2%5~151015515CCr、SiC等%5~15101555D壓力MPa800-1000800900l謂850E力口壓MPa3~53454.5F感應加熱頻率HZ20-5030405020G加熱速度°C/min50~100507080100H加熱溫度°C960-1100960100010001100I加熱i呆溫時間min20-6020306030表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求一種制動石墨-Cu-Fe-Al基高溫自潤滑復合摩擦材料，其特征在于所述復合摩擦材料是在銅鐵鋁基合金材料基體表層，開發(fā)出的厚度為1mm-200mm復合摩擦材料，復合摩擦材料性能硬度HRC60-90、摩擦系數(shù)0.45-0.65、磨損率3.4×10-9-6×10-9g/N.m。2.—種制動石墨-Cu-Fe-Al基高溫自潤滑復合摩擦材料的制備方法，其特征在于制備工藝步驟如下①采用以下原、輔料電解銅粉粒徑小于75iim，Cu純度大于99.9%;還原鐵粉粒徑小于75iim，F(xiàn)e純度大于99.9%;鋁粉粒徑小于100iim;鋁粉純度大于99.9%;石墨粉粒徑小于100iim;C純度大于99.9%;二氧化硅粉粒徑小于75iim，Si02純度大于99.9%;二硫化鉬粉粒徑小于100iim，MoS2粉純度大于99.9%;鉻粉粒徑小于100iim，Cr粉純度大于99.9%;碳化硅粒徑小于100iim，SiC粉純度大于99.9%等。②按照規(guī)定的質(zhì)量配比稱量相應的粉末，質(zhì)量配比為Cu-Fe-Al:70%_90%，石墨、MoS2:5%-15^，Cr、SiC等5%-15%;而后機械混合均勻；③在800MPa-1000MPa的壓力下，采用粉末冶金壓模法壓成20mm的圓柱形壓坯；將壓坯放入不銹鋼容器中，容器壁厚度為2mm，填充保護氣體；④將容器放到中頻感應加熱電源的線圈內(nèi)，在加壓3MPa-5MPa下加熱燃燒反應燒結(jié)，反應加熱頻率為20HZ-50HZ;加熱速度為50°C-IO(TC，當溫度達到960°C-IIO(TC后，加熱保溫20min-60min后停止加熱；⑤壓坯隨爐冷卻至室溫；取出試樣超聲清洗后風干；⑥檢測試樣的硬度(HRC):60-90，摩擦系數(shù)0.45-0.65，磨損率(X10—9g/N.m):3.4-6。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述制動石墨-Cu-Fe-Al基高溫自潤滑復合摩擦材料的制備方法，其特征在于質(zhì)量配比Cu-Fe-Al:80%，石墨、MoS2:10%，Cr、SiC等10%;在800MPa的壓力下，采用粉末冶金壓模法壓成20mm的圓柱形壓坯；將壓坯放入不銹鋼容器中，容器壁厚度為2mm，填充保護氣體；將容器放到中頻感應加熱電源的線圈內(nèi)，在加壓3MPa下加熱燃燒反應燒結(jié)，感應加熱頻率為30HZ，加熱速度為50°C/min，當溫度達到96(TC后，加熱保溫20min后停止加熱；檢測結(jié)果硬度70HRC、摩擦系數(shù)0.50、磨損率5.5X10—9g/N.m。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述制動石墨-Cu-Fe-Al基高溫自潤滑復合摩擦材料的制備方法，其特征在于質(zhì)量配比Cu-Fe-Al:70%;石墨、MoS2:15%;Cr、SiC等15%;在900MPa的壓力下，采用粉末冶金壓模法壓成20mm的圓柱形壓坯；將壓坯放入不銹鋼容器中，容器壁厚度為2mm，填充保護氣體；將容器放到中頻感應加熱電源的線圈內(nèi)，在加壓4MPa下加熱燃燒反應燒結(jié)，感應加熱頻率為40HZ，加熱速度為70°C/min，當溫度達到IOO(TC后，加熱保溫30min后停止加熱；檢測結(jié)果硬度:80HRC，摩擦系數(shù):0.55，磨損率4.5X10—9g/N.m。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述制動石墨-Cu-Fe-Al基高溫自潤滑復合摩擦材料的制備方法，其特征在于質(zhì)量配比Cu-Fe-Al:90X，石墨、MoS2:5%，Cr、SiC等5%;在1000MPa的壓力下，采用粉末冶金壓模法壓成20mm的圓柱形壓坯；將壓坯放入不銹鋼容器中，容器壁厚度為2mm，填充保護氣體；將容器放到中頻感應加熱電源的線圈內(nèi)，在加壓5MPa下加熱燃燒反應燒結(jié)，感應加熱頻率為50HZ，加熱速度為80°C/min，當溫度達到IOO(TC后，加熱保溫60min后停止加熱；檢測結(jié)果硬度90HRC，摩擦系數(shù)0.45，磨損率4X10—9g/N.m。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述制動石墨-Cu-Fe-Al基高溫自潤滑復合摩擦材料的制備方法，其特征在于質(zhì)量配比Cu-Fe-Al:80X，石墨、MoS2:15%，Cr、SiC等5%;在850MPa的壓力下，采用粉末冶金壓模法壓成20mm的圓柱形壓坯；將壓坯放入不銹鋼容器中，容器壁厚度為2mm，填充保護氣體；將容器放到中頻感應加熱電源的線圈內(nèi)，在加壓4.5MPa下加熱燃燒反應燒結(jié)，感應加熱頻率為20HZ，加熱速度為IO(TC/min，當溫度達到IIO(TC后，加熱保溫30min后停止加熱；檢測結(jié)果硬度60HRC，摩擦系數(shù)0.65，磨損率3.4X10—9g/N.m。全文摘要本發(fā)明公開一種制動石墨-Cu-Fe-Al基高溫自潤滑復合摩擦材料及制備方法，以銅鐵鋁基合金為基體添加石墨等組元，采取感應加熱燒結(jié)和燃燒反應合成方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)問題。具體工藝方案選用原輔粉料電解銅粉、還原鐵粉、鋁粉、石墨粉、二氧化硅粉等；按照質(zhì)量配比混合均勻；在壓力下壓成圓柱形壓坯；將壓坯放入不銹鋼容器中填充保護氣體；將容器放到中頻感應加熱線圈內(nèi)，在加壓下加熱燃燒反應燒結(jié)，加熱保溫后停止加熱，隨爐冷卻；取出試樣超聲清洗后風干；檢測試樣。復合摩擦材料性能硬度(HRC)60-90，摩擦系數(shù)0.45-0.65，磨損率(×10-9g/N.m)3.4-6。優(yōu)點是制備時間短、效率高、能耗低；復合摩擦材料自潤滑、摩擦系數(shù)適中、磨損率小、成本低。文檔編號C09K3/14GK101724379SQ20091022025公開日2010年6月9日申請日期2009年11月30日優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日發(fā)明者付傳起,孫俊才,王宙申請人:大連大學