專利名稱：含鋼纖維的金屬陶瓷摩擦材料及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含鋼纖維的金屬陶瓷摩擦材料及制造方法，屬摩擦材料技術(shù)領(lǐng)域。
摩擦材料是一種用于機(jī)械制動(dòng)、控速及傳能的多組分復(fù)合材料，廣泛用于汽車(chē)、摩托車(chē)、拖拉機(jī)、坦克、火車(chē)、船舶、飛機(jī)等運(yùn)輸工具及機(jī)床、石油鉆機(jī)等機(jī)械中。汽車(chē)上主要用做離合器和制動(dòng)器面片，早期普遍使用石棉樹(shù)脂材料。近因石棉的致癌作用而逐漸被淘汰；現(xiàn)今世界范圍內(nèi)普通車(chē)輛中大量使用的是半金屬摩擦材料，這是一種以樹(shù)脂為基體加入鋼纖維、銅纖維、碳纖維、玻璃纖維、有機(jī)合成纖維等纖維為增強(qiáng)劑，鐵粉、銅粉、石墨粉、二硫化鉬、各種礦物粉等為摩擦性能調(diào)節(jié)劑，通過(guò)模壓成型的復(fù)合材料。但由于樹(shù)脂的耐熱性較差，故一般不適合重載運(yùn)輸工具如重載汽車(chē)、坦克、火車(chē)、飛機(jī)等。這些運(yùn)輸工具多使用鑄鐵、鐵基或銅基的燒結(jié)復(fù)合材料(或稱金屬陶瓷)或碳/碳復(fù)合材料。用于汽車(chē)領(lǐng)域的金屬陶瓷摩擦材料一般以銅或銅合金作為基體，如美國(guó)專利5,925,837描述的一種用于制動(dòng)的銅基摩擦材料配方為鐵粉或鋼棉(10～40％w)、鋁粉(0～10％)、鋅或錫或鉛粉(0～15％)、石墨(3～15％)、Al2O3或SiO2(0～10％)，制造工藝為375-623MPa下成型，在100～300℃預(yù)處理1～3小時(shí)，350～750℃的空氣中燒結(jié)24～60小時(shí)，材料表面有不大于1mm氧化層，后加工磨去氧化層，清洗后為最終產(chǎn)品。
與樹(shù)脂基的石棉或半金屬摩擦材料相比，金屬陶瓷摩擦材料具有摩擦系數(shù)大因而傳扭或制動(dòng)效果更好、更耐磨等優(yōu)點(diǎn)，特別是在重載、高溫等環(huán)境下，表現(xiàn)出更突出的摩擦磨損性能，因而具有廣泛的應(yīng)用。然而，由于銅比石棉或半金屬摩擦材料高得多的成本很大程度上限制了金屬陶瓷摩擦材料在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用。由于鋼纖維比銅粉便宜得多，因而，加入鋼纖維會(huì)明顯降低材料成本。
本發(fā)明的目的是推出一種含鋼纖維的金屬陶瓷摩擦材料及制造方法，在已有的金屬陶瓷(燒結(jié))摩擦材料中加入鋼纖維，以降低摩擦材料的成本，并改善材料的機(jī)械及摩擦、磨損性能，降低磨損，改善不同比壓下摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性。
本發(fā)明提出的含鋼纖維的金屬陶瓷摩擦材料組成是銅粉和錫粉(比例為92∶8)53～69％，其粒度為-200目，銅粉氧含量不大于0.2％，短切鋼纖維10～40％，其長(zhǎng)度為2～6毫米，當(dāng)量直徑為40～130微米，鐵粉0～10％，其粒度為-200～300目，無(wú)機(jī)氧化物或礦物(如二氧化硅SiO2或三氧化二鋁Al2O3)3～8％，其粒度為-100～-200目，天然石墨、人造石墨或它們的混合物(5～12％)，其粒度為-28目～60目，二硫化鉬(膠體粉劑)0～4％。
本發(fā)明提出的含鋼纖維的金屬陶瓷摩擦材料的制造方法，包括以下步驟
1．混粉將各組份材料按比例加入混合器進(jìn)行混合至均勻。按密度從大到小的順序加入粉末組份為佳，即先加銅、鐵、錫等金屬粉，再加二氧化硅等摩擦劑，最后加石墨等潤(rùn)滑劑?；旌匣揪鶆蚝螅俜峙尤脘摾w維。直徑較小、長(zhǎng)徑比較大的鋼纖維易在混合過(guò)程中發(fā)生不同程度的纏結(jié)和團(tuán)聚，導(dǎo)致組份分布不均勻，故應(yīng)特別注意。在組份材料混合時(shí)，可加入少量機(jī)油(約混合物重量的0.5％)以防止組份在后續(xù)工序中發(fā)生偏聚，并使壓坯后脫模易于進(jìn)行。
2．壓坯在室溫及150-300MPa壓力下，將混好的粉料，在一定形狀(根據(jù)摩擦材料產(chǎn)品的形狀要求)的模具中壓成毛坯3．燒結(jié)脫模后，將毛坯放在鍍有銅或錫的鋼背上，按層碼放在高強(qiáng)石墨墊板上，在燒結(jié)爐中燒結(jié)。燒結(jié)時(shí)采用還原性保護(hù)氣氛(如氫氣、氮?dú)?，燒結(jié)壓力1～2MPa，燒結(jié)溫度700～920℃，燒結(jié)時(shí)間3～8小時(shí)后，隨爐冷卻。取出后，機(jī)械磨平，既為本發(fā)明的材料。
使用本發(fā)明的配方和制備方法，制得的金屬陶瓷摩擦材料耐磨性，比無(wú)鋼纖維的同類(lèi)摩擦材料具有更好的耐磨性、更合理和穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、對(duì)對(duì)偶磨損(如鑄鐵)亦很小。
下面介紹
具體實(shí)施例方式毛坯毛坯實(shí)施例1．將各組分按下列重量百分比比例混合至均勻銅粉63％，錫粉5.4％，鐵粉4％，天然鱗片石墨10.4％，二硫化鉬1.8％，二氧化硅5.4％，鋼纖維A(當(dāng)量直徑40～60微米，長(zhǎng)度～3.5毫米)10％。
將合適重量的混合放入模具中，在200MPa的壓力下壓制5～10秒，取出后成為毛坯。將毛坯放在鍍銅的鋼背上，以高強(qiáng)石墨為墊板，以10％的氫、90％的氮混合氣為保護(hù)氣氛，在860℃、1.5MPa壓力下燒結(jié)4小時(shí)，隨爐冷卻至100℃以下取出，機(jī)械磨平。
制得的材料的彎曲強(qiáng)度125MPa，硬度HB34。在MM-1000摩擦材料試驗(yàn)機(jī)上，比壓分別為0.4、0.6、0.8和1.0MPa時(shí)，各制動(dòng)5次，摩擦系數(shù)分別為0.45、0.38、0.32和0.33，測(cè)得材料磨損率為0.038mm/20次，對(duì)偶(鑄鐵)磨損為0.003mm。
實(shí)施例2．除了將鋼纖維A換成鋼纖維B(當(dāng)量直徑46～75微米，長(zhǎng)度～5.5毫米)，其它組分及含量、制造工藝與實(shí)施例1相同。
制得的材料彎曲強(qiáng)度119MPa，硬度HB35。在MM-1000摩擦材料試驗(yàn)機(jī)上，比壓分別為0.4、0.6、0.8和1.0MPa時(shí)，各制動(dòng)5次，摩擦系數(shù)分別為0.46、0.38、0.35和0.31，材料磨損率為0.023mm/20次，對(duì)偶(鑄鐵)磨損小于0.003mm。
實(shí)施例3．除了將鋼纖維A換成鋼纖維C(直徑70～130微米，長(zhǎng)度～2.5毫米)，其它組分及含量、制造工藝與實(shí)施例1相同。
制得的材料彎曲強(qiáng)度113MPa，硬度HB32。在MM-1000摩擦材料試驗(yàn)機(jī)上，比壓分別為0.4、0.6、0.8和1.0MPa時(shí)，各制動(dòng)5次，摩擦系數(shù)分別為0.41、0.38、0.36和0.35，材料磨損率為0.057mm/20次，對(duì)偶(鑄鐵)磨損0.003mm。
實(shí)施例4．將各組分按下列比例混合至均勻銅粉56％，錫粉5％，鐵粉3.5％，天然鱗片石墨9％，二硫化鉬1.5％，二氧化硅5％，鋼纖維B(直徑40-60微米，長(zhǎng)度～3.5毫米)20％。
制造工藝與實(shí)施例1相同。
制得的材料彎曲強(qiáng)度138MPa，硬度HB37。在MM1000摩擦材料試驗(yàn)機(jī)上，比壓分別為0.4、0.6、0.8和1.0MPa時(shí)，各制動(dòng)5次，摩擦系數(shù)分別為0.44、0.42、0.39和0.36，材料磨損率為0.030mm/20次，對(duì)偶(鑄鐵)磨損0.007mm。
實(shí)施例5．將各組分按下列比例混合至均勻銅粉49％，錫粉4.5％，鐵粉3％，天然鱗片石墨8％，二硫化鉬1.5％，二氧化硅4％，鋼纖維B(直徑40-60微米，長(zhǎng)3.5毫米)30％。
制造工藝與實(shí)施例1相同。
制得的材料彎曲強(qiáng)度158MPa，硬度HB43。在MM1000摩擦材料試驗(yàn)機(jī)上，比壓分別為0.4、0.6、0.8和1.0MPa時(shí)，各制動(dòng)5次，摩擦系數(shù)分別為0.41、0.38、0.36和0.35，材料磨損率為0.027mm/20次，對(duì)偶(鑄鐵)磨損0.003mm。
實(shí)施例6．配方與實(shí)施例4相同。
除了150MPa的壓力下壓制5～10秒壓制成坯，并在900℃、1.0MPa壓力下燒結(jié)3小時(shí)外，其它工藝條件與實(shí)施例1相同。
制得的材料彎曲強(qiáng)度125MPa，硬度HB35。在MM-1000摩擦材料試驗(yàn)機(jī)上，比壓分別為0.4、0.6、0.8和1.0MPa時(shí)，各制動(dòng)5次，摩擦系數(shù)分別為0.45、0.38、0.32和0.34，材料磨損率為0.042mm/20次，對(duì)偶(鑄鐵)磨損小于0.003mm。
實(shí)施例7．配方與實(shí)施例5相同。
除了在280MPa下壓制成坯，并在720℃、2.0MPa壓力下燒結(jié)7小時(shí)外，其它工藝條件與實(shí)施例1相同。
制得的材料彎曲強(qiáng)度134MPa，硬度HB38。在MM-1000摩擦材料試驗(yàn)機(jī)上，比壓分別為0.4、0.6、0.8和1.0MPa時(shí)，摩擦系數(shù)分別為0.43、0.38、0.36和0.35，材料磨損率為0.040mm/20次，對(duì)偶磨損小于0.003mm。
實(shí)施例8．除了用5％三氧化鋁代替二氧化硅外，其它組分及含量、制造工藝條件與實(shí)施例4相同。
制得的材料彎曲強(qiáng)度126MPa，硬度HB36。在MM-1000摩擦材料試驗(yàn)機(jī)上，比壓分別為0.4、0.6、0.8和1.0MPa時(shí)，各制動(dòng)5次，摩擦系數(shù)分別為0.42、0.38、0.35和0.33，材料磨損率為0.030mm/20次，對(duì)偶磨損0.005mm。
實(shí)施例9
將各組分按下列比例混合至均勻銅粉63％，錫粉5.4％，鐵粉4.0％，天然鱗片石墨5.6％，人造石墨5.6％，二氧化硅6.4％，鋼纖維B(直徑40-60微米，長(zhǎng)3.5毫米)10％。
制造工藝與實(shí)施例1相同。
制得的材料彎曲強(qiáng)度118MPa，硬度HB32。在MM-1000摩擦材料試驗(yàn)機(jī)上，比壓分別為0.4、0.6、0.8和1.0MPa時(shí)，各制動(dòng)5次，摩擦系數(shù)分別為0.42、0.38、0.35和0.33，材料磨損率為0.020mm/20次，對(duì)偶磨損小于0.003mm。
權(quán)利要求
1.一種含鋼纖維的金屬陶瓷摩擦材料，其特征在于該材料的組成為銅粉和錫粉53～69％，其粒度為-200目，銅粉氧含量不大于0.2％，其中銅粉∶錫粉=92∶8，短切鋼纖維10～40％，其長(zhǎng)度為2～6毫米，當(dāng)量直徑為40～130微米，鐵粉0～10％，其粒度為-200～300目，無(wú)機(jī)氧化物或礦物3～8％，其粒度為-100～-200目，石墨5～12％，其粒度為-28目～60目，二硫化鉬0～4％。
2.一種含鋼纖維的金屬陶瓷摩擦材料的制造方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)將如權(quán)利要求1所述的各組份材料按比例加入混合器進(jìn)行混合至均勻；(2)在室溫及150-300MPa壓力下，將混好的粉料，在模具中壓成毛坯，毛坯的形狀根據(jù)摩擦材料產(chǎn)品而定；(3)脫模后，將毛坯放在鍍有銅或錫的鋼背上，按層碼放在高強(qiáng)石墨墊板上，在燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)采用還原性保護(hù)氣氛，燒結(jié)壓力為1～2MPa，燒結(jié)溫度700～920℃，燒結(jié)時(shí)間3～8小時(shí)后，隨爐冷卻，取出后，機(jī)械磨平，既為本發(fā)明的摩擦材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含鋼纖維的金屬陶瓷摩擦材料，該材料包含銅粉和錫粉、短切鋼纖維、鐵粉、無(wú)機(jī)氧化物或礦物以及石墨。其制造方法是首先將各組份材料按比例加入混合器進(jìn)行混合至均勻，然后在室溫及一定壓力下，將混好的粉料壓成毛坯，脫模后在燒結(jié)爐中燒結(jié)，隨爐冷卻，既為本發(fā)明的材料。按照本發(fā)明配方和方法制得的金屬陶瓷摩擦材料，比無(wú)鋼纖維的同類(lèi)摩擦材料具有更好的耐磨性、更合理和穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、對(duì)對(duì)偶磨損亦很小。
文檔編號(hào)C09K3/14GK1317530SQ0111533
公開(kāi)日2001年10月17日 申請(qǐng)日期2001年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月20日
發(fā)明者鄧海金, 李明, 白新桂, 龔敏 申請(qǐng)人:清華大學(xué)