專利名稱：金屬基燒結(jié)摩擦片制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于摩擦材料制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及燒結(jié)摩擦片制造工藝。
背景技術(shù)：
金屬基燒結(jié)摩擦材料由于具有強(qiáng)度高、耐磨損、導(dǎo)熱性好，并具有較高的摩擦系數(shù)、摩擦系數(shù)穩(wěn)定等特點(diǎn)而成為制造離合器、制動(dòng)器的關(guān)鍵材料，廣泛用于汽車、摩托車、列車、飛機(jī)等運(yùn)輸工具及石油鉆井、風(fēng)力發(fā)電等機(jī)械中。在列車車輛制造領(lǐng)域，用于制造制動(dòng)閘瓦和制動(dòng)閘片。這類材料以金屬為基體，含有均勻分布的硬質(zhì)粒子和潤(rùn)滑粒子。金屬基體的含量對(duì)材料的強(qiáng)度和韌性起主導(dǎo)作用，硬質(zhì)粒子和潤(rùn)滑粒子均為脆性材料，其含量控制著制品的摩擦系數(shù)和磨損量。提高脆性材料的含量，有利于增加摩擦系數(shù)、降低磨損量，同時(shí)，降低制品的強(qiáng)度和韌性。
隨著制動(dòng)負(fù)荷的增加，如列車速度的提高，載重量增加，對(duì)摩擦制動(dòng)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(qiáng)度的同時(shí)，進(jìn)一步提高摩擦系數(shù)和降低磨損量。這對(duì)摩擦材料的制造工藝提出了更高的要求。
目前國內(nèi)外傳統(tǒng)的制造工藝為原材料混合、冷壓制成型、壓力燒結(jié)成型。壓力燒結(jié)成型是將冷壓制成型的毛坯疊放在一起，放入加壓燒結(jié)爐中，在保護(hù)性氣氛下加壓燒結(jié)。由于爐溫分段固定加熱，溫區(qū)均勻性不足，造成制品質(zhì)量難于均勻，同時(shí)，燒結(jié)壓力調(diào)節(jié)范圍有限，一般為1-5MPa這個(gè)范圍，難于進(jìn)一步提高制品的密度和使制品有較復(fù)雜的形狀。另外，電阻加熱爐升溫、降溫均需要較長(zhǎng)時(shí)間，這使得每爐的燒結(jié)時(shí)間約為8-10小時(shí)，因此，壓力燒結(jié)成型工序生產(chǎn)效率低、能耗大。為提高制品的密度和使制品具有較復(fù)雜的形狀，滿足高速列車對(duì)高能量制動(dòng)閘片的制造要求，國際專利WO97/43560采用的制造高速列車制動(dòng)閘片的工藝為原材料混合、冷壓制成型、第一次燒結(jié)、熱鍛成型、第二次燒結(jié)。這種工藝可以提高制品密度，允許制品形狀較復(fù)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(shí)間長(zhǎng)，制造成本顯著提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種金屬基燒結(jié)摩擦片制造工藝，工藝簡(jiǎn)單，制造效率高、成本低、產(chǎn)品性能優(yōu)良，尺寸精度高。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是一種金屬基燒結(jié)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(nèi)表面涂潤(rùn)滑脂，將混合好的粉料及護(hù)套或護(hù)環(huán)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(jié)成型將冷壓制成型毛坯置入高強(qiáng)石墨或鋼質(zhì)模具中，將模具連同毛坯置入爐中，爐內(nèi)通入氫氣和氮?dú)?，或啟?dòng)真空系統(tǒng)，真空度達(dá)70mmHg，然后，對(duì)毛坯施加電壓3-15V、大電流10-200A，同時(shí)，對(duì)毛坯施加壓力5-100MPa，燒結(jié)溫度750-1500℃，保溫時(shí)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(jìn)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(zhì)粒子如Al2O3、SiO2、硬質(zhì)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(shí)，可混入混合物重量的0.2-1％的輕質(zhì)油或易揮發(fā)性溶劑。
所述第三步電流直加熱模壓燒結(jié)成型對(duì)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(jié)成型對(duì)于銅基燒結(jié)材料，燒結(jié)溫度為750-1000℃，保溫時(shí)間為1-20分鐘；對(duì)于鐵基燒結(jié)材料，燒結(jié)溫度為900-1500℃，保溫時(shí)間為2-30分鐘，隨爐冷卻至100℃出爐。
本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單粉末原料混合、冷壓制成型、電流直加熱模壓燒結(jié)成型。這種工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)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(nèi)成型，成型壓力調(diào)節(jié)范圍大，使制品密度高、尺寸精度好、允許形狀復(fù)雜，可實(shí)現(xiàn)摩擦材料與護(hù)套、護(hù)環(huán)完整結(jié)合；3.將低電壓、大電流直接施加在坯料上進(jìn)行加熱，燒結(jié)時(shí)間短、效率高、節(jié)能效果顯著；4.燒結(jié)壓力和燒結(jié)溫度可靈活匹配，調(diào)節(jié)范圍大，可實(shí)現(xiàn)半凝固狀態(tài)下的壓力燒結(jié)，這允許進(jìn)一步提高脆性粒子的含量，使材料的摩擦磨損性能實(shí)現(xiàn)在更大范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。本發(fā)明尤其適用于制造鐵路車輛制動(dòng)閘片和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制動(dòng)閘片。制造的閘片在高溫高速制動(dòng)條件下，具有高的摩擦系數(shù)，良好的耐磨性，更適于時(shí)速200公里以上的高速列車和大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用。


圖1是閘片制動(dòng)塊的制造工序。
圖2是定速摩擦試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min時(shí)制動(dòng)塊的摩擦系數(shù)。
圖3是定速摩擦試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)制動(dòng)塊的摩擦系數(shù)。
圖4是定速摩擦試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí)制動(dòng)塊的摩擦系數(shù)。
圖5是定速摩擦試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)制動(dòng)塊的摩擦系數(shù)。
圖6是1∶1制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試的最高速度為300km/h時(shí)制動(dòng)閘片的瞬時(shí)摩擦系數(shù)。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)敘述實(shí)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(jìn)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(dòng)真空系統(tǒng)，當(dāng)真空度達(dá)70mmHg時(shí)，通過上下凸模4、5對(duì)毛坯施加3MPa壓力，同時(shí)，啟動(dòng)加熱電流6，加熱時(shí)間在2-3min左右，毛坯溫度達(dá)到800℃，對(duì)毛坯施加50MPa壓力，保溫2min，隨爐冷卻至100℃出爐，制成制動(dòng)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(yàn)機(jī)上，比壓為0.6MPa，摩擦轉(zhuǎn)速為200，500，2000，3000r/min，測(cè)得的摩擦系數(shù)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(tǒng)工藝制造制動(dòng)塊，將冷壓制毛坯置入鐘罩式加壓燒結(jié)爐中，燒結(jié)氣氛為氫氣，壓力為3.5MPa，經(jīng)2-3h加熱，溫度達(dá)到800℃，保溫時(shí)間為1小時(shí)，隨爐冷卻4-6h至100℃出爐，制成制動(dòng)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(yàn)機(jī)上，比壓為0.6Mpa，摩擦轉(zhuǎn)速為200，500，2000，3000r/min，測(cè)得的摩擦系數(shù)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(fā)明工藝的燒結(jié)成型時(shí)間遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)工藝，而制品的密度高于傳統(tǒng)工藝，由于制品的密度高，使耐磨性能明顯提高。
采用本發(fā)明制造出了符合國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)的高速列車銅基燒結(jié)制動(dòng)閘片，將制動(dòng)閘片在1∶1制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了最高速度達(dá)300km/h測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，瞬時(shí)摩擦系數(shù)完全處于國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)的控制范圍內(nèi)(圖6)，磨損量為0.38cm3/MJ。
實(shí)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(jìn)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(dòng)真空系統(tǒng)，當(dāng)真空度達(dá)70mmHg時(shí)，通過上下凸模4、5對(duì)毛坯施加5MPa壓力，同時(shí)，啟動(dòng)加熱電流6，加熱時(shí)間在2-3min左右，毛坯溫度達(dá)到1000℃，對(duì)毛坯施加60MPa壓力，保溫2min，隨爐冷卻至100℃出爐，制成制動(dòng)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(yàn)機(jī)上，比壓為0.6MPa，摩擦轉(zhuǎn)速為200，500，2000，3000r/min，測(cè)得的摩擦系數(shù)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(tǒng)工藝制造制動(dòng)塊，將冷壓制毛坯置入鐘罩式加壓燒結(jié)爐中，燒結(jié)氣氛為氫氣，壓力為3.5MPa，經(jīng)3-4h加熱，溫度達(dá)到1000℃，保溫時(shí)間為1.5小時(shí)，隨爐冷卻4-6h至100℃出爐，制成制動(dòng)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(yàn)機(jī)上，比壓為0.6Mpa，摩擦轉(zhuǎn)速為200，500，2000，3000r/min，測(cè)得的摩擦系數(shù)為0.34，0.35，0.29，0.28，磨損量為0.45cm3//MJ。
權(quán)利要求
1.一種金屬基燒結(jié)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(nèi)表面涂潤(rùn)滑脂，將混合好的粉料及護(hù)套或護(hù)環(huán)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(jié)成型將冷壓制成型毛坯置入高強(qiáng)石墨或鋼質(zhì)模具中，將模具連同毛坯置入爐中，爐內(nèi)通入氫氣和氮?dú)?，或啟?dòng)真空系統(tǒng)，真空度達(dá)70mmHg，然后，對(duì)毛坯施加電壓3-15V、大電流10-200A，同時(shí)，對(duì)毛坯施加壓力5-100MPa，燒結(jié)溫度750-1500℃，保溫時(shí)間為1-30分鐘，隨爐冷卻至100℃出爐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基燒結(jié)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(jìn)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(zhì)粒子如A12O3、SiO2、硬質(zhì)合金等，最后加入石墨。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基燒結(jié)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基燒結(jié)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(zhì)油或易揮發(fā)性溶劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基燒結(jié)磨擦片制造工藝，其特征是第三步電流直加熱模壓燒結(jié)成型對(duì)毛坯施加壓力，壓力隨毛坯溫度升高而逐漸增加。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基燒結(jié)磨擦片制造工藝，其特征是第三步電流直加熱模壓燒結(jié)成型對(duì)于銅基燒結(jié)材料，燒結(jié)溫度為750-1000℃，保溫時(shí)間為1-20分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基燒結(jié)磨擦片制造工藝，其特征是對(duì)于鐵基燒結(jié)材料，燒結(jié)溫度為900-1500℃，保溫時(shí)間為2-30分鐘，隨爐冷卻至100℃出爐。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一所述的一種金屬基燒結(jié)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(fù)合模。
全文摘要
本發(fā)明涉及屬于摩擦材料制造技術(shù)領(lǐng)域，一種金屬基燒結(jié)摩擦片制造工藝，金屬基燒結(jié)摩擦片由銅、鐵等金屬材料為基體，含有硬質(zhì)粒子、石墨粒子等摩擦性能調(diào)節(jié)組分，通過粉末原料混合、冷壓制成型、電流直加熱模壓燒結(jié)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(jié)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(diào)節(jié)制品的摩擦性能和降低磨損量。同時(shí)，這種工藝具有制造效率高、成本低、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，是一種制造金屬基燒結(jié)摩擦片的好方法。
文檔編號(hào)C09K3/14GK1994628SQ20061013418
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月3日
發(fā)明者高飛, 宋寶韞, 符蓉 申請(qǐng)人:大連交通大學(xué)