利用釩鈦磁鐵礦真空碳熱原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法
【專利摘要】本發明公開的利用釩鈦磁鐵礦真空碳熱原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法是先將釩鈦磁鐵精礦粉和還原劑石墨粉球磨混合均勻后進行真空碳熱預還原，然后再與鐵粉、潤滑劑石墨粉、銅粉、錫粉、鉛粉和硬脂酸鋅粉進行二次球磨，混合均勻后經冷壓制制成壓坯，并將壓坯置于真空燒結爐中進行燒結。由于本發明采用的是真空預還原+冷壓+真空無壓燒結的技術方案，因而可在不具備熱壓燒結條件下，用天然釩鈦磁鐵精礦粉制備出了鐵基摩擦材料，填補了在沒有熱壓燒結條件下利用真空碳熱原位反應燒結法來制備鐵基摩擦材料的空白，使獲得的材料具有原位合成和粉末冶金技術的優點，而且基于真空燒結爐就可以實現材料制備，大大節約了設備的投資成本。
【專利說明】利用釩鈦磁鐵礦真空碳熱原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于鐵基摩擦材料的制備【技術領域】，具體涉及一種利用釩鈦磁鐵礦真空碳熱原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法。
【背景技術】
[0002]隨著現代工業的不斷發展，鐵基摩擦材料因其具有耐高溫、強度高、價廉等優點，已廣泛用于飛機、坦克、汽車、船舶、拖拉機、工程機械和機床等的離合器或制動器中。鐵基摩擦材料主要由鐵及鐵合金基體、固體潤滑劑、摩擦劑三部分組成?；w成分以鐵為主，鐵的合金化可降低鐵的塑性，提高強度、硬度、耐熱強度、抗氧化性；潤滑組元可以改善抗咬合性，提高材料的耐磨性；摩擦劑可提高材料摩擦系數，減少對偶表面的擦傷和磨損。
[0003]目前已商品化的鐵基摩擦材料大多數采用“外加法”粉末冶金工藝制備，即以精細化工粉末為原料(成本較高)，按照設計的成分配比，把各組份粉末進行稱樣，經過混合、壓制、燒結等工序來獲得材料?！巴饧臃ā敝械哪Σ羷┦遣捎靡押铣珊玫姆勰┳鳛樵?。此工藝主要是通過燒結致密化來提高材料的性能，一般沒有形成新物質的化學反應發生，其主要缺點在于:所有組份均為外加，這些組元與基體之間容易出現界面污染，容易因它們之間的潤濕性差而出現結合不良，以致組元在摩擦過程中從基體剝離出來，嚴重影響使用效果。
[0004]原位合成技術是20世紀80年代后期發展起來的制備金屬基復合材料的有效方法，它是利用兩種或兩種以上組份在基體中相互反應生成增強相。與“外加法”相比，原位合成技術具有以下優點:生成相因是在基體中原位生成的熱力學穩定相，表面無污染，避免了與基體浸潤不良的問題，與基體結合為冶金結合，結合良好；生成相大小和分布較易控制，并且數量可在較大的范圍內調整。
[0005]基于粉末冶金的反應燒結法是原位合成法中重要的一類，其不僅具有粉末冶金法的材料組元成分可靈活調整與控制、能近終成型等優點，同時還具有原位合成的上述優點。現有的利用原位合成制備的復合材料主要有TiC/Fe、SiC/Fe、VC/Fe復合材料等。如ZL201210256454.6就公開了一種利用釩鈦磁鐵礦原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法。該方法是將釩鈦磁鐵精礦粉、還原劑石墨粉、鐵粉、潤滑劑石墨粉、銅粉、錫粉、鉛粉，硬脂酸鋅粉按一定的摩爾比稱料，然后將釩鈦磁鐵精礦粉和還原劑的石墨粉置于球磨機中混合均勻，再加入鐵粉、銅粉、錫粉、鉛粉、硬脂酸鋅和潤滑劑的石墨粉繼續球磨得到均勻混合粉料；將混合粉料經冷壓制成壓坯，并將壓坯放置于真空熱壓爐中，在燒結壓力為0.5?2Mpa下，以升溫速率10?15°C /min進行燒結，燒結溫度為1000?1200°C，保溫時間為2?4h。該發明雖填補了原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的空白，使獲得的材料具有原位合成和粉末冶金技術的優點，而且制備工藝簡便，大大縮短材料的制備周期，節約成本。但美中不足的是ZL201210256454.6公開的技術方案必須依賴于真空熱壓爐的熱壓燒結功能才能得到比較致密化的鐵基摩擦材料，使得真空熱壓燒結爐的存在成為該技術方案實施的必要前提條件，導致制備條件苛刻，設備投資大。對于如何在既沒有熱壓燒結條件下仍然能夠利用真空碳熱原位反應燒結法來制備鐵基摩擦材料，且還能獲得致密化程度與之媲美的鐵基摩擦材料的信息，目前還沒有文獻報道。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是針對現有技術存在的問題，提供一種利用釩鈦磁鐵礦真空碳熱原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法，該方法能夠在不具備熱壓燒結條件下進行制備，且能獲得致密化程度與現有技術媲美的鐵基摩擦材料。
[0007]本發明提供的利用釩鈦磁鐵礦真空碳熱原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法，其特征在于該方法的工藝步驟和條件如下:
[0008](I)將粒度為200?300目的釩鈦磁鐵精礦粉、還原劑石墨粉、鐵粉、潤滑劑石墨粉、銅粉、錫粉、鉛粉，硬脂酸鋅粉以1:1.69:0.7?2.65:0.87?2.69:0?0.14:0?
0.04:0?0.03:0.002?0.004的摩爾比分別進行稱料；
[0009](2)將稱料后的釩鈦磁鐵精礦粉和還原劑石墨粉先置于球磨機中球磨混合均勻，然后將混勻后的混合料于真空燒結爐中以升溫速率8?12°C /min升溫至1240?1290°C，保溫I?4h進行真空碳熱預還原，得預還原粉末；
[0010](3)先將預還原粉末與第(I)步稱料好的鐵粉、銅粉、錫粉、鉛粉置于球磨機中進行二次球磨混合至均勻，然后再將第(I)步稱料好的潤滑劑石墨粉和硬脂酸鋅粉加入繼續球磨混合至均勻,球磨時加入適量酒精；
[0011 ] (4)先將二次球磨混合料裝入模具中，經冷壓制制成相對密度為80?90%的壓坯，冷壓制的壓力為300?500MPa，然后將壓坯以升溫速率8?12°C /min于真空燒結爐中進行燒結，燒結溫度為1100?1240°C，保溫時間為2?4h。
[0012]以上方法所用的釩鈦磁鐵精礦粉的粒度優選200?250目。
[0013]以上方法第(2)步的升溫速率優選8?10°C /min,預還原溫度優選1260?1290°C，保溫時間優選2?3h。
[0014]以上方法第(4)步冷壓制制成的壓坯相對密度優選85?90%，冷壓制的壓力優選400 ?500MPa。
[0015]以上方法第(4)步的升溫速率優選8?10°C /min，燒結溫度優選1150?1220°C，保溫時間優選2?3h。
[0016]本發明是以天然礦物一銀鈦磁鐵精礦粉為基本原料，在成分配比中兩次加入適量石墨粉，第一次所加石墨作為還原劑，在真空預還原過程中既能實現碳還原釩鈦磁鐵礦中鐵氧化物得到基體鐵，又能實現碳與釩鈦磁鐵礦中Ti02、V2O5原位反應得到TiC、VC硬質相摩擦劑。第二次所加石墨是作為鐵基摩擦材料中的潤滑組元。而釩鈦磁鐵礦中伴生的Co、Ni可作為鐵基體的合金化元素，伴生的Si02、A1203、MgO可作為鐵基摩擦材料的摩擦劑而保留下來。
[0017]本發明與現有技術相比，具有以下優點:
[0018]1、由于本發明不僅是采用原位反應燒結方法來制備鐵基摩擦材料，還直接利用的是我國豐富的釩鈦磁鐵資源——銀鈦磁鐵精礦，而且是在不具備熱壓燒結條件下采用真空預還原+冷壓+真空無壓燒結的技術方案實現了鐵基摩擦材料的制備，因而填補了在沒有熱壓燒結條件下利用真空碳熱原位反應燒結法來制備鐵基摩擦材料的空白，充分利用了我國豐富的釩鈦磁鐵資源，還獲得了致密度與現有技術媲美的鐵基摩擦材料。
[0019]2、由于本發明采用“真空預還原+冷壓+真空無壓燒結”實現了原位合成反應和粉末冶金的燒結致密化過程，因而不僅使獲得的鐵基摩擦材料具有原位合成和粉末冶金技術的優點，而且基于真空燒結爐就可以實現鐵基摩擦材料制備，可大大節約設備投資成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發明實施例1制備的鐵基摩擦材料的X射線衍射圖。
[0021]圖2為本發明實施例2制備的鐵基摩擦材料的X射線衍射圖。
[0022]圖3為本發明實施例3制備的鐵基摩擦材料的X射線衍射圖。
[0023]圖4為本發明實施例4制備的鐵基摩擦材料的X射線衍射圖。
[0024]圖5為本發明實施例5制備的鐵基摩擦材料的X射線衍射圖。
[0025]從以上X射線衍射圖中可以看出經過本發明方法原位反應均已生成了鐵基摩擦材料所需要的組元。
【具體實施方式】
[0026]下面給出的實施例是對本發明進行具體描述和進一步說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，該領域的技術熟練人員根據上述本
【發明內容】
對本發明作出的一些非本質的改進和調整仍屬本發明的保護范圍。
[0027]值得說明的是，以下實施例所制備的鐵基摩擦材料的摩擦系數是按照JB/T7269—1994測定的；密度是按照GB/T10421-2002測定的；表觀硬度是按照GB/T231.1-2002測定的；橫向斷裂強度是按照GB/T5319-2002測定的。
[0028]實施例1
[0029]將粒度為200目釩鈦磁鐵精礦粉IOOg (摩爾數I)和還原劑石墨粉20.28g (摩爾數1.69)放入球磨機中，按球料比2:1加入陶瓷球，然后在轉速200rpm下球磨混合3h，再將球磨混合料置入真空燒結爐中以升溫速率8°C /min升溫至1290°C，保溫2h進行真空碳熱預還原；先將真空預還原粉末和鐵粉73.36g (摩爾數1.31)、銅粉8.96g (摩爾數0.14)、錫粉2.38g (摩爾數0.02)、鉛粉2.078 (摩爾數0.01)和適量的酒精放入球磨機中，繼續按球料比2:1在轉速300rpm下球磨混合3h，然后加入潤滑劑石墨粉10.44g(摩爾數0.87)和硬脂酸鋅粉1.90g (摩爾數0.003)繼續球磨均勻，出料；先將二次球磨混合粉料裝入模具中，在300MPa壓力下冷壓制制成相對密度為87%的壓坯，然后將壓坯置于真空燒結爐中，以升溫速率10°C /min升溫至1150°C，保溫3h進行燒結。
[0030]本實施例制備的鐵基摩擦材料的摩擦系數為0.32，磨損率為4.9X 10_7Cm3/J，密度為4.2g/cm3，表觀硬度為45HB，橫向斷裂強度為59N/mm2。
[0031]實施例2
[0032]將粒度為300目釩鈦磁鐵精礦粉IOOg (摩爾數I)和還原劑石墨粉20.28g (摩爾數1.69)放入球磨機中，按球料比2:1加入陶瓷球，然后在轉速200rpm下球磨混合3h，再將球磨混合料置入真空燒結爐中以升溫速率10°C /min升溫至1290°C，保溫2h進行真空碳熱預還原；先將真空預還原粉末和鐵粉73.36g (摩爾數1.31)、銅粉8.96g (摩爾數0.14)、錫粉2.38g (摩爾數0.02)、鉛粉2.078 (摩爾數0.01)和適量的酒精放入球磨機中，繼續按球料比2:1在轉速300rpm下球磨混合3h，然后加入潤滑劑石墨粉10.44g(摩爾數0.87)和硬脂酸鋅粉1.90g (摩爾數0.003)繼續球磨均勻，出料；先將二次球磨混合粉料裝入模具中，在300MPa壓力下冷壓制制成相對密度為80%的壓坯，然后將壓坯置于真空燒結爐中，以升溫速率8°C /min升溫至1200°C，保溫2h進行燒結。
[0033]本實施例制備的鐵基摩擦材料的摩擦系數為0.27，磨損率為4.4X 10_7Cm3/J，密度為4.8g/cm3，表觀硬度為30HB，橫向斷裂強度為57N/mm2。
[0034]實施例3
[0035]將粒度為250目釩鈦磁鐵精礦粉IOOg (摩爾數I)和還原劑石墨粉20.28g (摩爾數1.69)放入球磨機中，按球料比2:1加入陶瓷球，然后在轉速400rpm下球磨混合2h，再將球磨混合料置入真空燒結爐中以升溫速率9°C /min升溫至1260°C，保溫Ih進行真空碳熱預還原；先將真空預還原粉末和鐵粉39.2g (摩爾數0.7)、錫粉4.76g (摩爾數0.04)、鉛粉2.07g (摩爾數0.01)和適量的酒精放入球磨機中，繼續按球料比2:1在轉速350rpm下球磨混合2h，然后加入潤滑劑石墨粉18.49g (摩爾數1.54)和硬脂酸鋅粉1.26g (摩爾數
0.002)繼續球磨均勻，出料；先將二次球磨混合粉料裝入模具中，在400MPa壓力下冷壓制制成相對密度為90%的壓坯，然后將壓坯置于真空燒結爐中，以升溫速率12°C /min升溫至1100°C，保溫4h進行燒結。
[0036]本實施例制備的鐵基摩擦材料的摩擦系數為0.27，磨損率為3.8X 10_7Cm3/J，密度為5.2g/cm3，表觀硬度為70HB，橫向斷裂強度為68N/mm2。
[0037]實施例4
[0038]將粒度為230目釩鈦磁鐵精礦粉IOOg (摩爾數I)和還原劑石墨粉20.28g (摩爾數1.69)放入球磨機中，按球料比2:1加入陶瓷球，然后在轉速200rpm下球磨混合3h，再將球磨混合料置入真空燒結爐中以升溫速率12°C /min升溫至1270°C，保溫3h進行真空碳熱預還原；先將真空預還原粉末和鐵粉39.2g (摩爾數0.7)、、錫粉4.76g (摩爾數0.04)和適量的酒精放入球磨機中，繼續按球料比2:1在轉速300rpm下球磨混合3h,然后加入潤滑劑石墨粉18.49g (摩爾數1.54)和硬脂酸鋅粉1.26g (摩爾數0.002)繼續球磨均勻，出料；先將二次球磨混合粉料裝入模具中，在450MPa壓力下冷壓制制成相對密度為85%的壓坯，然后將壓坯置于真空燒結爐中，以升溫速率9°C /min升溫至1220°C，保溫2h進行燒結。
[0039]本實施例制備的鐵基摩擦材料的摩擦系數為0.27，磨損率為3.5X 10_7Cm3/J，密度為5.6g/cm3，表觀硬度為90HB，橫向斷裂強度為75N/mm2。
[0040]實施例5
[0041]將粒度為200目釩鈦磁鐵精礦粉IOOg (摩爾數I)和還原劑石墨粉20.28g (摩爾數1.69)放入球磨機中，按球料比2:1加入陶瓷球，然后在轉速200rpm下球磨混合3h，再將球磨混合料置入真空燒結爐中以升溫速率10°C /min升溫至1240°C，保溫4h進行真空碳熱預還原；先將真空預還原粉末和鐵粉148.4g (摩爾數2.65)、銅粉5.12g (摩爾數0.08)、鉛粉6.21g (摩爾數0.03)和適量的酒精放入球磨機中，繼續按球料比2:1在轉速350rpm下球磨混合2h，然后加入潤滑劑石墨粉32.28g (摩爾數2.69)和硬脂酸鋅粉2.53g (摩爾數
0.004)繼續球磨均勻，出料；先將二次球磨混合粉料裝入模具中，在500MPa壓力下冷壓制制成相對密度為81%的壓坯，然后將壓坯置于真空燒結爐中，以升溫速率8V /min升溫至1240 0C，保溫2.5h進行燒結。[0042]本實施例制備的鐵基摩擦材料的摩擦系數為0.29，磨損率為4.7X 10_7cm3/J，密度為4.7g/cm3，表觀硬度為50HB，橫向斷裂強度為62N/mm2。
【權利要求】
1.利用釩鈦磁鐵礦真空碳熱原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法，其特征在于該方法的工藝步驟和條件如下: (1)將粒度為200?300目的釩鈦磁鐵精礦粉、還原劑石墨粉、鐵粉、潤滑劑石墨粉、銅粉、錫粉、鉛粉，硬脂酸鋅粉以1:1.69:0.7?2.65:0.87?2.69:0?0.14:0?0.04:0?0.03:0.002?0.004的摩爾比分別進行稱料； (2)將稱料后的釩鈦磁鐵精礦粉和還原劑石墨粉先置于球磨機中球磨混合均勻，然后將混勻后的混合料于真空燒結爐中以升溫速率8?12°C /min升溫至1240?1290°C，保溫I?4h進行真空碳熱預還原，得預還原粉末； (3)先將預還原粉末與第(I)步稱料好的鐵粉、銅粉、錫粉、鉛粉置于球磨機中進行二次球磨混合至均勻，然后再將第(I)步稱料好的潤滑劑石墨粉和硬脂酸鋅粉加入繼續球磨混合至均勻，球磨時加入適量酒精； (4)先將二次球磨混合料裝入模具中，經冷壓制制成相對密度為80?90%的壓坯，冷壓制的壓力為300?500MPa，然后將壓坯以升溫速率8?12°C /min于真空燒結爐中進行燒結，燒結溫度為1100?1240°C，保溫時間為2?4h。
2.根據權利要求1所述的利用釩鈦磁鐵礦真空碳熱原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法，其特征在于該方法所用的釩鈦磁鐵精礦粉的粒度優選200?250目。
3.根據權利要求1或2所述的利用釩鈦磁鐵礦真空碳熱原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法，其特征在于該方法第(2)步的升溫速率為8?10°C /min，預還原溫度為1260?1290°C，保溫時間為2?3h。
4.根據權利要求1或2所述的利用釩鈦磁鐵礦真空碳熱原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法，其特征在于該方法第(4)步冷壓制制成的壓坯相對密度為85?90%，冷壓制的壓力為 400 ?5OOMPa。
5.根據權利要求3所述的利用釩鈦磁鐵礦真空碳熱原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法，其特征在于該方法第(4)步冷壓制制成的壓坯相對密度為85?90%，冷壓制的壓力為 400 ?500MPa。
6.根據權利要求1或2所述的利用釩鈦磁鐵礦真空碳熱原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法，其特征在于該方法第(4)步的升溫速率為8?10°C /min，燒結溫度為1150?1220°C，保溫時間為2?3h。
7.根據權利要求3所述的利用釩鈦磁鐵礦真空碳熱原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法，其特征在于該方法第(4)步的升溫速率為8?10°C /min，燒結溫度為1150?1220°C，保溫時間為2?3h。
8.根據權利要求5所述的利用釩鈦磁鐵礦真空碳熱原位反應燒結制備鐵基摩擦材料的方法，其特征在于該方法第(4)步的升溫速率為8?10°C /min，燒結溫度為1150?1220°C，保溫時間為2?3h。
【文檔編號】B22F1/00GK103447545SQ201310361540
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】馮可芹, 張光明, 李瑩, 鄧偉林 申請人:四川大學