高硬度低磨損銅基摩擦材料的制備方法
【專利摘要】高硬度低磨損銅基摩擦材料的制備方法，它涉及一種銅基復合材料的制備方法。本發明的目的是為了解決現有的銅基摩擦材料燒結后的相對密度較低、硬度低、磨損率高的技術問題。本方法如下：一、混料；二、冷壓成型；三、熱壓燒結；四、擠壓鑄造。采用本發明所得的銅基摩擦材料的相對密度達到了98.9%，硬度為38HB（未經過擠壓鑄造的銅基摩擦材料的相對密度為91.5%～93.1%，硬度為22～27HB），使得復合材料的相對密度提高了2%～7%，硬度提高了50%～75%，并且磨損率降低了40%～85%。本發明屬于銅基摩擦材料的制備領域。
【專利說明】高硬度低磨損銅基摩擦材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種銅基復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，銅基復合材料以其良好的導電、導熱和摩擦特性，在機械加工、交通運輸和微機械學等領域具有廣泛的應用前景。然而，在銅基摩擦材料上仍存在硬度低，材料燒結后的致密度不高以及磨損率高等一些問題，尤其是在高速鐵路制動材料方面的應用。現有銅基摩擦材料含碳量較低，無論是復合材料的摩擦性能還是潤滑性能都較差，同時銅與碳互不潤濕，兩種材料界面結合較差，在傳統的制備工藝條件下，容易出現復合材料成分偏析，燒結密度低，硬度較低，磨損量較高等問題。基于以上問題，使得現有制備材料方法不能適應高速減摩擦材料發展和大規模工業生產化的需要。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是為了解決現有的銅基摩擦材料燒結后的相對密度較低、硬度低、磨損率高的技術問題，提供了一種燒結后相對密度高、硬度高、低磨損率的銅基摩擦材料的制備方法。
[0004]銅基摩擦材料的制備方法如下:
[0005]一、混料:將30?70重量份的碳粉、50重量份的鐵粉、100重量份的銅粉、10重量份的鉻粉、5重量份的二氧化硅和3重量份的三氧化鑰混合，放入臥式混料機中，在轉速為50r/min?200r/min的條件下轉動Ih?5h,再加入聚乙烯醇溶液后繼續轉動Ih?5h,然后所得粉末放入烘干箱干燥Ih?5h ;
[0006]二、冷壓成型:取步驟一干燥后的粉末放入模具中，在200MPa?500MPa的壓力下成型，得到冷壓樣品；
[0007]三、熱壓燒結:將冷壓樣品放入熱壓模具中，在氣氛的保護下，在壓力為IMPa?lOMPa、溫度為800?1000°C的條件下，燒結Ih?5h小時，得到一次燒結樣品；
[0008]四、擠壓鑄造:將一次燒結樣品裝入低碳鋼套中密閉封裝，在900°C?1100°C的溫度下，進行擠壓，使其縮頸比達到4: I，擠壓強度為1200kN?1800kN，擠壓速度為IOmm/s?30mm/s，擠壓后得到高硬度低磨損率銅基摩擦材料。
[0009]步驟一中所述的聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的濃度為5%，聚乙烯醇溶液的加入量為粉料總質量的5%。
[0010]步驟一中所述碳粉是人造石墨碳粉或天然鱗片石墨。
[0011]步驟一中所述碳粉的粒徑為50um?250um。
[0012]步驟三中所述的氣氛為氫氣氣氛或氬氣氣氛。
[0013]本發明首先采用干混的方法可以使幾種不同的粉料均勻混合，后加入聚乙烯醇使碳和其他粉體表面濕潤并有粘性，更容易使得碳和其他粉體進行均勻混合；本發明方法可獲得硬度和摩擦系數可控的銅基復合材料，從而滿足不同的需求；采用本發明所得的銅基摩擦材料的相對密度達到了 98.9%，硬度為38HB (未經過擠壓鑄造的銅基摩擦材料的相對密度為91.5%?93.1%，硬度為22?27HB)，使得復合材料的相對密度提高了 2%?7%，硬度提高了 50%?75%，并且磨損率降低了 40%?85%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是實驗一中所得銅基摩擦材料的掃描電鏡圖片；
[0015]圖2是圖1中黑框區域的能譜分析圖。
【具體實施方式】
[0016]本發明技術方案不局限于以下所列舉【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】間的任意組合。
[0017]【具體實施方式】一:本實施方式銅基摩擦材料的制備方法如下:
[0018]一、混料:將30?70重量份的碳粉、50重量份的鐵粉、100重量份的銅粉、10重量份的鉻粉、5重量份的二氧化硅和3重量份的三氧化鑰混合，放入臥式混料機中，在轉速為50r/min?200r/min的條件下轉動Ih?5h,再加入聚乙烯醇溶液后繼續轉動Ih?5h,然后所得粉末放入烘干箱干燥Ih?5h ;
[0019]二、冷壓成型:取步驟一干燥后的粉末放入模具中，在200MPa?500MPa的壓力下成型，得到冷壓樣品；
[0020]三、熱壓燒結:將冷壓樣品放入熱壓模具中，在氣氛的保護下，在壓力為IMPa?lOMPa、溫度為800?1000°C的條件下，燒結Ih?5h小時，得到一次燒結樣品；
[0021]四、擠壓鑄造:將一次燒結樣品裝入低碳鋼套中密閉封裝，在900°C?1100°C的溫度下，進行擠壓，使其縮頸比達到4: I，擠壓強度為1200kN?1800kN，擠壓速度為IOmm/s?30mm/s，擠壓后得到高硬度低磨損率銅基摩擦材料。
[0022]本實施方式所得的銅基摩擦材料的相對密度達到了 98.9%，硬度為38HB (未經過擠壓鑄造的銅基摩擦材料的相對密度為91.5%?93.1%，硬度為22?27HB)，使得復合材料的相對密度提高了 2%?7%，硬度提高了 50%?75%，并且磨損率降低了 40%?85%。
[0023]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是步驟一中所述的聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的濃度為5%，聚乙烯醇溶液的加入量為粉料總質量的5%。其它與【具體實施方式】一相同。
[0024]本實施方式所得的銅基摩擦材料的相對密度達到了 98.9%，硬度為38HB (未經過擠壓鑄造的銅基摩擦材料的相對密度為91.5%?93.1%，硬度為22?27HB)，使得復合材料的相對密度提高了 2%?7%，硬度提高了 50%?75%，并且磨損率降低了 40%?85%。
[0025]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是步驟一中所述碳粉是人造石墨碳粉或天然鱗片石墨。其它與【具體實施方式】一或二之一不相同。
[0026]本實施方式所得的銅基摩擦材料的相對密度達到了 98.9%，硬度為38HB (未經過擠壓鑄造的銅基摩擦材料的相對密度為91.5%?93.1%，硬度為22?27HB)，使得復合材料的相對密度提高了 2%?7%，硬度提高了 50%?75%，并且磨損率降低了 40%?85%。
[0027]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是步驟一中所述碳粉的粒徑為50um?250um。其它與【具體實施方式】一至三之一相同。[0028]本實施方式所得的銅基摩擦材料的相對密度達到了 98.9%，硬度為38HB (未經過擠壓鑄造的銅基摩擦材料的相對密度為91.5%?93.1%，硬度為22?27HB)，使得復合材料的相對密度提高了 2%?7%，硬度提高了 50%?75%，并且磨損率降低了 40%?85%。
[0029]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是步驟一中所述的干燥溫度為55°C。其它與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0030]本實施方式所得的銅基摩擦材料的相對密度達到了 98.9%，硬度為38HB (未經過擠壓鑄造的銅基摩擦材料的相對密度為91.5%?93.1%，硬度為22?27HB)，使得復合材料的相對密度提高了 2%?7%，硬度提高了 50%?75%，并且磨損率降低了 40%?85%。
[0031]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是步驟一中在轉速為85r/min的條件下轉動2h，再加入聚乙烯醇溶液后繼續以轉速為85r/min的條件下轉動3h。其它與【具體實施方式】一至五之一相同。
[0032]本實施方式所得的銅基摩擦材料的相對密度達到了 98.9%，硬度為38HB (未經過擠壓鑄造的銅基摩擦材料的相對密度為91.5%?93.1%，硬度為22?27HB)，使得復合材料的相對密度提高了 2%?7%，硬度提高了 50%?75%，并且磨損率降低了 40%?85%。
[0033]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是步驟二中所述壓力為380MPa。其它與【具體實施方式】一至六之一相同。
[0034]本實施方式所得的銅基摩擦材料的相對密度達到了 98.9%，硬度為38HB (未經過擠壓鑄造的銅基摩擦材料的相對密度為91.5%?93.1%，硬度為22?27HB)，使得復合材料的相對密度提高了 2%?7%，硬度提高了 50%?75%，并且磨損率降低了 40%?85%。
[0035]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一至七之一不同的是步驟三中所述的氣氛為氫氣氣氛或IS氣氣氛。其它與【具體實施方式】一至七之一相同。
[0036]本實施方式所得的銅基摩擦材料的相對密度達到了 98.9%，硬度為38HB (未經過擠壓鑄造的銅基摩擦材料的相對密度為91.5%?93.1%，硬度為22?27HB)，使得復合材料的相對密度提高了 2%?7%，硬度提高了 50%?75%，并且磨損率降低了 40%?85%。
[0037]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】一至八之一不同的是步驟三在壓力為3MPa、溫度為900°C的條件下，燒結2h小時。其它與【具體實施方式】一至八之一相同。
[0038]本實施方式所得的銅基摩擦材料的相對密度達到了 98.9%，硬度為38HB (未經過擠壓鑄造的銅基摩擦材料的相對密度為91.5%?93.1%，硬度為22?27HB)，使得復合材料的相對密度提高了 2%?7%，硬度提高了 50%?75%，并且磨損率降低了 40%?85%。
[0039]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】一至九之一不同的是步驟四中在1000°C的溫度下，進行擠壓，擠壓強度為1500kN，擠壓速度為20mm/s。其它與【具體實施方式】一至九之一相同。
[0040]本實施方式所得的銅基摩擦材料的相對密度達到了 98.9%，硬度為38HB (未經過擠壓鑄造的銅基摩擦材料的相對密度為91.5%?93.1%，硬度為22?27HB)，使得復合材料的相對密度提高了 2%?7%，硬度提高了 50%?75%，并且磨損率降低了 40%?85%。
[0041 ] 采用下述實驗驗證本發明效果:
[0042]實驗一:
[0043]銅基摩擦材料的制備方法如下:
[0044]—、混料:將50重量份的碳粉、50重量份的鐵粉、100重量份的銅粉、10重量份的鉻粉、5重量份的二氧化硅和3重量份的三氧化鑰混合，放入臥式混料機中，在轉速為85r/min的條件下轉動2h，再加入聚乙烯醇溶液后繼續轉動3h，然后所得粉末放入烘干箱55°C干燥2h ；
[0045]二、冷壓成型:取步驟一干燥后的粉末放入模具中，在380MPa的壓力下成型，得到冷壓樣品；
[0046]三、熱壓燒結:將冷壓樣品放入熱壓模具中，在氣氛的保護下，在壓力為3MPa、溫度為900°C的條件下，燒結2h小時，得到一次燒結樣品；
[0047]四、擠壓鑄造:將一次燒結樣品裝入低碳鋼套中密閉封裝，在1000°C的溫度下，進行擠壓，使其縮頸比達到4: 1，擠壓強度為1500kN，擠壓速度為20mm/s，擠壓后得到高硬度低磨損率銅基摩擦材料。
[0048]步驟一中所述加入的聚乙烯醇溶液濃度為5%，聚乙烯醇溶液加入量為粉料總質量的5% ;步驟一中所述碳粉是人造石墨碳粉；步驟一中所述碳粉的粒徑為50um?250um ;步驟三中所述的氣氛為氬氣氣氛。
[0049]由圖1可以看出復合材料并無明顯孔隙，說明燒結密度較高；由圖2可以看出整個區域內基本上含有了復合材料中所有的元素，而且比例也較符合混料時所添加粉料的原配t匕，說明混料均勻性比較好。
[0050]本實驗所得的銅基摩擦材料的相對密度達到了 98.9%，硬度為38HB (未經過擠壓鑄造的銅基摩擦材料的相對密度為91.5%?93.1%，硬度為22?27HB)，使得復合材料的相對密度提高了 2%?7%，硬度提高了 50%?75%，并且磨損率降低了 40%?85%。
【權利要求】
1.高硬度低磨損銅基摩擦材料的制備方法，其特征在于高硬度低磨損銅基摩擦材料的制備方法如下: 一、混料:將30?70重量份的碳粉、50重量份的鐵粉、100重量份的銅粉、10重量份的鉻粉、5重量份的二氧化硅和3重量份的三氧化鑰混合，放入臥式混料機中，在轉速為50r/min?200r/min的條件下轉動Ih?5h,再加入聚乙烯醇溶液后繼續轉動Ih?5h,然后所得粉末放入烘干箱干燥Ih?5h ; 二、冷壓成型:取步驟一干燥后的粉末放入模具中，在200MPa?500MPa的壓力下成型，得到冷壓樣品； 三、熱壓燒結:將冷壓樣品放入熱壓模具中，在氣氛的保護下，在壓力為IMPa?lOMPa、溫度為800?1000°C的條件下，燒結Ih?5h小時，得到一次燒結樣品； 四、擠壓鑄造:將一次燒結樣品裝入低碳鋼套中密閉封裝，在900°C?1100°C的溫度下，進行擠壓，使其縮頸比達到4: I，擠壓強度為1200kN?1800kN，擠壓速度為10mm/s?30mm/s，擠壓后得到高硬度低磨損率銅基摩擦材料。
2.根據權利要求1所述的高硬度低磨損銅基摩擦材料的制備方法，其特征在于步驟一中所述的聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的濃度為5%，聚乙烯醇溶液的加入量為粉料總質量的5% ο
3.根據權利要求1或2所述的高硬度低磨損銅基摩擦材料的制備方法，其特征在于步驟一中所述碳粉是人造石墨碳粉或天然鱗片石墨。
4.根據權利要求1或2所述的高硬度低磨損銅基摩擦材料的制備方法，其特征在于步驟一中所述碳粉的粒徑為50um?250um。
5.根據權利要求1或2所述的高硬度低磨損銅基摩擦材料的制備方法，其特征在于步驟一中所述的干燥溫度為55°C。
6.根據權利要求1或2所述的高硬度低磨損銅基摩擦材料的制備方法，其特征在于步驟一中在轉速為85r/min的條件下轉動2h，再加入聚乙烯醇溶液后繼續以轉速為85r/min的條件下轉動3h。
7.根據權利要求1或2所述的高硬度低磨損銅基摩擦材料的制備方法，其特征在于步驟二中所述壓力為380MPa。
8.根據權利要求1或2所述的高硬度低磨損銅基摩擦材料的制備方法，其特征在于步驟三中所述的氣氛為氫氣氣氛或氬氣氣氛。
9.根據權利要求1或2所述的高硬度低磨損銅基摩擦材料的制備方法，其特征在于步驟三在壓力為3MPa、溫度為900°C的條件下，燒結2h小時。
10.根據權利要求1或2所述的高硬度低磨損銅基摩擦材料的制備方法，其特征在于步驟四中在1000°c的溫度下，進行擠壓，擠壓強度為1500kN，擠壓速度為20mm/s。
【文檔編號】B22F3/16GK103639414SQ201310681741
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月13日 優先權日:2013年12月13日
【發明者】姜久興, 王振華, 許健君, 徐帆, 陳國遠, 張光宇 申請人:哈爾濱理工大學