本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，且特別涉及一種銅基粉末冶金摩擦材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

銅基粉末冶金摩擦材料是以銅及其合金為基體，同時添加摩擦組元和潤滑組元，采用粉末冶金技術(shù)制備而成的復(fù)合材料。和有機(jī)類摩擦材料相比，該摩擦材料具有耐熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高、摩擦磨損性能穩(wěn)定等優(yōu)點，因而在汽車領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但是隨著汽車向高速、重載方向的發(fā)展，傳統(tǒng)的銅基粉末冶金摩擦材料在使用過程中，磨損嚴(yán)重，已經(jīng)不能滿足當(dāng)代社會對于汽車制動材料綜合性能的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種銅基粉末冶金摩擦材料，其摩擦系數(shù)穩(wěn)定，磨損率低，耐磨性佳，強(qiáng)度高。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種銅基粉末冶金摩擦材料的制備方法，制得摩擦系數(shù)穩(wěn)定，磨損率低、強(qiáng)度高的銅基粉末冶金摩擦材料。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。

本發(fā)明提出一種銅基粉末冶金摩擦材料，其是由原料燒結(jié)而成，原料按質(zhì)量百分比計，包括：錫粉6-8％；鐵粉3-6％；鎳粉4-7％；二氧化硅4-7％；石墨粉：5-6％；納米碳化硅：0.5-4％；余量為銅粉。

本發(fā)明提出一種制造上述銅基粉末冶金摩擦材料的制備方法，其包括：將納米碳化硅與工業(yè)酒精混合，于頻率為20-30KHz的條件下進(jìn)行超聲處理30-35min，得第一混合漿料。

將石墨粉、錫粉、鐵粉、鎳粉、二氧化硅，以及銅粉加入第一混合漿料中，于超聲波頻率為20-30KHz的條件下攪拌50-60min，干燥，得混合粉末。

將混合粉末置于300-350MPa環(huán)境下保壓110-130s進(jìn)行冷壓壓制，得壓坯。

將壓坯置于3-4MPa條件下的氮氣氛圍中，由常溫升溫至850-900℃保溫2.4-2.7h，燒結(jié)成型，冷卻。

本發(fā)明較佳的實施例提供的銅基粉末冶金摩擦材料及其制備方法的有益效果是：采用銅、鐵、錫、鎳金屬組元進(jìn)行優(yōu)化組合，獲得一種具有高耐熱性、對其他組元形成良好包裹鑲嵌效果的金屬基體；采用二氧化硅、納米碳化硅作為摩擦組元提供穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，其中納米碳化硅的添加可以提高材料的抗熱震、和高溫摩擦性能，采用石墨作為潤滑組元降低材料磨損率，防止磨損對偶。混合步驟在工業(yè)酒精中進(jìn)行，并配合兩次超聲處理，提高原料混合的均勻性，同時工業(yè)酒精可以防止混合過程中原料，例如鐵被氧化，且工業(yè)酒精容易揮發(fā)，不影響后續(xù)的壓制和燒結(jié)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1為載荷80N時不同轉(zhuǎn)速下納米碳化硅的添加量對銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦系數(shù)的影響的曲線圖；

圖2為載荷80N時不同轉(zhuǎn)速下納米碳化硅的添加量對銅基粉末冶金摩擦材料的磨損量的影響的曲線圖；

圖3為對比例提供的銅基粉末冶金摩擦材料在80N轉(zhuǎn)速2000r/min下的摩擦形貌；

圖4為實施例1提供的銅基粉末冶金摩擦材料在80N轉(zhuǎn)速2000r/min下的摩擦形貌。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。實施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進(jìn)行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

下面對本發(fā)明實施例的銅基粉末冶金摩擦材料及其制備方法進(jìn)行具體說明。

一種銅基粉末冶金摩擦材料，其是由原料燒結(jié)而成，優(yōu)選地，原料按質(zhì)量百分比計，包括：錫粉6-8％；鐵粉3-6％；鎳粉4-7％；二氧化硅4-7％；石墨粉：5-6％；納米碳化硅：0.5-4％；余量為銅粉，該范圍內(nèi)，使最終的銅基粉末冶金摩擦材料具有良好的耐熱性以及抗磨擦能力。

其中，納米碳化硅以及二氧化硅均屬于銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦組元，二者化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。二者均勻分布在基體銅中，具有摩擦、抗磨、耐熱、耐蝕等作用，既可提高該摩擦材料的摩擦系數(shù)，彌補(bǔ)潤滑組元造成的材料摩擦系數(shù)的降低，又可消除對偶表面上從摩擦片轉(zhuǎn)移過來的金屬。

由于碳化硅以及二氧化硅的顆粒的粒徑對于銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦性能具有影響，且碳化硅粒徑的大小對于銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響比二氧化硅粒徑的大小對于銅基粉末冶金摩擦材料的影響更為顯著，因此優(yōu)選地，采用納米碳化硅作為優(yōu)化的摩擦組元，二氧化硅的粒徑≥200目，更優(yōu)選地，二氧化硅的粒徑為200目，在提高摩擦性能的基礎(chǔ)上，降低制造成本。

銅粉作為基體，錫粉、鎳粉、鐵粉作為金屬組元與銅粉進(jìn)行優(yōu)化組合強(qiáng)化基體，從而經(jīng)燒結(jié)合金化后，獲得一種具有高耐熱性、對其他組元形成良好包裹鑲嵌效果的金屬基體。

具體地，錫粉可以有效強(qiáng)化燒結(jié)過程中的擴(kuò)散過程，增強(qiáng)摩擦的穩(wěn)定性。優(yōu)選地，錫粉的粒徑≥290目，更優(yōu)選地，錫粉的粒徑為300目，與原料中其他成分之間的配合效果更佳。

鐵粉提高金屬基體的機(jī)械性能，以及降低摩擦磨損性性。優(yōu)選地，鐵粉的粒徑≥200目，更優(yōu)選地，鐵粉的粒徑為200目。

鎳粉，可有效提高該銅基粉末冶金摩擦材料的強(qiáng)度和硬度，且隨鎳含量的增加，材料磨損率減小，摩擦系數(shù)穩(wěn)定性增加。并且在高速摩擦?xí)r，鎳可在材料表面形成致密而均勻的氧化鎳層，氧化鎳與銅結(jié)合強(qiáng)度較高，提高了摩擦穩(wěn)定性。優(yōu)選地，鎳粉的粒徑≥200目，更優(yōu)選地，鎳粉的粒徑為200目。

石墨粉作為潤滑組元，能夠提高摩擦材料的摩擦穩(wěn)定性以及耐磨性，同時在摩擦過程中形成潤滑膜，有效降低摩擦副之間的擦傷、粘接以及咬合，使摩擦副工作平穩(wěn)。但潤滑組元會造成的材料摩擦系數(shù)的降低，因此通過原料中上述各成分科學(xué)的配比，潤滑組元與摩擦組元相互協(xié)同協(xié)作，有效提高摩擦穩(wěn)定性、耐磨性以及摩擦系數(shù)。

此處所述的石墨粉優(yōu)選為鱗片石墨，其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，由于呈層狀結(jié)構(gòu)，具有良好的耐高溫、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、潤滑、可塑及耐酸堿等性能，是一種天然的固體潤滑劑。優(yōu)選地，石墨粉的粒徑≥200目，更優(yōu)選地，石墨粉的粒徑為200目。

在原料的上述各成分的粒徑范圍內(nèi)，各成分配合效果佳，有效優(yōu)化最終燒結(jié)后的銅基粉末冶金摩擦材料的性能。

優(yōu)選地，原料按質(zhì)量百分比計，還包括0-0.5％的納米石墨烯。用于進(jìn)一步優(yōu)化銅基粉末冶金摩擦材料的耐磨性、強(qiáng)度。

此處所述的納米石墨烯特指為至少兩層的石墨烯，其相比于石墨粉更為細(xì)膩，減少燒結(jié)后得到的銅基粉末冶金摩擦材料的孔隙半徑或數(shù)量，增強(qiáng)銅基粉末冶金摩擦材料的強(qiáng)度，且多層的設(shè)置，使其也具有固體潤滑劑的作用，且在外力的作用下變?yōu)閱螌訒r，還可提高該銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦系數(shù)。

一種制造銅基粉末冶金摩擦材料的制備方法，將納米碳化硅與工業(yè)酒精進(jìn)行混合，優(yōu)選地，于頻率為20-30KHz的條件下進(jìn)行超聲處理30-35min，使納米碳化硅充分分散于工業(yè)酒精中，從而得第一混合漿料。

當(dāng)原料中含有納米石墨烯時，優(yōu)選地，將納米碳化硅、納米石墨烯以及與工業(yè)酒精按照上述比例進(jìn)行混合，優(yōu)選地，于頻率為20-30KHz的條件下進(jìn)行超聲處理30-35min，使納米碳化硅、納米石墨烯充分分散于工業(yè)酒精中，從而得第一混合漿料。

將石墨粉、錫粉、鐵粉、鎳粉、二氧化硅，以及銅粉加入第一混合漿料中，優(yōu)選地，將石墨粉、錫粉、鐵粉、鎳粉、二氧化硅，以及銅粉分別以每秒按其重量的1％作為添加量緩慢、勻速的加入第一混合漿，防止添加過快產(chǎn)生團(tuán)聚，不易混合。

優(yōu)選地，工業(yè)酒精與原料的體積比為1：1.5-3，該體積比下，原料可充分被工業(yè)酒精浸潤并分散于工業(yè)酒精內(nèi)，使超聲處理效果更佳。

接著，于超聲波頻率為20-30KHz的條件下攪拌50-60min，使原料中各成分充分混合，均勻分散于工業(yè)酒精內(nèi)。優(yōu)選地，攪拌速率為140-200r/min，促進(jìn)原料中各成分的充分混合。

干燥，得混合粉末。優(yōu)選地，于60-65℃條件下進(jìn)行蒸發(fā)干燥24-26h，使工業(yè)酒精揮發(fā)，從而得到干燥的混合均勻的混合粉末。

更優(yōu)選地，進(jìn)行該蒸發(fā)干燥的設(shè)備連通有工業(yè)酒精回收設(shè)備，減少工業(yè)酒精的浪費，以及減少制作成本。

將混合粉末置于300-350MPa環(huán)境下保壓110-130s，進(jìn)行冷壓壓制，在該冷壓壓制條件下，得到壓制為成品形狀的密實的壓坯，該壓坯密度適中，壓坯的氣孔數(shù)量以及氣孔體積較小，燒結(jié)后的體積收縮較小，便于精細(xì)化生產(chǎn)。

將壓坯置于3-4MPa條件下的氮氣氛圍中，由常溫升溫至850-900℃，保溫2.4-2.7h，燒結(jié)成型，該條件下使金屬組元合金化，強(qiáng)度高，摩擦性能佳。

優(yōu)選地，升溫以10-12℃/min的速度勻速進(jìn)行，使金屬粉末燒結(jié)的晶體中，晶格以最佳的速度勻速膨脹，有效填補(bǔ)晶格缺陷。

優(yōu)選地，將壓坯置于3MPa條件下的氮氣氛圍中，由常溫升溫至850℃時保溫2.5h，燒結(jié)成型，該條件范圍內(nèi)，可以有效增強(qiáng)原料各成分之間的相互結(jié)合，提高最終產(chǎn)品的密度以及性能。

冷卻，得到最終的銅基粉末冶金摩擦材料。優(yōu)選地，冷卻可以隨爐冷卻至600℃，在該時間段內(nèi)，顆粒內(nèi)部之間存在液相，因此隨爐冷卻過程中，晶體會繼續(xù)長大，有效填補(bǔ)晶格缺陷，進(jìn)行二次結(jié)晶而繼續(xù)長大。然后進(jìn)行淬冷，使晶體停止長大，并且由于顆粒驟然遇冷，迅速發(fā)生收縮，產(chǎn)生的應(yīng)力可以破壞燒結(jié)團(tuán)聚，從而降低最終的銅基粉末冶金摩擦材料的局部燒結(jié)現(xiàn)象，有效提高其強(qiáng)度以及耐磨性。

以下結(jié)合實施例對本發(fā)明的特征和性能作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

實施例1

一種銅基粉末冶金摩擦材料，其是由原料燒結(jié)而成，具體地，將納米碳化硅與工業(yè)酒精混合，于頻率為27KHz的條件下進(jìn)行超聲處理35min，得第一混合漿料；然后將石墨粉、錫粉、鐵粉、鎳粉、二氧化硅，以及銅粉分別以每秒按其重量的1％作為添加量緩慢、勻速加入第一混合漿料，在超聲波頻率為27KHz的條件下攪拌60min，其中攪拌速率為140r/min，使原料混合均勻后，于65℃條件下進(jìn)行蒸發(fā)干燥24h，得混合粉末；接著將混合粉末置于300MPa環(huán)境下保壓120s進(jìn)行冷壓壓制，將得到的壓坯置于3MPa條件下的氮氣氛圍中，由常溫以10℃/min的速度勻速升溫至900℃時保溫2.5h，使壓坯燒結(jié)成型，最后冷卻而得。其中，原料與工業(yè)酒精的體積比為1：2，原料按質(zhì)量百分比計，包括：粒徑為300目的錫粉6％；粒徑為200目的鐵粉6％；粒徑為200目的鎳粉5％；粒徑為200目的二氧化硅5％；粒徑為200目的石墨粉5％；納米碳化硅1％；余量為銅粉。

實施例2

一種銅基粉末冶金摩擦材料，其是由原料燒結(jié)而成，具體地，將納米碳化硅與工業(yè)酒精混合，于頻率為20KHz的條件下進(jìn)行超聲處理33min，得第一混合漿料；然后將石墨粉、錫粉、鐵粉、鎳粉、二氧化硅，以及銅粉分別以每秒按其重量的1％作為添加量緩慢、勻速加入第一混合漿料，在超聲波頻率為30KHz的條件下攪拌55min，其中攪拌速率為200r/min，使原料混合均勻后，于63℃條件下進(jìn)行蒸發(fā)干燥24h，得混合粉末；接著將混合粉末置于350MPa環(huán)境下保壓130s進(jìn)行冷壓壓制，將得到的壓坯置于4MPa條件下的氮氣氛圍中，由常溫以12℃/min的速度勻速升溫至880℃時保溫2.4h，使壓坯燒結(jié)成型，最后冷卻而得。其中，原料與工業(yè)酒精的體積比為1：3，原料按質(zhì)量百分比計，包括：粒徑為290目的錫粉6％；粒徑為210目的鐵粉6％；粒徑為210目的鎳粉5％；粒徑為200目的二氧化硅5％；粒徑為210目的石墨粉5％；納米碳化硅2％；余量為銅粉。

實施例3

一種銅基粉末冶金摩擦材料，其是由原料燒結(jié)而成，具體地，將納米碳化硅、納米石墨烯以及工業(yè)酒精混合，于頻率為30KHz的條件下進(jìn)行超聲處理35min，得第一混合漿料；然后將石墨粉、錫粉、鐵粉、鎳粉、二氧化硅，以及銅粉分別以每秒按其重量的1％作為添加量緩慢、勻速加入第一混合漿料，在超聲波頻率為20KHz的條件下攪拌50min，其中攪拌速率為140r/min，使原料混合均勻后，于60℃條件下進(jìn)行蒸發(fā)干燥24h，得混合粉末；接著將混合粉末置于330MPa環(huán)境下保壓110s進(jìn)行冷壓壓制，將得到的壓坯置于3.5MPa條件下的氮氣氛圍中，由常溫以11℃/min的速度勻速升溫至850℃時保溫2.7h，使壓坯燒結(jié)成型，最后冷卻而得。其中，原料與工業(yè)酒精的體積比為1：1.5，原料按質(zhì)量百分比計，包括：粒徑為300目的錫粉8％；粒徑為210目的鐵粉3％；粒徑為210目的鎳粉4％；粒徑為200目的二氧化硅4％；粒徑為200目的石墨粉6％；納米石墨烯0.2％；納米碳化硅0.5％；余量為銅粉。

實施例4

一種銅基粉末冶金摩擦材料，其是由原料燒結(jié)而成，具體地，將納米碳化硅、納米石墨烯以及工業(yè)酒精混合，于頻率為27KHz的條件下進(jìn)行超聲處理32min，得第一混合漿料；然后將石墨粉、錫粉、鐵粉、鎳粉、二氧化硅，以及銅粉分別以每秒按其重量的1％作為添加量緩慢、勻速的加入第一混合漿料，在超聲波頻率為25KHz的條件下攪拌60min，其中攪拌速率為160r/min，使原料混合均勻后，于64℃條件下進(jìn)行蒸發(fā)干燥24h，得混合粉末；接著將混合粉末置于340MPa環(huán)境下保壓124s進(jìn)行冷壓壓制，將得到的壓坯置于3MPa條件下的氮氣氛圍中，由常溫以10℃/min的速度勻速升溫至850℃時保溫2.5h，使壓坯燒結(jié)成型，最后冷卻而得。其中，原料與工業(yè)酒精的體積比為1：2，原料按質(zhì)量百分比計，包括：粒徑為300目的錫粉7％；粒徑為200目的鐵粉5％；粒徑為200目的鎳粉6％；粒徑為200目的二氧化硅6％；粒徑為200目的石墨粉6％；納米石墨烯0.5％；納米碳化硅4％；余量為銅粉。

試驗例

本發(fā)明中對固體摩擦劑納米碳化硅含量對該銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦性能的影響進(jìn)行了研究及驗證，具體地，在載荷80N時，不同轉(zhuǎn)速下納米碳化硅的添加量對銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦系數(shù)的影響以及對磨損量的影響，結(jié)果如圖1以及圖2所示。

由圖1可得，隨著納米碳化硅的添加量的增加，不同轉(zhuǎn)速下的銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦系數(shù)均為先下降后上升的趨勢，且在1500r/min時，納米碳化硅的添加量從0.5％時開始不斷增加至4％，期間摩擦系數(shù)不斷上升。

由圖2可得，隨著納米碳化硅的添加量的增加，不同轉(zhuǎn)速下的銅基粉末冶金摩擦材料均有一定的磨損量，且在500r/min與1000r/min時，納米碳化硅的添加量從0.5％時開始不斷增加至4％，期間磨損量變化較小。

因而結(jié)合圖1以及圖2，本發(fā)明原料中添加的質(zhì)量百分比為0.5-4％納米碳化硅，可以有效提高銅基粉末冶金摩擦材料的耐磨性。

以現(xiàn)有工藝制備的銅基粉末冶金摩擦材料作為對比例，其中，該對比例銅基粉末冶金摩擦材料的原料按質(zhì)量百分比計，包括：粒徑為300目的錫粉6％；粒徑為200目的鐵粉6％；粒徑為200目的鎳粉5％；粒徑為200目的二氧化硅5％；粒徑為200目的石墨粉5％；余量為銅粉。以實施例1為試驗例。利用顯微鏡觀察在載荷80N，轉(zhuǎn)速2000r/min下的試驗例以及對比例的摩擦形貌，結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖3與圖4對比可得，試驗例在負(fù)載80N轉(zhuǎn)速2000r/min下的摩擦形貌相比于對比例，表面更為平整、光滑，表面幾乎無變形。因而，試驗例制得的銅基粉末冶金摩擦材料的耐磨性更佳。

綜上所述，本發(fā)明實施例提供的銅基粉末冶金摩擦材料及其制備方法，能夠顯著提高銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨損性能，提高其強(qiáng)度，在實際應(yīng)用中，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，磨損率低。

以上所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。本發(fā)明的實施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。