一种高摩擦系数制动材料的制备方法
技术领域
本发明属于摩擦制动材料制备技术领域，特别涉及粉末冶金技术中的一种高摩擦系数制动材料的制备方法。
背景技术
摩擦制动材料是利用摩擦传递或吸收动能的材料，按其工作环境的要求，需要有稳定的摩擦系数，一定的高温机械强度，良好的导热性能、耐磨性能和抗粘着性能，低噪声，少污染等性能。从而满足各类机械设备传动与制动的性能要求。
金属基摩擦制动材料按照组成可以分为熔铸金属及粉末冶金材料。其中熔铸金属如钢、铸铁、以及铜合金等主要用于早期的低速制动方面，但金属单体易于与对偶发生粘结，且在高速制动工况下，摩擦系数较低且不稳定，故在单体金属中加入各种组元来提高其机械性能及摩擦性能，如在铸铁中加入P、Cr等元素用以提升其摩擦性能。粉末冶金摩擦材料是将摩擦组元及润滑组元加入基体金属后压制烧结而成的，其成分可以按照不同的工况进行调节，应用较为灵活，因而应用更为广泛，如矿山机械、石油机械、交通运输、特种车辆以及飞机等均采用了粉末冶金摩擦材料。
粉末冶金摩擦制动材料按照基体的不同主要有铁基、铜基、铁铜基等现如今大量使用的摩擦材料，还有正在发展中的镍基、钼基、以及铍基等新型粉末冶金摩擦材料。铁基摩擦材料耐高温，能承受较大负荷、机械强度大且价格便宜；然而铁基摩擦材料虽然摩擦系数大，强度高，但易于对偶件表面发生粘着，摩擦系数稳定性差，耐磨性不如铜基摩擦材料。铜基摩擦材料工艺性能好，摩擦系数稳定，抗粘结、抗卡滞性能好、导热性好，但摩擦系数小，且经济成本较高，而且在废弃后，由于长期堆存，重金属Cu元素会发生大规模活化、迁移，会对周边环境产生重金属污染和危害。
随着技术发展，机器功率、载荷以及速度进一步提高，对摩擦材料的性能要求也进一步提高，而将金属型摩擦制动材料中铁基和铜基的优点综合起来制得的铁铜基摩擦材料兼具铁基摩擦材料耐高温，基体强度大的优点，同时也有铜基导热性能良好，摩擦系数稳定的优点，也减少了铜的用量，降低了成本，减少环境污染。那么就迫切需要发明一种既具备铜基摩擦材料的优点同时又兼备铁基摩擦材料的长处的新型摩擦材料，以满足现代工业社会人们对摩擦制动材料综合性能的苛刻要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高摩擦系数制动材料的制备方法，利用粉末冶金技术把铁基和铜基摩擦材料的优点结合起来，制备具有高摩擦系数不小于0.6的铁铜基摩擦制动材料；所添加的辅助组元、润滑组元和摩擦组元均不含有害、危险的化学物质，且符合我国及欧美等国家的环保要求；原料来源方便、价格合适、操作简单，效率较高，适合规模化生产。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种高摩擦系数制动材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，原料准备
主组元为：粒径150-200目的还原铁粉，电解铜粉；辅助组元为：粒径150-200目的镍粉、钛粉和锡粉；润滑组元为：粒径100-150目的鳞片状石墨和二硫化钼；摩擦组元为：粒径60-100目的不规则状的碳化硅、锆英砂、高岭土和碳酸钙；
步骤2，配比及混合
按照质量份数，先把铜粉50-55份、铁粉15-20份以及占两者总质量2-5％的酒精，湿混2-3小时；然后在任意钢模中冷压，施加压力为2-3吨/厘米2，再破碎成不规则的粉体，此过程至少重复2次，使粉体粒径达到0.2-1mm；再按照质量份数，称取镍粉6-8份、钛粉6-8份、锡粉2-3份、石墨3-4份、二硫化钼1-1.5份、碳化硅2.5-3.5份、锆英砂3.5-4.5份、高岭土2.5-3.5份、碳酸钙1-1.5份，按添加完总的混合粉体计，再添加0.01-0.02升/公斤的工业酒精，在“Y”字型混料器中湿混2-4小时，混合好粉体的松装密度是2.5-4.0克/厘米3；
步骤3，冷压成型
按照制动摩擦片的形状尺寸，在预先做好的钢压模具中把步骤2混合好的粉体冷压成型为生坯，装粉量是压坯高度的1.5-3.5倍，压制压力是4-6吨/厘米2；
步骤4，剪裁钢背
将厚度4-6毫米的普通20钢正火或退火处理，布氏硬度不超过200HB，按照所制摩擦制动块的尺寸，剪裁成相应的形状和尺寸；
步骤5，热压烧结
将步骤3的生坯与步骤4的钢背按照工艺孔叠放在一起，依次摆放在不锈钢托盘上，再把装满零件的托盘放入炉膛，盖好炉盖，施加3-5公斤/厘米2的压制压力，然后以2-4升/小时通入分解氨或纯氮气，再以140-200℃/小时的速度升高温度至830-870℃保温2-3小时，然后以300～400℃/小时速率冷却至200℃以下，撤去压力，关闭所通保护气氛，打开炉盖出炉；
步骤6，表面处理
将步骤5烧结好的摩擦制动块放置在平面磨床上，装卡好后，对摩擦块的表面进行磨削加工，使其达到图纸尺寸厚度要求和表面精度要求；然后对钢背表面快速超音速喷涂厚度5～15微米的氧化铝陶瓷，喷涂过程中对摩擦块加热不超过500℃，防止高摩擦系数复合材料因喷涂产生的高温影响钢背与摩擦块的结合强度。
本发明的有益效果：
本发明所制备的刹车片摩擦块，摩擦系数高达0.60-0.70，摩擦块中不含有对环境有影响的有害有毒合金元素。添加的合金元素相互间少量反应，如铜铁可部分固溶，铜与锡形成化合物、钛与碳形成硬质相碳化钛起到固溶强化、增加各相之间连接强度的作用。工艺简单、易于制作，成本较低。
附图说明
图1是实施例三的刹车片示意图。
图2是四个实施例不同铁铜配比的铁铜基摩擦材料金相示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细叙述。
实施例1
制备尺寸为20×40×5mm的摩擦制动块，制备方法包括以下步骤：
步骤1，原料准备
主组元为：粒径200目的还原铁粉，电解铜粉；辅助组元为：粒径200目的镍粉、钛粉和锡粉；润滑组元为：粒径100目的鳞片状石墨和二硫化钼；摩擦组元为：粒径100目的不规则状的碳化硅、锆英砂、高岭土和碳酸钙。
步骤2，配比及混合
按照质量份数，先把铜粉55份和铁粉15份以及与两者总质量5％的酒精湿混2小时；然后在任意钢模中冷压，施加的压力为3吨/厘米2，再破碎成不规则的粉体，此过程至少重复2次，使粉体粒径达到0.8mm；再按照质量份数，添加镍粉6份、钛粉6份、锡粉2份、石墨3份、二硫化钼1份、碳化硅3.5份、锆英砂4.5份、高岭土3份、碳酸钙1份，同时按混合粉体计，添加0.02升/公斤的工业酒精，在“Y”字型混料器中湿混4小时，混合好粉体的松装密度是2.5-4.0克/厘米3。
步骤3，冷压成型
按照制动摩擦片20×40×5mm的形状尺寸，在预先做好的钢压模具中，把步骤2混好的粉体冷压成型为生坯，装粉量是压坯高度的3.5倍，压制压力是6吨/厘米2。
步骤4，剪裁钢背
将厚度为6毫米的普通20钢正火或退火处理态，布氏硬度不超过200，按照所制摩擦制动块的尺寸，剪裁成相应的形状和尺寸。
步骤5，热压烧结
将步骤3的生坯与步骤4的钢背按照工艺孔叠放在一起后，依次摆放在不锈钢托盘上，再把装满零件的托盘放入炉膛，盖好炉盖，施加5公斤/厘米2的压制压力，然后通入分解氨或纯氮气4升/小时，再以200℃/小时的速度升高温度至870℃保温3小时，然后以400℃/小时速率冷却至200℃以下，撤去压力，关闭所通保护气氛，打开炉盖出炉。
步骤6，表面处理
将步骤5烧结好的摩擦制动块放置在平面磨床上，装卡好后，对摩擦块的表面进行少量磨削加工，使其达到图纸尺寸厚度要求和表面精度要求；然后对钢背表面快速超音速喷涂厚度15微米的氧化铝陶瓷，喷涂过程中对摩擦块加热不超过500℃，防止高摩擦系数复合材料产生的高温影响摩擦块与钢背的结合强度。
实施例二
制备尺寸为φ50×4mm的摩擦制动块，制备方法包括以下步骤：
步骤1，原料准备
主组元为：粒径150目的还原铁粉，电解铜粉；辅助组元为：粒径200目的镍粉、钛粉和锡粉；润滑组元为：粒径100目的鳞片状石墨和二硫化钼；摩擦组元为：粒径60目的不规则状的碳化硅、锆英砂、高岭土和碳酸钙。
步骤2，配比及混合
按照质量份数，先把铜粉50份、铁粉19份与占两者总质量2％的酒精湿混3小时；然后在任意钢模中冷压，施加的压力为2吨/厘米2，再破碎成不规则的粉体，此过程至少重复2次，使其粒径达到0.2mm；再按照质量份数，称取镍粉7份、钛粉7份、锡粉2份、石墨3.5份、二硫化钼1.5份、碳化硅2.5份、锆英砂3.5份、高岭土2.5份、碳酸钙1.5份，按混合粉体计添加0.01升/公斤的工业酒精，在“Y”字型混料器中湿混2-4小时，混合好粉体的松装密度是2.5-4.0克/厘米3。
步骤3，冷压成型
按照制动摩擦片φ50×4mm的形状尺寸，在预先做好的钢压模具中，把步骤2混好的粉体冷压成型为生坯，装粉量是压坯高度的1.5倍，压制压力是4吨/厘米2。
步骤4，剪裁钢背
将厚度4毫米的普通20钢正火或退火处理态，布氏硬度不超过200HB，按照所制摩擦制动块的尺寸，剪裁成相应的形状和尺寸。
步骤5，热压烧结
将步骤3的生坯与步骤4的钢背按照工艺孔叠放在一起后，依次摆放在不锈钢托盘上，再把装满零件的托盘放入炉膛，盖好炉盖，施加3公斤/厘米2的压制压力，然后通入分解氨或纯氮气2升/小时，再以140℃/小时的速度升高温度至830℃保温2小时，然后以300℃/小时速率冷却至200℃以下，撤去压力，关闭所通保护气氛，打开炉盖出炉。
步骤6，表面处理
将步骤5烧结好的摩擦制动块放置在平面磨床上，装卡好后，对摩擦块的表面进行少量磨削加工，使其达到图纸尺寸厚度要求和表面精度要求；然后对钢背表面快速超音速喷涂厚度5微米的氧化铝陶瓷，喷涂过程中对摩擦块加热到不超过500℃，防止高摩擦系数复合材料因喷涂产生的高温影响钢背与摩擦块的结合强度。
实施例三
制备尺寸如图1所示的摩擦制动块，图中：1—钢背，2—摩擦块(生坯)，3—工艺孔，制备方法包括以下步骤：
步骤1，原料准备
主组元为：粒径180目的还原铁粉，电解铜粉；辅助组元为：粒径200目的镍粉、钛粉和锡粉；润滑组元为：粒径100目的鳞片状石墨和二硫化钼；摩擦组元为：粒径80目的不规则状的碳化硅、锆英砂、高岭土和碳酸钙。
步骤2，配比及混合
按照质量份数，把铜粉51份、铁粉16份以及与占两者总质量4％的酒精湿混2小时；然后在任意钢模中冷压，施加压力为2.5吨/厘米2，再破碎成不规则的粉体，此过程至少重复2次，使粉体粒径达到0.5mm；再按照质量份数，称取镍粉8份、钛粉8份、锡粉2.3份、石墨3.3份、二硫化钼1.2份、碳化硅2.7份、锆英砂3.6份、高岭土2.7份、碳酸钙1.2份，同时按混合粉体计添加0.01升/公斤的工业酒精，按比例在“Y”字型混料器中湿混3小时，混合好粉体的松装密度是3.5克/厘米3。
步骤3，冷压成型
按照制动摩擦片的形状尺寸，在预先做好的钢压模具中把步骤2混好的粉体冷压成型为生坯，装粉量是压坯高度的3倍，压制压力是5吨/厘米2。
步骤4，剪裁钢背
将厚度5毫米的普通20钢正火或退火处理态，布氏硬度不超过200HB，按照所制摩擦制动块的尺寸，剪裁成相应的形状和尺寸。
步骤5，热压烧结
将步骤3的生坯2与步骤4的钢背1按照工艺孔3叠放在一起后，依次摆放在不锈钢托盘上，再把装满零件的托盘放入炉膛，盖好炉盖，施加4公斤/厘米2的压制压力，然后通入分解氨或纯氮气3升/小时，再以160℃/小时的速度升高温度至850℃保温2.5小时，然后以350℃/小时速率冷却至200℃以下，撤去压力，关闭所通保护气氛，打开炉盖出炉。
步骤6，表面处理
将步骤5烧结好的摩擦制动块放置在平面磨床上，装卡好后，对摩擦块的表面进行少量磨削加工，使其达到图纸尺寸厚度要求和表面精度要求；然后对钢背表面快速超音速喷涂厚度10微米的氧化铝陶瓷，喷涂过程中对摩擦块加热不超过500℃，防止高摩擦系数复合材料因喷涂产生的高温影响钢背与摩擦块的结合强度。
实施例四
制备尺寸为40×40×8mm的摩擦制动块，制备方法包括以下步骤：
步骤1，原料准备
主组元为：粒径160目的还原铁粉，电解铜粉；辅助组元为：粒径200目的镍粉、钛粉和锡粉；润滑组元为：粒径100目的鳞片状石墨和二硫化钼；摩擦组元为：粒径100目的不规则状的碳化硅、锆英砂、高岭土和碳酸钙。
步骤2，配比及混合
按照质量份数，先把铜粉53份、铁粉16份以及与占两者总质量3％的酒精湿混2小时；然后在任意钢模中冷压，施加压力为3吨/厘米2，再破碎成不规则的粉体，此过程至少重复2次，使粉体粒径达到0.8mm；再按照质量份数，添加镍粉6.5份、钛粉6.5份、锡粉2份、石墨3份、二硫化钼1.3份、碳化硅3.3份、锆英砂4.2份、高岭土3.2份、碳酸钙1份，同时按混合粉体计添加0.02升/公斤的工业酒精，在“Y”字型混料器中湿混4小时，混合好粉体的松装密度是2.5-4.0克/厘米3。
步骤3，冷压成型
按照制动摩擦片40×40×8mm的形状尺寸，在预先做好的钢压模具中把步骤2混好的粉体冷压成型为生坯，装粉量是压坯高度的2倍，压制压力是5吨/厘米2。
步骤4，剪裁钢背
将厚度5毫米的普通20钢正火或退火处理态，布氏硬度不超过200，按照所制摩擦制动块的尺寸，剪裁成相应的形状和尺寸。
步骤5，热压烧结
将步骤3的生坯与步骤4的钢背按照工艺孔叠放在一起后，依次摆放在不锈钢托盘上，再把装满零件的托盘放入炉膛，盖好炉盖，施加4.5公斤/厘米2的压制压力，然后通入分解氨或纯氮气3.5升/小时，再以200℃/小时的速度升高温度至860℃保温2.5小时，然后以370℃/小时速率冷却至200℃以下，撤去压力，关闭所通保护气氛，打开炉盖出炉。
步骤6，表面处理
将步骤5烧结好的摩擦制动块放置在平面磨床上，装卡好后，对摩擦块的表面进行少量磨削加工，使其达到图纸尺寸厚度要求和表面精度要求；然后对钢背表面快速超音速喷涂厚度8微米的氧化铝陶瓷，喷涂过程中对摩擦块加热不超过500℃，防止高摩擦系数复合材料产生的高温影响摩擦块与钢背的结合强度。
图2及下表显示了不同实施例的摩擦组元配比的铁铜基摩擦材料摩擦系数：
