一种铜基粉末冶金摩擦材料和具有铜基粉末冶金摩擦材料的板材及其制备方法

技术领域

本发明实施例涉及铜基摩擦材料领域，具体涉及一种铜基粉末冶金摩擦材料和具有铜基粉末冶金摩擦材料的板材及其制备方法。

背景技术

摩擦片是实现传动系统档位切换和功率传递的关键基础件，具有相对转速高、结构紧凑、传递功率大等特点，在各种汽车以及工程车辆上广泛使用。特殊的应用环境要求构成摩擦片的摩擦材料必须具有优异的综合性能，如稳定的摩擦系数，高度抗压性能，耐磨性好，导热性好，耐腐蚀等。

铜基摩擦材料基体成分以铜为主，添加锡、锌，铁，镍、磷等成分在烧结过程中合金化，参与基体组成，并同时降低烧结温度，改善力学性能，添加二氧化硅、氧化铝、氧化钴等金属氧化物及其他金属碳化物作摩擦组元，提高摩擦系数，添加石墨、金属硫化物、氟化物、低熔点金属作为润滑组元，保护对偶、稳定摩擦系数。据目前研究，很多铜基的摩擦材料，无论是在润滑条件下或干摩擦条件下都能有效的应用。但铜基粉末冶金摩擦材料仍然存在一些问题，最主要的是在工作过程中常出现热衰退现象，摩擦系数不稳定，磨损量明显变大。目前，虽然国内对铜基粉末冶金摩擦进行了大量的研究，但是主要以材料工艺研制为主，有关成分设计与优化的研究较少。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种铜基粉末冶金摩擦材料和具有铜基粉末冶金摩擦材料的板材及其制备方法，通过铜基非晶粉的引入，基于其他材料的进一步选择，从而有效提高整体摩擦材料的导热性，并改善其综合力学性能，提高其摩擦系数，进一步实现良好的耐磨性能。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

在本发明实施例的一个方面，提供了一种铜基粉末冶金摩擦材料，包括铜粉、合金粉、石墨粉、石英粉和铜基非晶粉。

作为本发明的一种优选方案，所述合金粉选自锌粉、锡粉、锑粉、铋粉、和锶粉中的至少两种；

所述铜基非晶粉为纳米级铜基非晶合金粉末，且所述铜基非晶合金粉末选自铜锆系合金、铜钛系合金、铜锗系合金和铜硅系合金中的至少一种。

作为本发明的一种优选方案，所述铜粉的含量为60-80重量％，所述合金粉的含量为2-20重量％，所述石墨粉的含量为10-25重量％，所述石英粉的含量为2-8重量％，所述铜基非晶粉的含量为1-10重量％。

作为本发明的一种优选方案，所述合金粉至少包括锌粉和锡粉，且所述锌粉与所述锡粉的含量的重量比为1:0.5-1.5。

作为本发明的一种优选方案，所述铜粉的粉末粒径不大于75μm，所述合金粉的粉末粒径不大于43μm，所述石墨粉的粉末粒径为200-500μm，所述石英粉的粉末粒径为100-300μm，所述铜基非晶粉的粉末粒径不大于200nm。

作为本发明的一种优选方案，所述石墨粉选自鳞片石墨。

在本发明的另一个方面，还提供了一种具有上述所述的铜基粉末冶金摩擦材料的板材的制备方法，所述制备方法包括：将铜粉、合金粉、石墨粉、石英粉和铜基非晶粉混合压制成坯，得到坯件；将制得的坯件置于芯板上，在加压条件下进行烧结，制得板材。

作为本发明的一种优选方案，混合压制成坯过程具体包括：

S100、在液体介质存在的条件下，将铜粉、合金粉、石英粉和铜基非晶粉进行球磨混合，得到半混料；

S200、在底吹条件下，向所述预混物中加入石墨粉进行球磨混合，得到预混料；

S300、停止底吹，在侧吹条件下对得到的预混料继续进行球磨混合，得到待处理混合料；

S400、向盛装有待处理混合料的混合环境中增压，对待处理混合料进行预压制；

S500、减压；

S600、重复步骤S400和S500两至三次后，得到处理后的混合料；

S700、将处理后的混合料压制成坯，得到坯件。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S100-S600采用混料装置进行制备，且所述混料装置包括内部形成有混料腔的混料罐，用于向所述混料罐中提供气体的气体提供机构，连通所述混料罐底部与所述气体提供机构的底吹组件，连通所述混料罐侧壁与所述气体提供机构的侧吹组件，以及至少部分位于所述混料罐中用于加压的增压组件；其中，

所述底吹组件包括用于连通所述气体提供机构的主管道，以及一端连通所述主管道，另一端延伸位于所述混料罐中的次管道；

多个所述次管道在所述混料罐中的开口端的高度不完全相同，且至少部分所述次管道中位于所述混料罐外侧的部分还连通设置有粉料存储槽。

作为本发明的一种优选方案，位于所述混料罐中的所述次管道在所述混料罐的底部沿周向方向环绕形成为至少三组，且多组所述次管道的高度自外向内顺次降低；

位于中间的一组所述次管道的直径大于位于外侧和内侧的多组所述次管道的直径，且位于外侧和内侧的所述次管道上沿高度方向排布形成有多个开口向下的出风口。

作为本发明的一种优选方案，压制成坯过程中的压制压力为50-500MPa；

烧结过程的加压压力为1-15MPa，烧结温度为650-950℃，烧结时间为3-10h。

作为本发明的一种优选方案，还包括对烧结后的芯板进行冷却。

在本发明的另一个方面，还提供了一种根据上述所述的制备方法制得的具有铜基粉末冶金摩擦材料的板材。

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明实施例通过引入铜基非晶粉作为摩擦组元，在充分利用其良好导热性和高硬高韧特性的前提下，进一步引入其他的特定组分，形成一定状态的微合金，从而提高制得的整个铜基粉末冶金摩擦材料中的原料分子之间的结合应力；在此基础上，基于特定组分的复配，提高整体的耐热性和耐磨性能，有效地优化其综合力学性能。同时，在此基础上采用先制坯，在将坯件与芯板结合的方式进行烧结，使得铜基粉末冶金摩擦材料与芯板的结合界面之间的分子力有效提高，结合界面之间形成一定的嵌合，使得铜基粉末冶金摩擦材料有效覆盖芯板，提高整个制得的板材使用时的力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的其中一种具体的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例2中制得的摩擦片A2的摩擦磨损形貌图；

图3为本发明对比例1中制得的摩擦片D1的摩擦磨损形貌图

图4为本发明实施例提供的混料装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的混料罐的底部的局部结构示意图。

图中：

1-混料罐；2-底吹组件；3-侧吹组件；4-增压组件；

11-混料腔；

21-主管道；22-次管道；23-粉料存储槽；24-出风口；25-石墨隔离网；

41-活塞组件；42-加气管。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种铜基粉末冶金摩擦材料，包括铜粉、合金粉、石墨粉、石英粉和铜基非晶粉。

在本发明的铜基粉末冶金摩擦材料中，铜粉为主要材料，合金粉、石墨粉、石英粉和铜基非晶粉为其他复配材料。这样的复配方式规避了传统铜基摩擦材料中除铜粉外，主要采用金属碳化物、非金属碳化物、金属氧化物或者非金属氧化物作为其他复配材料的混合方式。需要说明的是，传统的复配方式中虽然因为碳化物或氧化物的引入使得其具有良好的耐磨性能，然而，却由于原料本身导热性能较差，且上述碳化物或氧化物与铜基原料在结合界面上的结合强度较低，进一步导致摩擦过程中产生的热量不易导出，并且由于较高的摩擦作用力，使得上述碳化物或氧化物极易从铜基体上脱落，失去摩擦效果，导致整体摩擦系数降低并进一步加剧磨损，严重影响长期使用过程中的耐磨性能。进一步地，这里的合金粉选自低温合金粉。

同时，本发明中通过在铜粉中引入铜基非晶粉的前提下，进一步混入合金粉、石墨粉、石英粉，在整个使用过程中，基于铜基非晶粉易于其他原料反应，形成微合金，从而提高制得的整个铜基粉末冶金摩擦材料中的原料分子之间的结合应力，并进一步有效地优化其综合力学性能。

在本发明的一种优选的实施方式中，这里的合金粉可以进一步选自锌粉、锡粉、锑粉、铋粉和锶粉中的至少两种；

同样地，所述铜基非晶粉为纳米级铜基非晶合金粉末，且所述铜基非晶合金粉末选自铜锆系合金、铜钛系合金、铜锗系合金和铜硅系合金中的至少一种。

上述合金粉和铜基非晶合金粉末中的合金类型的针对性选择，进一步提高整个结合界面的分子间的结合应力，从而能够更好地提高整体结合过程中的嵌插效果，有效提高整体粘结性，在此基础上，能够使得制得的铜基粉末冶金摩擦材料各组分之间结合紧密度提高，有效增加其整体的耐磨性能。并且，上述材料的引入，使其具有更好的散热性能，进一步提高其耐热性，在此基础上也能够更好地避免常规此类摩擦材料中因散热不佳而出现的分解及耐磨性能的降低，有效保证其使用性能的前提下，大大提高其整体使用寿命。

同时，需要指出的是，这里的铜锆系合金、铜钛系合金、铜锗系合金和铜硅系合金各自可以在上述基本组分的前体下，进一步引入其他组分，形成三种或三种以上组元的合金体系，同时，形成的每一种独立的合金体系之间可以进一步混配，以通过合金体系之间的复配体系的形成，进一步提高整体的致密性和界面间的分子应力，更好地提高制得的铜基粉末冶金摩擦材料整体的耐磨和耐热等理化性能。当然，这里的单铜基合金或是多合金体系都需要使得其形成为非晶合金。

上述原料的含量可以在宽的范围内选择，当然，在本发明的一种优选的实施例中，基于对整个结合应力和耐磨性及耐热性的综合调节，所述铜粉的含量为60-80重量％，所述合金粉的含量为2-20重量％，所述石墨粉的含量为10-25重量％，所述石英粉的含量为2-8重量％，所述铜基非晶粉的含量为1-10重量％。

进一步优选的实施例中，所述合金粉至少包括锌粉和锡粉，且所述锌粉与所述锡粉的含量的重量比为1:0.5-1.5。通过锌粉和锡粉的复配，有效使得铜基非晶粉与合金粉和铜粉更好地形成紧密的结合面，并且，上述合金体系能够更好地结合住石墨粉和石英粉，从而有效防止耐磨材料的脱落，进一步提高整体的耐磨性能。

具体地，在一种优选的实施方式中，所述铜粉的粉末粒径不大于75μm，所述合金粉的粉末粒径不大于43μm，所述石墨粉的粉末粒径为200-500μm，所述石英粉的粉末粒径为100-300μm，所述铜基非晶粉的粉末粒径不大于200nm。通过对上述粉末的粒径的分层次限定，能够使得形成的铜基粉末冶金摩擦材料的混配更为均匀，且形成多种粒径不同，体系不同且层次相对均匀的叠层结构，更好地有效实现散热和耐磨性能。

这里的石墨粉可以选择任意合适的类型，例如，可以为膨胀石墨粉、人造石墨粉等，优选地，这里选择天然晶质石墨，更为优选地，所述石墨粉选自鳞片石墨。通过石墨的特定选择，能够有效保证耐磨性能的前提下，提高与其他原料之间的结合性，进一步提高整体的耐磨和耐热等综合力学性能。

如图1所示，本发明还提供了一种具有上述所述的铜基粉末冶金摩擦材料的板材的制备方法，所述制备方法包括：将铜粉、合金粉、石墨粉、石英粉和铜基非晶粉混合压制成坯，得到坯件；将制得的坯件置于芯板上，在加压条件下进行烧结，制得板材。

具体地，在混合压制成坯的过程中，其混合过程具体包括：

S100、在液体介质存在的条件下，将铜粉、合金粉、石英粉和铜基非晶粉进行球磨混合，得到半混料；

S200、在底吹条件下，向所述预混物中加入石墨粉进行球磨混合，得到预混料；

S300、停止底吹，在侧吹条件下对得到的预混料继续进行球磨混合，得到待处理混合料；

S400、向盛装有待处理混合料的混合环境中增压，对待处理混合料进行预压制；

S500、减压；

S600、重复步骤S400和S500两至三次后，得到处理后的混合料。

上述方法基于液体介质存在的前提下(这里的液体介质可以采用具有一定粘度的液体材料，例如，树脂类液态材料或是煤油等，优选地，这里可以采用煤油，以便于挥发排出)，对铜粉、合金粉、石英粉和铜基非晶粉此类相对刚性的粉末进行球磨预混，有效提高这类材质相对较硬的粉末的混匀程度；而后加入材质相对较软的石墨粉，在底吹条件下进行进一步的预混，能够更好地提高整个材料的混匀度。

需要进一步说明的是，这里通过底吹的方式不仅能够在混合过程中提高各种粉料之间的混合均匀性，且能够以底吹的方式引入气体，并可以在引入的气体中进一步混入石墨粉，从而将石墨粉以流动空气作为引入介质，进一步提高石墨粉在半混料中的混料的均匀性。并且，整个方式在混合过程中产生空气流动，更好地通过混料实现得到的摩擦材料的稳定性。

当上述物料混合后，通过侧吹的方式来实现不同方向的空气流动，进一步提高整个物料后期球磨混合中的物料的均匀度。待上述物料经过上述方式混匀后，采用增压和减压交错进行的方式，提高各原料之间的结合紧密度，同时，能够在增压和减压的交替进行的过程中，能够更好地实现多种原料之间界面的结合，提高分子间的作用力，为后续的压制成坯过程提供相对结合效果和混匀效果更好的混合物料。

为了更好地实现上述过程的简单有效的进行，在本发明的一种更为优选的实施例中，上述步骤采用混料装置进行制备，如图4和图5所示，所述混料装置包括内部形成有混料腔11的混料罐1，用于向所述混料罐1中提供气体的气体提供机构，连通所述混料罐1底部与所述气体提供机构的底吹组件2，连通所述混料罐1侧壁与所述气体提供机构的侧吹组件3，以及至少部分位于所述混料罐1中用于加压的增压组件4；其中，

所述底吹组件2包括用于连通所述气体提供机构的主管道21，以及一端连通所述主管道21，另一端延伸位于所述混料罐1中的次管道22；

多个所述次管道22在所述混料罐1中的开口端的高度不完全相同，且至少部分所述次管道22中位于所述混料罐1外侧的部分还连通设置有粉料存储槽23。

这里的混料罐1可以为可转动地设置，例如，优选为可自转地设置，当然，其他与其相连接的结构也可以根据情况与其同步运动，这里可以通过将上述能够相对静止的结构安装在同一个支撑架上，并通过支撑架的运动实现安装于其上的结构的运动并实现混料罐1的自转运动。

气体提供机构可以采用本领域技术人员能够理解和使用的任意合理的设备即可，只要使得其能够提供气体(优选为经过增压后的气体，以便于气体的流动)。

粉料存储槽23可以铰接连接于次管道22的侧壁上，并且，粉料存储槽23与次管道22连接的底部形成为斜面，且斜面外侧可以设置伸缩杆，通过伸缩杆的伸缩向上顶升整个粉料存储槽23，使得斜面由自次管道22向外斜向下倾斜逐渐变为自次管道22向外斜向上倾斜，从而完成石墨粉的倒入，并且，这里的斜面的底部可以形成导槽，以便于在整个变化过程中伸缩杆的端部跟随斜面的底部的变化出现相应的移动的情况的实现。同时，这里的次管道22中与所述斜面相连接铰接处沿周向方向形成有石墨隔离网，以使得气流能够流通，且能够止挡石墨的进入，避免石墨自次管道22掉入主管道21中而对整体装置的使用造成影响。

进一步优选的实施例中，位于所述混料罐1中的所述次管道22在所述混料罐1的底部沿周向方向环绕形成为至少三组，且多组所述次管道22的高度自外向内顺次降低。

更为优选的实施例中，位于中间的一组所述次管道22的直径大于位于外侧和内侧的多组所述次管道22的直径，且位于外侧和内侧的所述次管道22上沿高度方向排布形成有多个开口向下的出风口24。

这样的设置方式使得整个混料腔11中形成多层次(包括自内而外，自上而下)的气流出口，并使得整个混料腔11中能够有效形成空气的对流，提高整体的混料效果。

需要进一步说明的是，这里的增压组件4可以进一步包括可移动设置于所述混料罐1中的活塞组件41，以及贯通所述活塞组41件且开口端位于所述混料腔11中的加气管42，这样的设置方式能够通过活塞组件41和加气管42迅速有效地完成整个增压和减压的效果。当然，这里的活塞组件41优选采用双活塞密封件，以更好地对混料腔11进行密封。

在本发明的一种优选的实施例中，压制成坯过程中的压制压力为50-500MPa；

烧结过程的加压压力为1-15MPa，烧结温度为650-950℃，烧结时间为3-10h。

通过对压制压力和烧结过程中的加压压力的分别调整，能够在压制过程中使得其各原料之间紧密结合，提高整体耐磨性，避免出现脱落等问题；同时，烧结过程中采用相对较低的压力，并结合一定的烧结温度和烧结时间的设置，在不破坏芯板和坯件的结构的前提下，将坯件与芯板的结合面有效结合，使得坯件能够紧密覆盖在芯板上，同时，二者的结合面上至少部分相互嵌合，更好地避免出现脱落等问题。当然，这里的芯板可以根据需要选择任意合适的类型，例如，可以根据需要制备的产品进行选择，这里的产品可以选择任意合适的类型，例如，汽车摩擦片等。烧结过程可以在加压烧结炉中进行。

进一步优选的实施例中，还包括对烧结后的芯板进行冷却。这里的冷却可以为随炉冷却，当然，也可以为经过特定的冷却通道进行冷却。例如，更为优选的实施例中，这里可以经过梯度式冷却甬道进行冷却，这里的梯度式冷却可以至少包括三个顺次设置且温度递减的冷却区间，并且，相邻的两个冷却区间的温度差不大于50℃。当然，在本发明中，基于本发明的铜基粉末冶金摩擦材料的特性，这里可以包括在三个顺次设置的冷却区间之间还设置应力调节区间，所述应力调节区间包括顺次设置的第一调节区间、第二调节区间和第三调节区间，且第一调节区间的温度小于第二调节区间的温度，第三调节区间的温度位于第一调节区间和第二调节区间之间，且第一调节区间的温度低于烧结温度50-70℃，第二调节区间的温度低于烧结温度20-40℃。

本发明还提供了一种根据上述所述的制备方法制得的具有铜基粉末冶金摩擦材料的板材。

以下通过具体实施例进行进一步的说明。

其中，铜基非晶合金粉末为采用本领域技术人员能够理解的方式，例如，水淬法、电弧熔炼铜模吸铸法、压铸法和射流成形法在经过加工后得到的纳米级铜基非晶合金材料。具体地，在下述实施例中，这里的合金选择为铜锆系非晶合金，可以采用上述方法制备得到，也可以为常规市售品。

实施例1

将质量分数为：铜粉68％，锌粉5％，锡粉5％，鳞片石墨粉15％，石英粉6％，铜基非晶粉1％的原料粉末按比例配制混合料，然后按将混合料压制成坯后，制得坯件；将坯件置于芯板上，在加压烧结炉中进行烧结，得到摩擦片(即板材)A1。其中，这里的压制压力为50MPa，烧结压力为1MPa，烧结温度为650℃，烧结时间为3h。

实施例2

将质量分数为：铜粉65％，锌粉5％，锡粉5％，鳞片石墨粉15％，石英粉6％，铜基非晶粉4％的原料粉末按比例配制混合料，然后按将混合料压制成坯后，制得坯件；将坯件置于芯板上，在加压烧结炉中进行烧结，得到摩擦片(即板材)A2。其中，这里的压制压力为500MPa，烧结压力为15MPa，烧结温度为950℃，烧结时间为10h。

实施例3

将质量分数为：铜粉63％，锌粉5％，锡粉5％，鳞片石墨粉15％，石英粉6％，铜基非晶粉6％的原料粉末按比例配制混合料，然后按将混合料压制成坯后，制得坯件；将坯件置于芯板上，在加压烧结炉中进行烧结，得到摩擦片(即板材)A3。其中，这里的压制压力为200MPa，烧结压力为8MPa，烧结温度为800℃，烧结时间为7h。

实施例4

按照实施例1的制备方法进行制备，不同的是，锌粉用量为4％，锡粉用量为5％，同时还加入锶粉1％，得到摩擦片(即板材)A4。

实施例5

按照实施例2的制备方法进行制备，不同的是，锌粉用量为4％，锡粉用量为4％，同时还加入铋粉2％，得到摩擦片(即板材)A5。

对比例1

将质量分数为：铜粉69％，锌粉5％，锡粉5％，鳞片石墨粉15％，石英粉6％的原料粉末按照实施例1的制备方法进行制备，得到摩擦片D1。

对比例2

将质量分数为：铜粉69％，锌粉6％，锡粉4％，鳞片石墨粉15％，石英粉6％的原料粉末按照实施例2的制备方法进行制备，得到摩擦片D2。

检测例

将上述得到的A1-A5和D1、D2分别检测动摩擦系数、静摩擦系数、耐热系数和磨损量，得到的结果如表1所示。

表1

通过上述检测数据可以看出，通过本发明的方式制得的摩擦片的动摩擦系数和精磨擦系数均大于对比例中未加入铜基非晶粉制得的摩擦片的相应参数，且本发明得到的动摩擦系数基本在0.09以上，而对比例只有0.8左右，对应地，本发明的静摩擦系数基本在0.16以上，而对比例基本在0.15。同时，在耐热方面，本发明的耐热系数也明显高于对比文件中的耐热系数，磨损量也有一定的下降。因此，本发明中的方式得到的摩擦片在实现耐磨的前提下进一步实现了耐热性，有效防止出现脱落等问题，进而更好地提高了整体的综合力学性能。

同时，通过图2与图3可以看出，实施例2和对比例1中虽然都出现了一些局部的粘附物脱落，但是图3(即对比例1)中的点状分布更为密集，出现了相对较为严重的磨粒磨损现象；同时，图3(即对比例1)经过磨损试验后其分层现象明显，出现了明显的疲劳磨损，而图2中没有明显的分层。因此，可以看出，对比例中在经过磨损试验后其摩擦磨损形貌图反映出的磨损程度相对更为严重，而采用本发明制得的摩擦片的磨损程度得到了有效的缓解。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。