一种高耐磨Fe-Cu基粉末冶金复合材料及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高耐磨Fe‑Cu基粉末冶金复合材料及制备方法，该复合材料包括如下重量百分比的组分，Cu的含量为22％～43％，Al的含量为1％～4％，C的含量为2％～4％，MnS的含量为1％～2％，其余为Fe；各组分的重量百分比之和为100％。本发明专利技术通过合理的控制Fe、Cu与各摩擦和润滑组元的比例，优化基体组织结构，然后协同匹配适当烧结工艺，使复合材料具有优异的耐摩擦磨损性能，适于工业化应用。

A High Wear Resistance Fe-Cu Based Powder Metallurgical Composite and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种高耐磨Fe-Cu基粉末冶金复合材料及制备方法
本专利技术属于粉末冶金
，尤其是涉及一种高耐磨Fe-Cu基粉末冶金复合材料及制备方法。
技术介绍
粉末冶金摩擦材料是通过粉末冶金技术制成的复合材料，其中金属及其合金作为摩擦材料的基体，再添加摩擦组元和润滑组元。在实际生产中，铁基和铜基摩擦材料应用广泛，另外还有其他的一些不常用的摩擦材料，如铝基、镍基等。总的来说粉末冶金摩擦材料具有以下特点：足够满足生产使用的强度，稳定而合适的摩擦因数，热膨胀系数较小，工作时性能平稳可靠，较耐磨且污染少。铁基粉末冶金摩擦材料是以铁粉为主要成分，铁的熔点较高，其强度、硬度、塑性、耐热强度和抗氧化性等可通过添加合金元素加以调整。铁基摩擦材料比铜基摩擦材料较容易粘合，摩擦因数变动较大，但其耐高温性能和强度好，耐压性、韧性、承载能力强以及经济性较好。由于铜及铜合金导热性能优于铁及铁合金，抗氧化性能好，有较高的强度和硬度，与铁质对偶件相溶性较小，因此铜基摩擦副接合较为平稳，耐磨性好，但其在高负荷条件下摩擦系数稳定性较差，且铜的价格要比铁高。而对于传统提高材料的耐磨性能的手段是采用固溶强化理论，一般Cu在1300℃下的固溶度为16％左右。所以传统Fe基材料添加的Cu含量在16％左右，但是，仅仅通过固溶强化提高材料耐磨性能是不够的，单纯的添加少量Cu含量存在如下缺点：1)添加少量Cu无法克服Fe与之配合件较大的相容性，在制动过程中铁基摩擦材料很容易损害二元性的表面，还会在其表面形成一个深或浅的凹槽，致使材料摩擦系数变化范围大，同时容易导致制动不稳定或失效。2)材料在制动过程中会产生的巨大热量，铜含量过少会致使材料散热性差且会使摩擦材料的强度大幅度降低，还产生了较大的磨损量，影响了其摩擦稳定性和使用寿命。因此，有必要研究一种新的粉末冶金复合材料，使其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摩擦材料，以满足现代工业社会，人们对摩擦材料综合性能的苛刻要求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种高耐磨Fe-Cu基粉末冶金复合材料及制备方法，该复合材料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，本专利技术的Fe-Cu基摩擦材料克服了铁与之对偶件的粘连性和铜的高温不稳定，热膨胀系数大等缺点，因而具有优异的耐磨性能，对于工业应用具有极大的价值。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种高耐磨Fe-Cu基粉末冶金复合材料，其特征在于：包括如下重量百分比的组分，Cu的含量为22％～43％，Al的含量为1％～4％，C的含量为2％～4％，MnS的含量为1％～2％，其余为Fe；各组分的重量百分比之和为100％。该材料中的一部分Cu与Fe组织紧密结合，具有固溶强化的作用，还降低了铜的热膨胀系数，加强了材料的密度和耐磨性能；另一部分Cu还均匀分布在Fe基体上形成晶粒尺寸细小的铜骨架，增强了材料的润滑性能并使材料的导热，导电性有明显的提高。此外本专利技术中的MnS在Fe-Cu基摩擦材料中能产生固溶强化的作用，C使材料在摩擦过程中对磨环形成固体润滑碳膜，在和铁结合中形成FeC，也起到固溶强化的作用，共同提高了材料的耐磨性能。Al在烧结过程中成液态，而在高温中形成薄且致密Al2O3膜薄，与基体结合牢固，起到了减小摩擦系数的作用。优选的，包括如下重量百分比的组分，Cu的含量为22％～33％，Al的含量为2％～3％，C的含量为2％～4％，MnS的含量为1％～2％，其余为Fe；各组分的重量百分比之和为100％。优选的，所述Cu与Fe的质量比为0.30～0.82。优选的，所述Cu与Fe的质量比为0.59～0.82。Fe与Cu之比在此范围之内形成的Cu网骨架晶粒更细小，强度更高，具有更高的散热速率，从而具有更优良的耐磨性能。本专利技术还提供了一种制备如上所述高耐磨Fe-Cu基粉末冶金复合材料的方法，复合材料的烧结温度为1086℃～1296℃，烧结时间为40～90min。本专利技术还提供了如上所述的高耐磨Fe-Cu基粉末冶金复合材料在民航飞机、高速列车、风力发电设备以及汽车的离合器或刹车装置中；以及如上所述的制备方法制备的复合材料在民航飞机、高速列车、风力发电设备以及汽车的离合器或刹车装置中。相对于现有技术，本专利技术所述的一种高耐磨Fe-Cu基粉末冶金复合材料及制备方法，有以下优势：本专利技术中的Fe、Cu和C在烧结前组织分布成块状，在经过1086℃～1296℃烧结后其组织分布变得致密紧凑。在Cu/Fe质量比的控制下，Fe和Cu的组织紧密结合，一部分铜与铁形成了铁铜固溶体，这样对材料形成了固溶强化的作用，促进了珠光体的转变，同时也促进了渗碳的进程，组织界面之间的结合力增大，使结构更加紧凑，大大的加强了粉末冶金材料的物理机械性能，也克服了铁的粘连性和铜的高温不稳定性；另一部分均匀分布在Fe基体上形成晶粒尺寸细小的铜骨架，加强了材料耐磨性能。C与基体组织发生了一定的组织转变，一部分C与Fe相结合形成FeC，起到了固溶强化的作用，另一部分使材料在摩擦过程中对磨环形成固体润滑碳膜，降低了材料的摩擦系数以及FeC长时间的存在于基体表面上，能够提高材料的摩擦性能，促使材料的综合性能得到全方面的提升。本专利技术复合材料中，S和Mn因为固溶强化，形成间隙固溶体，增强了复合材料的密度和硬度，使材料具有良好的耐热性和摩擦性能。Al在烧结过程中成液态，而在高温中形成薄且致密的Al2O3膜薄，强了基体表面的耐磨、耐腐蚀性能，与基体结合牢固，起到减小摩擦系数的作用。本专利技术通过合理的控制Fe、Cu与各摩擦和润滑组元的比例，优化基体组织结构，然后协同匹配适当烧结工艺，使复合材料具有优异的耐摩擦磨损性能，适于工业化应用。附图说明图1为本专利技术实施例2所述铁-铜基粉末冶金材料在1191℃烧结前的X-ray衍射图；图2为本专利技术实施例2所述铁-铜基粉末冶金材料在1191℃烧结后的X-ray衍射图；图3为本专利技术实施例5所述铁-铜基粉末冶金材料烧结前的扫描电子显微镜图；图4为本专利技术实施例5所述铁-铜基粉末冶金材料烧结后的扫描电子显微镜图；图5是实施例1的摩擦因数随时间变化的关系图。图6是实施例2的摩擦因数随时间变化的关系图。图7是实施例3的摩擦因数随时间变化的关系图。图8是实施例4的摩擦因数随时间变化的关系图。图9是实施例5的摩擦因数随时间变化的关系图。图10是实施例6的摩擦因数随时间变化的关系图。图11是实施例7的摩擦因数随时间变化的关系图。图12是对比例1的摩擦因数随时间变化的关系图图13是对比例2的摩擦因数随时间变化的关系图。具体实施方式除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本专利技术所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下面结合实施例来详细说明本专利技术。实施例1一种高耐磨Fe-Cu基粉末冶金复合材料，包括以下各组份按重量份制备而成：Cu的含量为22％，Al的含量为1％，C的含量为1.5％，MnS的含量为1.5％，其余为Fe，其中Cu与Fe的质量比为0.30。烧结温度为1086℃，时间为55min；在试验压强为2.9×105Pa和转速为300r/min条件下，服役15min后，其平均摩擦系数为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高耐磨Fe‑Cu基粉末冶金复合材料，其特征在于：包括如下重量百分比的组分，Cu的含量为22％～43％，Al的含量为1％～4％，C的含量为2％～4％，MnS的含量为1％～2％，其余为Fe；各组分的重量百分比之和为100％。

【技术特征摘要】
1.一种高耐磨Fe-Cu基粉末冶金复合材料，其特征在于：包括如下重量百分比的组分，Cu的含量为22％～43％，Al的含量为1％～4％，C的含量为2％～4％，MnS的含量为1％～2％，其余为Fe；各组分的重量百分比之和为100％。2.根据权利要求1所述的高耐磨Fe-Cu基粉末冶金复合材料，其特征在于：包括如下重量百分比的组分，Cu的含量为22％～33％，Al的含量为2％～3％，C的含量为2％～4％，MnS的含量为1％～2％，其余为Fe；各组分的重量百分比之和为100％。3.根据权利要求1或2所述的高耐磨Fe-Cu基粉末冶金复合材料，其特征在于：所述Cu...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵齐，石磊，杨继彪，陈浩，
申请(专利权)人：湖北汽车工业学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42