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Cu-Fe-C摩擦材料粉末注射成形工艺研究及性能分析

周海霞  
【摘要】:铜基粉末冶金摩擦材料摩擦系数高、耐磨性好,目前已被广泛应用于制造高速列车制动元件、军工机械等。粉末注射成形技术可以消除传统粉末冶金材料成形过程中产生的密度梯度等问题,能一次性大批量成形任意复杂形状的零部件,且制品成分均匀、性能优异。 本文采用金属注射成形技术制备Cu-Fe-C摩擦材料,通过优化试验工艺参数,获得性能优异的试验样品。采用扫描电镜、超景深金相显微镜、摩擦磨损机等仪器设备,分析了Cu-Fe-C摩擦材料的微观组织、力学性能、摩擦磨损性能等,着重研究了Fe含量对Cu-Fe-C摩擦材料力学性能、摩擦系数、磨损量的影响。 试验结果表明:高的粉末装载量及热塑性石蜡基粘结剂体系可以保证喂料具备良好的流动性,且有利于后续的脱脂工艺。喂料制备的最佳工艺参数为:粉末装载量为58%,粘结剂为65%PW+35%LDPE+5%SA,混炼温度:130~145℃,混炼时间:2h。 采用正交试验法设计多组参数组合,系统地研究了注射温度、注射时间、注射压力等工艺参数对注射坯质量的影响。通过对注射工艺参数进行优化,得出Cu-Fe-C摩擦材料的最佳注射参数为:注射温度155℃,注射压力115MPa,注射速度45m s~(-1)。采用溶剂-热二步脱脂工艺对注射坯进行脱脂。结果表明:溶剂脱脂工艺为40℃×6h,粘结剂脱除量达76%,并形成连通孔隙网络;热脱脂在300℃以下采用低的升温速率可以保证得到无缺陷的脱脂坯,理想的热脱脂工艺选用:2℃/min升温至160℃保温60min→1℃/min升温至300℃保温90min→3℃/min升温至500℃保温60min→5℃/min升温至600℃保温60min→炉冷至室温。 研究了烧结温度、烧结时间、烧结气氛对烧结件性能的影响。试验结果表明:采用H2气氛烧结,并在低于900℃适当保温,可以充分还原残留氧化物。理想烧结工艺为:5℃/min升温至700℃保温120min→5℃/min升温至800℃保温120min→5℃/min升温至900℃保温60min→5℃/mi升温至1050℃保温180min→炉冷至室温。 随着Fe含量的提高,Cu-Fe-C粉末注射成形摩擦材料的密度稍有降低,高硬度、耐磨的Fe颗粒分布于铜基体中,可以提高材料的硬度、强度;Fe含量为8%时材料的硬度为58HV,抗拉强度为148MPa。材料中铜颗粒之间存在的孔隙及石墨为主要的裂纹源和扩展途径,能使材料发生脆性断裂;当摩擦速度为100~400r/min时,随着Fe含量的提高,Fe成为硬质粒子对对偶件产生强烈的犁削作用,增加了材料的摩擦系数;且由于Fe对基体的分割作用增强,增大了材料的磨损率,从而降低了材料的摩擦磨损性能。


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