CN102787253B

CN102787253B - SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料的制备方法

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Publication number: CN102787253B
Application number: CN201210260288.7A
Authority: CN
Inventors: 周永欣; 苑凌霄; 吕振林
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: CN102787253A

Abstract

本发明公开一种SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料的制备方法，将SiC颗粒经过预处理，与石墨颗粒混合，再添加粘结剂以及硼酸和氟化钠得到预制膏体，涂覆泡沫表面，烘干并与浇注系统组装；然后涂刷消失模铸造耐火涂料，低温下烘烤干燥；浇注时将制备好的浇注系统与组合体模型放入砂型，抽真空后熔炼黄铜，并用磷铜脱氧，木炭作覆盖剂，待铜完全熔化达到设定的浇注温度后，在负压度下完成浇注，保持一定的负压铸渗时间冷却后经切割、打磨后即得。通过本发明方法制备的SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料复合层表面较平整，增强颗粒分布较均匀，厚度可以达到2~2.5mm，复合层与基体的界面结合良好，无明显的团聚现象。

Description

SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于金属基表面复合材料的制备技术领域，涉及一种颗粒混杂增强型金属基表面复合材料的制备方法，具体涉及一种SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料的制备方法。

背景技术

材料表面改性的研究是材料科学发展的重要分支，它是在不大幅度改变原材料基本性能的基础上通过各种技术方法改善或提高材料的表面性能，使材料的功能更符合现代高技术的要求，材料的表面改性研究不仅可以提高零件的寿命、减少磨损，而且可以很大程度上提高经济效益。单就耐磨材料而言，表面改性也显得尤为重要，因为多数零件的磨损都是从表面发生破坏开始，而表面改性可以在基本不改变材料原有性能的同时大幅度提高材料的表面耐磨性，因此具有重要的研究价值和现实意义。

当前，金属的表面改性方法主要有热喷涂工艺、堆焊工艺、激光熔覆工艺、化学或物理气相沉积法、粉末堆积法、颗粒梯度排列法、自蔓延高温合成技术等。

热喷涂工艺是将熔融状态的喷涂材料，通过高速气流使其雾化喷射在零件表面，形成喷涂层的金属表面加工方法；堆焊是在工件的表面或边缘熔敷一层耐磨、耐蚀、耐热等性能的金属层的焊接工艺；激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，它是利用高能激光束在金属表面辐照，通过迅速熔凝，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，从而构成一种新的复合材料，以增强基材的性能；化学气相沉积(CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术，它本质上属于原子范畴的气态传质过程，与之相对的是物理气相沉积（PVD），物理气相沉积是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上；粉末堆积法是首先将两种以上的粉末或晶须按照设计成分比例混合，然后将其逐层填入压模里加压成FGM素坯，最后采用常压或加压烧结工艺烧结成型的方法；颗粒梯度排列法分为颗粒直接填充法和薄膜叠层法，颗粒直接填充法是使不同比例混合的颗粒在成型时呈梯度分布，再压制烧结，而薄膜叠层法是先用流延法制取具有不同成分的薄片，然后将薄片叠成FGM素坯，再利用加压烧结或无压烧结制备FGM的方法。自蔓延高温合成技术是利用高放热反应形成燃烧波使化学反应自发地持续下去，在这一过程中完成材料的合成和制备的方法。

颗粒增强型金属基表面复合材料作为一种重要的材料表面改性方法，具有成本低廉，微观结构均匀，材料各向同性，可采用铸造、挤压和轧制等传统的金属加工工艺进行加工等优点，而且增强颗粒和金属基体的体积分数可根据要求在较大范围内进行调整，因此对颗粒增强型金属基表面复合材料的研究具有重要的意义。

但是现有铜基表面改性技术中复合层较薄，不利于块状大型材料的制备，同时现有方法需要大型的机械设备，生产成本低，不利于生产规模，受批量的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料的制备方法，解决了现有铜基表面改性技术中复合层较薄，不利于块状大型材料的制备的缺点。

本发明所采用的技术方案是，一种SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料的制备方法，具体按照以下步骤进行，

步骤1

对SiC颗粒进行表面预处理：将SiC颗粒置于清水中，放入超声波清洗器清洗10~15min，去除SiC颗粒中掺杂的灰土；然后将水洗后的SiC颗粒放置于SHD电热式干燥箱中，在200~300℃的温度下烘烤1小时，去除SiC颗粒表面吸附的易挥发污染物；SiC颗粒降至室温后，将SiC颗粒放入丙酮中进行超声波清洗10~15min，反复2~3次，清洗SiC颗粒表面的残留有机物杂质，然后在120~150℃下烘干；

按照质量百分比将86%~92%的表面预处理过的SiC颗粒，2%~8%的石墨颗粒，2%的硼酸，2%氟化钠，2%粘土混合，并加入混合物总质量20%~25%的水，搅拌均匀，得到预制膏体；

步骤2

切割泡沫材料为长方体形状，并将步骤1中制备的预制膏体均匀地涂覆在泡沫中面积最大的面上，涂覆厚度为2mm，然后在30~40℃的温度下烘干，得到膏体泡沫组合体；

步骤3

将经步骤2干燥后的膏体泡沫组合体与浇注系统粘接组装，并在膏体表面涂刷消失模铸造耐火涂料，耐火涂料涂刷厚度为1mm，之后在30~40℃的温度下烘烤至完全干燥，得到组合体；

步骤4

将步骤3制备好的组合体放入砂型中，经充砂、震实后用SK-SY型水环式真空泵对砂型抽真空，当砂型内负压度达到0.06~0.07MPa的大气压时，用中频感应电炉熔炼铜块，加入脱氧剂和覆盖剂，当铜块完全熔化，并达到1250℃的浇注温度后，进行浇注，浇注时砂型内负压度大小为0.056~0.058MPa，浇注后保持砂型内负压度15~20min，之后待砂型冷却至常温后除去砂型，切割、打磨后即得。

本发明的特点还在于，

步骤1中SiC颗粒粒径为125~600μm，石墨颗粒粒径为425~600μm。

步骤2中的泡沫为聚苯乙烯泡沫，聚苯乙烯泡沫的长度、宽度和高度分别为100mm×60mm×12mm。

步骤3中所述耐火涂料按照质量百分比由以下材料组成：4.0~4.5%的钠基膨润土、2.7~3.0%的Na₂CO₃、0.4~0.5%的CMC、0.04~0.05%的十二烷基苯磺酸钠、0.01~0.02%的正辛醇、2.7~3.0%的白乳胶，余量为石英砂，以上各组份质量百分比总和为100%，加入工业酒精搅拌均匀。

步骤4中所述铜块为H60黄铜。

步骤4中所述脱氧剂为磷铜，覆盖剂为木炭。

本发明方法的尤以效果是，很好地解决了现有铜基表面改性技术中存在的复合层较薄，不利于制备块状大型材料的不足，并且工艺简便灵活，设计自由度大，不需要大的机械设备，生产成本低，不受生产规模和批量的限制。

附图说明

图1是本发明SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料的制备方法的流程图；

图2是本发明的方法实施例1制备的铜基表面复合材料的表面宏观照片；

图3是本发明的方法实施例1制备的铜基表面复合材料的表面经砂轮打磨后的SEM照片；

图4是本发明的方法实施例1制备的铜基表面复合材料断面宏观照片；

图5是本发明的方法实施例1制备的铜基表面复合材料的断面金相照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法进行详细说明。

本发明提供一种SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料的制备方法，采用消失模负压铸渗法制备SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料的制备方法，用于解决传统的铜合金耐磨性不足的问题。如图1所示，具体按照以下步骤进行，

步骤1

对SiC颗粒进行表面预处理：将SiC颗粒置于清水中，放入超声波清洗器清洗10~15min，去除SiC颗粒中掺杂的灰土；然后将水洗后的SiC颗粒放置于SHD电热式干燥箱中，在200~300℃的温度下烘烤一小时，去除SiC颗粒表面吸附的易挥发污染物；SiC颗粒降至室温后，将SiC颗粒放入丙酮中进行超声波清洗10~15min，反复2~3次，清洗SiC颗粒表面的残留有机物杂质，然后在120~150℃下烘干；其中，SiC颗粒粒径为125~600μm，石墨颗粒粒径为425~600μm。

按照质量百分比将86%~92%的表面预处理过的SiC颗粒，2%~8%的石墨颗粒，2%的硼酸，2%氟化钠，2%粘土混合，并加入混合物总质量20%~25%的水，搅拌均匀，得到预制膏体，其中硼酸和氟化钠为添加剂，粘土和水为粘接剂；

步骤2

切割聚苯乙烯泡沫材料为长方体形状，尺寸为100mm×60mm×12mm，并将步骤1中制备的预制膏体均匀地涂覆在泡沫中面积最大的面上，涂覆厚度为2mm，然后在30~40℃的温度下烘干，得到膏体泡沫组合体；

步骤3

将经步骤2干燥后的膏体泡沫组合体与浇注系统粘接组装，并在膏体表面涂刷消失模铸造耐火涂料，耐火涂料涂刷厚度为1mm，之后在30~40℃的温度下烘烤至完全干燥，得到组合体；其中耐火涂料按照质量百分比由以下材料组成：4.0~4.5%的钠基膨润土、2.7~3.0%的Na₂CO₃、0.4~0.5%的CMC、0.04~0.05%的十二烷基苯磺酸钠、0.01~0.02%的正辛醇、2.7~3.0%的白乳胶，余量为石英砂，以上各组份质量百分比总和为100%，加入工业酒精搅拌均匀。

步骤4

将步骤3制备好的组合体放入砂型中，经充砂、震实后用SK-SY型水环式真空泵对砂型抽真空，当砂型内负压度达到0.06~0.07MPa的大气压时，用中频感应电炉熔炼H60黄铜铜块，加入磷铜作为脱氧剂磷铜和木炭作为覆盖剂，当铜块完全熔化，并达到1250℃的浇注温度后，进行浇注，浇注时砂型内负压度大小为0.056~0.058MPa，浇注后保持砂型内负压度15~20min，之后待砂型冷却至常温后除去砂型，经切割、打磨后即得。

实施例1

选取600μm的SiC颗粒进行表面预处理，处理的方法是：将SiC颗粒置于清水中，放入超声波清洗器清洗10~15min，粗洗去除SiC颗粒中掺杂的灰土；然后将水洗后的SiC颗粒放置于SHD电热式干燥箱中，在200~300℃下烘烤1小时，去除颗粒表面吸附的易挥发污染物；降至室温，将SiC颗粒放入丙酮中进行超声波清洗10~15min，反复2~3次，利用有机溶剂的相似相容原理来清洗掉SiC颗粒表面的残留有机物等杂质，然后在120~150℃下烘干。将质量分数为90%的表面处理过的600μm的SiC颗粒、4%的425μm的石墨颗粒、2%的硼酸、2%氟化钠、2%粘土和混合物总质量20%的水的混合物搅拌均匀，制备得所需的预制膏体；切割聚苯乙烯泡沫，尺寸为100mm×60mm×12mm，并将制备的预制膏体均匀地涂覆在泡沫表面，涂覆厚度为2mm，然后在30~40℃下烘干；将干燥后的试样与浇注系统粘接组装，并涂刷消失模铸造耐火涂料，耐火涂料按照质量百分比由以下材料组成：4.0%的钠基膨润土、3.0%的Na₂CO₃、0.4%的CMC、0.045%的十二烷基苯磺酸钠、0.015%的正辛醇、2.8%的白乳胶，余量为石英砂，以上各组份质量百分比总和为100%；耐火涂料厚度控制在1mm左右，涂刷时应使涂料层表面平整、厚度均匀，涂刷完毕，将模型在低温下烘烤至完全干燥，待浇注；将制备好的浇注系统与试样组合体模型放入砂型，充砂、震实，然后用SK-SY型水环式真空泵抽真空达到负压度达到0.06~0.07MPa的大气压时，用20Kg中频感应电炉熔炼H60黄铜，选取的浇注温度为1250℃左右，并用磷铜进行脱氧，木炭作覆盖剂，待铜完全熔化达到设定的浇注温度后，即可在0.056~0.058MPa的负压度下完成浇注，浇注过程需保持负压铸渗15~20min，之后待砂型冷却至常温后除去砂型，即得。

实施例2

选取400μm的SiC颗粒进行表面预处理，处理的方法是：将SiC颗粒置于清水中，放入超声波清洗器清洗10~15min，粗洗去除SiC颗粒中掺杂的灰土；然后将水洗后的SiC颗粒放置于SHD电热式干燥箱中，在200~300℃下烘烤1小时左右，去除颗粒表面吸附的易挥发污染物；降至室温，将SiC颗粒放入丙酮中进行超声波清洗10~15min，反复2~3次，利用有机溶剂的相似相容原理来清洗掉SiC颗粒表面的残留有机物等杂质，然后在120~150℃下烘干。将质量分数为88%的表面处理过的400μm的SiC颗粒、6%的450μm的石墨颗粒、2%的硼酸、2%氟化钠、2%粘土混合，并加入混合物总质量25%的水，搅拌均匀，制备得所需的预制膏体；切割聚苯乙烯泡沫，尺寸为100mm×60mm×12mm，并将制备的预制膏体均匀地涂覆在泡沫表面，涂覆厚度为2mm，然后在30~40℃下烘干；将干燥后的试样与浇注系统粘接组装，并涂刷消失模铸造耐火涂料，耐火涂料按照质量百分比由以下材料组成：4.3%的钠基膨润土、2.8%的Na₂CO₃、0.5%的CMC、0.04%的十二烷基苯磺酸钠、0.02%的正辛醇、2.7%的白乳胶，余量为石英砂，以上各组份质量百分比总和为100%；耐火涂料厚度控制在1mm左右，涂刷时应使涂料层表面平整、厚度均匀，涂刷完毕，将模型在低温下烘烤至完全干燥，待浇注；将制备好的浇注系统与试样组合体模型放入砂型，充砂、震实，然后用SK-SY型水环式真空泵抽真空达到负压度达到0.06~0.07MPa的大气压时，用20Kg中频感应电炉熔炼H60黄铜，选取的浇注温度为1250℃左右，并用磷铜进行脱氧，木炭作覆盖剂，待铜完全熔化达到设定的浇注温度后，即可在0.056~0.058MPa的负压度下完成浇注，浇注过程需保持负压铸渗15~20min，之后待砂型冷却至常温后除去砂型，即得。

实施例3

选取125μm的SiC颗粒进行表面预处理，处理的方法是：将SiC颗粒置于清水中，放入超声波清洗器清洗10~15min，粗洗去除SiC颗粒中掺杂的灰土；然后将水洗后的SiC颗粒放置于SHD电热式干燥箱中，在200~300℃下烘烤1小时左右，去除颗粒表面吸附的易挥发污染物；降至室温，将SiC颗粒放入丙酮中进行超声波清洗10~15min，反复2~3次，利用有机溶剂的相似相容原理来清洗掉SiC颗粒表面的残留有机物等杂质，然后在120~150℃下烘干。将质量分数为86%的表面处理过的125μm的SiC颗粒、8%的600μm的石墨颗粒、2%的硼酸、2%氟化钠、2%粘土混合，并加入混合物总质量23%的水，搅拌均匀，制备得所需的预制膏体；切割聚苯乙烯泡沫，尺寸为100mm×60mm×12mm，并将制备的预制膏体均匀地涂覆在泡沫表面，涂覆厚度为2mm，然后在30~40℃下烘干；将干燥后的试样与浇注系统粘接组装，并涂刷消失模铸造耐火涂料，耐火涂料按照质量百分比由以下材料组成：4.5%的钠基膨润土、2.7%的Na₂CO₃、0.45%的CMC、0.05%的十二烷基苯磺酸钠、0.01%的正辛醇、3.0%的白乳胶，余量为石英砂，以上各组份质量百分比总和为100%；耐火涂料厚度控制在1mm左右，涂刷时应使涂料层表面平整、厚度均匀，涂刷完毕，将模型在低温下烘烤至完全干燥，待浇注；将制备好的浇注系统与试样组合体模型放入砂型，充砂、震实，然后用SK-SY型水环式真空泵抽真空达到负压度达到0.06~0.07MPa的大气压时，用20Kg中频感应电炉熔炼H60黄铜，选取的浇注温度为1250℃左右，并用磷铜进行脱氧，木炭作覆盖剂，待铜完全熔化达到设定的浇注温度后，即可在0.056~0.058MPa的负压度下完成浇注，浇注过程需保持负压铸渗15~20min，之后待砂型冷却至常温后除去砂型，即得。

实施例4

选取250μm的SiC颗粒进行表面预处理，处理的方法是：将SiC颗粒置于清水中，放入超声波清洗器清洗10~15min，粗洗去除SiC颗粒中掺杂的灰土；然后将水洗后的SiC颗粒放置于SHD电热式干燥箱中，在200~300℃下烘烤1小时左右，去除颗粒表面吸附的易挥发污染物；降至室温，将SiC颗粒放入丙酮中进行超声波清洗10~15min，反复2~3次，利用有机溶剂的相似相容原理来清洗掉SiC颗粒表面的残留有机物等杂质，然后在120~150℃下烘干。将质量分数为92%的表面处理过的250μm的SiC颗粒、2%的600μm的石墨颗粒、2%的硼酸、2%氟化钠、2%粘土混合，并加入混合物总质量25%的水，搅拌均匀，制备得所需的预制膏体；切割聚苯乙烯泡沫，尺寸为100mm×60mm×12mm，并将制备的预制膏体均匀地涂覆在泡沫表面，涂覆厚度为2mm，然后在30~40℃下烘干；将干燥后的试样与浇注系统粘接组装，并涂刷消失模铸造用耐火涂料，耐火涂料按照质量百分比由以下材料组成：4.5%的钠基膨润土、2.7%的Na₂CO₃、0.4%的CMC、0.05%的十二烷基苯磺酸钠、0.02%的正辛醇、2.7%的白乳胶，余量为石英砂，以上各组份质量百分比总和为100%；耐火涂料厚度控制在1mm左右，涂刷时应使涂料层表面平整、厚度均匀，涂刷完毕，将模型在低温下烘烤至完全干燥，待浇注；将制备好的浇注系统与试样组合体模型放入砂型，充砂、震实，然后用SK-SY型水环式真空泵抽真空达到负压度达到0.06~0.07MPa的大气压时，用20Kg中频感应电炉熔炼H60黄铜，选取的浇注温度为1250℃左右，并用磷铜进行脱氧，木炭作覆盖剂，待铜完全熔化达到设定的浇注温度后，即可在0.056~0.058MPa的负压度下完成浇注，浇注过程需保持负压铸渗15~20min，之后待砂型冷却至常温后除去砂型，即得。

图2是本发明的方法实施例1制备的铜基表面复合材料的铸渗层表面宏观照片，从图2中可以看到本发明的方法制备出的铜基表面复合材料中，SiC和石墨粒子很好地镶嵌于铜基体中，并且分布较为均匀，复合层表面相对平整。

图3是本发明的方法实施例1制备的铜基表面复合材料的表面经砂轮打磨后的SEM照片，从图3中可以看到，SiC和石墨颗粒较好地镶嵌于铜基体中，分布相对均匀，界面结合良好。

图4是本发明的方法实施例1制备的铜基表面复合材料断面宏观照片，从图4中可以看到明显的复合层，复合层厚度达到2~2.5mm，界面结合较好，SiC和石墨颗粒分布较均匀。

图5是本发明的方法实施例1制备的铜基表面复合材料的断面金相照片，从图5中可以进一步直观地看到复合层与基体界面结合良好，在基体与复合区之间，存在明显的过渡区域，SiC和石墨颗粒较均匀地分布于铜基体中，无明显的团聚和偏析现象。

本发明的方法提出了SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料的设计思路，SiC在表面复合材料摩擦磨损过程中作为硬质承载支点、石墨作为固体润滑剂，二者与铜基体发挥协同作用达到提高铜合金表面耐磨性的效果。

为了解决现有铜合金表面改性技术中涂层较薄，难以制备较厚涂层及块状大尺寸的铜合金表面改性材料的不足，本发明采用实型负压铸渗法制备SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料，利用金属铜液的凝固余热及铸渗动力使其渗透到消失模表面的预制膏体层，得到SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料。

根据本发明的方法制备的SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料具有如下特征：铸渗层与铜基体界面结合良好，无夹渣、偏析或气孔等缺陷，复合层中的SiC和石墨颗粒呈点块状均匀地分布于铜基体上，没有发生严重的成分偏析，保证了铜基表面复合材料的使用性能。

Claims

1.一种SiC和石墨混杂增强铜基表面复合材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行，

步骤1

对SiC颗粒进行表面预处理：将SiC颗粒置于清水中，放入超声波清洗器清洗10～15min，去除SiC颗粒中掺杂的灰土；然后将水洗后的SiC颗粒放置于SHD电热式干燥箱中，在200～300℃的温度下烘烤1小时，去除SiC颗粒表面吸附的易挥发污染物；SiC颗粒降至室温后，将SiC颗粒放入丙酮中进行超声波清洗10～15min，反复2～3次，清洗SiC颗粒表面的残留有机物杂质，然后在120～150℃下烘干；

按照质量百分比将86%～92%的表面预处理过的SiC颗粒，2%～8%的石墨颗粒，2%的硼酸，2%氟化钠，2%粘土混合，并加入混合物总质量20%～25%的水，搅拌均匀，得到预制膏体；

所述SiC颗粒粒径为125～600μm，石墨颗粒粒径为425～600μm；

步骤2

切割泡沫材料为长方体形状，并将步骤1中制备的预制膏体均匀地涂覆在泡沫中面积最大的面上，涂覆厚度为2mm，然后在30～40℃的温度下烘干，得到膏体泡沫组合体；

步骤3

将经步骤2干燥后的膏体泡沫组合体与浇注系统粘接组装，并在膏体表面涂刷消失模铸造耐火涂料，耐火涂料涂刷厚度为1mm，之后在30～40℃的温度下烘烤至完全干燥，得到组合体；

步骤4

将步骤3制备好的组合体放入砂型中，经充砂、震实后用SK-SY型水环式真空泵对砂型抽真空，当砂型内负压度达到0.06～0.07MPa的大气压时，用中频感应电炉熔炼H60黄铜铜块，加入磷铜作为脱氧剂和木炭作为覆盖剂，当铜块完全熔化，并达到1250℃的浇注温度后，进行浇注，浇注时砂型内负压度大小为0.056～0.058MPa，浇注后保持砂型内负压度15～20min，之后待砂型冷却至常温后除去砂型，切割、打磨后即得。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中的泡沫为聚苯乙烯泡沫，聚苯乙烯泡沫的长度、宽度和高度分别为100mm×60mm×12mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中所述耐火涂料按照质量百分比由以下材料组成：4.0～4.5%的钠基膨润土、2.7～3.0%的Na₂CO₃、0.4～0.5%的CMC、0.04～0.05%的十二烷基苯磺酸钠、0.01～0.02%的正辛醇、2.7～3.0%的白乳胶，余量为石英砂，以上各组份质量百分比总和为100%，加入工业酒精搅拌均匀。