CN102925731A

CN102925731A - 一种提高铜合金石墨复合材料性能的粉末冶金制备方法

Info

Publication number: CN102925731A
Application number: CN201210466808XA
Authority: CN
Inventors: 耿振; 杨贤金; 崔振铎; 李朝阳; 梁砚琴
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明一种提高铜合金石墨复合材料性能的粉末冶金制备方法，涉及金属基自润滑复合材料，采用化学镀的方法对石墨粉进行了表面改性，利用混粉、冷压、烧结方法，通过粉末冶金工艺获得了摩擦性能和机械性能优良的铜合金石墨复合材料。本发明通过对石墨的表面改性，提高了铜合金石墨复合材料的摩擦性能和机械性能，可以作为制备自润滑轴承材料的方法加以开发利用。

Description

一种提高铜合金石墨复合材料性能的粉末冶金制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，更加具体地说，涉及金属基复合材料的制备方法。

背景技术

随着人们生活节奏越来越快，对轴承材料的要求也越来越高，在许多方面，低速、低载的轴承已经不能满足人们的要求，高速、高载荷的轴承在将来势必会占据重要的地位，那么，铝基合金由于其耐磨性能、疲劳性能差等因素，在使用上会受到很大的限制，铜基合金便显示出了其优越性。不仅于此，在某些特殊工况下，如高温、高真空、高负荷以及会破坏油脂等限制润滑剂使用的条件下，还要求轴承需具备自润滑的功能，这就使得铜基自润滑复合材料成为人们研究的热点。

铜铅合金或铜锡铅合金，由于其摩擦性能好，机械性能高，使其在很长的一段时期内占据了主导的地位，其中，铅、锡作为低熔点金属，用来缓和因局部摩擦而产生的过热、磨损等现象。然而，随着人们对环境问题越来越重视，铅作为一种有毒的重金属，其使用限制日益严格，材料无铅化逐渐成为全球课题。石墨作为一种良好的固体润滑剂，价格低廉且无污染，是首选的作为取代铅的自润滑材料。但石墨与铜合金基体之间的润湿性很差，使两相界面处存有大量空隙，同时，石墨密度较低易团聚的特性，均影响了材料的各方面性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高铜合金石墨复合材料性能的粉末冶金制备方法，以Cu10Sn基石墨复合材料为例。Cu10Sn基石墨复合材料是一种自润滑复合材料，本发明是采用石墨粉表面化学镀铜的方法进行改性，用粉末冶金的方法进行制备，使性能优于未改性的石墨粉制备的复合材料。

本发明通过下述技术方案予以实现：

一种提高铜合金石墨复合材料性能的粉末冶金制备方法，按照下述步骤进行：

步骤（1），对石墨粉表面进行化学镀铜，采用200目石墨粉，镀液配方为0.05mol/LC₄H₄O₆KNa，0.15mol/L NaOH，0.001mol/L Na₂MoO₄，再加入石墨粉后，再向其中加入0.05mol/L CuSO₄和25ml/L HCHO的水溶液，用NaOH调节pH=12，室温20—25摄氏度下进行化学镀铜，具体来说：

首先将200目石墨粉置入0.05mol/L氯化亚锡（SnCl₂）水溶液中，超声10min，抽滤，去离子水洗净，再置入0.018mol/L硝酸银（AgNO₃）水溶液中，超声20min，抽滤，去离子水洗净；

其次，按照镀液配方配制水溶液，其中酒石酸钾钠（C₄H₄O₆KNa）浓度为0.05mol/L，NaOH为0.15mol/L和钼酸钠（Na₂MoO₄）为0.001mol/L，然后将上述经过处理的石墨粉倒入，最后同时向体系中倒入浓度分别为0.05mol/L CuSO₄和25ml/L HCHO的水溶液，不停搅拌（80—120转/min）5—8min，镀覆完毕，期间不断用NaOH调节以使pH=12，最后将镀铜的石墨使用蒸馏水清洗。

步骤（2），将镀铜石墨与Cu10Sn合金粉进行混合，其中所述Cu10Sn合金粉为200目，其中元素铜锡质量比为9:1，所述镀铜石墨的添加用量为Cu10Sn合金粉质量的0.5wt%—3wt%，使用混料机进行混料，混料机转速为75—80r/min，混料时间为10—15h，优选12h。

步骤（3），将混好的粉末进行冷压成型，其冷压成型压强为600—650MPa，保压时间为2—3min，将冷压好的压坯放进管式炉进行惰性气体（例如氩气、氮气）保护烧结，烧结温度为800℃，保温时间为2h。

表面改性作为一种常用的手段，可以很好的改善不同相之间的润湿性，增强界面处的结合力。化学镀工艺简便、节能且环保，是最适合用于粉末状颗粒的表面改性方法。粉末冶金工艺作为材料制备的一种重要手段，具有材料利用率高，材料组织细小均匀可控，易实现近净成形等优点，且避免了铸造带来的因密度差异造成的组织不均的现象。在本发明技术方案中，单纯的石墨粉与铜合金的润湿性非常差，它们的界面处会留有空隙，影响材料性能，而利用化学镀技术，在石墨粉表面镀覆一层铜镀层，由于铜与铜合金的润湿性非常好，结合力强，镀铜层起到了连接石墨粉与铜合金基体的作用，增强了材料内部的结合力，减小了空隙率，提高了材料性能，同时利用粉末冶金技术可以使石墨分散均匀，最终获得致密的、组织均匀的机械、摩擦性能更好的铜合金石墨复合材料，具体来说本发明的优点在于如下几个方面：

1、本发明采用化学镀法，室温下在石墨粉表面均匀的镀覆了铜镀层（见附图1），工艺简单，工业生产过程中比较容易实现，大大降低了生产成本。

2、本发明采用粉末冶金方法，可获得组织均匀的铜合金石墨复合材料。

3、石墨镀覆铜镀层后与基体结合紧密，而未作处理的石墨与基体界面处有空隙（见附图2）。

4、机械性能良好，表面改性后的石墨制备的复合材料较未处理的在抗压强度上提高了约5~10%（见表1）。

5、摩擦学性能良好，表面改性后的石墨制备的复合材料拥有更低的摩擦系数，且耐磨性更高（见附图4及表2）。

附图说明

图1为石墨表面化学镀铜后的SEM扫描图片。

图2为石墨表面未处理与处理后分别制备的复合材料界面SEM扫描图片：（a）未处理（b）处理。

图3为石墨表面化学镀铜后的XRD谱线。

图4为石墨表面未处理与处理后分别制备的复合材料的摩擦系数数据图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

对石墨进行镀铜处理：

其次，按照镀液配方配制水溶液，其中酒石酸钾钠（C₄H₄O₆KNa）浓度为0.05mol/L，NaOH为0.15mol/L和钼酸钠（Na₂MoO₄）为0.001mol/L，然后将上述经过处理的石墨粉倒入，最后同时向体系中倒入浓度分别为0.05mol/L CuSO₄和25ml/L HCHO的水溶液，不停搅拌（搅拌速度为80-120转/min）5-8min，镀覆完毕，期间不断用NaOH调节以使pH=12，最后将镀铜的石墨使用蒸馏水清洗，即可获得镀铜石墨，如附图1和3所示，石墨表面已经成功镀铜。

采用粉末冶金法制备铜合金/石墨复合材料。

实施例1

1.将镀铜石墨与Cu10Sn合金粉进行混合，其中所述Cu10Sn合金粉为200目，其中元素铜锡质量比为9:1，所述镀铜石墨的添加用量为Cu10Sn合金粉质量的0.5wt%—3wt%，间隔为0.5wt%，使用混料机进行混料，混料机转速为75r/min，混料时间为10h。

2.将混好的粉末进行冷压成型，其冷压成型压强为600MPa，保压时间为2min，将冷压好的压坯放进管式炉进行氩气保护烧结，烧结温度为800℃，保温时间为2h。

实施例2

1.将镀铜石墨与Cu10Sn合金粉进行混合，其中所述Cu10Sn合金粉为200目，其中元素铜锡质量比为9:1，所述镀铜石墨的添加用量为Cu10Sn合金粉质量的0.5wt%—3wt%，间隔为0.5wt%，使用混料机进行混料，混料机转速为75r/min，混料时间为15h。

2.将混好的粉末进行冷压成型，其冷压成型压强为600MPa，保压时间为3min，将冷压好的压坯放进管式炉进行氮气保护烧结，烧结温度为800℃，保温时间为2h。

实施例3

1.将镀铜石墨与Cu10Sn合金粉进行混合，其中所述Cu10Sn合金粉为200目，其中元素铜锡质量比为9:1，所述镀铜石墨的添加用量为Cu10Sn合金粉质量的0.5wt%—3wt%，间隔为0.5wt%，使用混料机进行混料，混料机转速为75r/min，混料时间为12h。

2.将混好的粉末进行冷压成型，其冷压成型压强为650MPa，保压时间为3min，将冷压好的压坯放进管式炉进行氩气保护烧结，烧结温度为800℃，保温时间为2h。

利用电火花线切割机切割复合材料获得25.0mm×7.0mm×7.0mm的摩擦磨损测试试样和Φ6mm×10mm的抗压强度测试试样。同时将没有经过镀铜处理的石墨按照相同工艺与Cu10Sn合金粉进行复合，制备对比试样。

试样处理及测试：试样经砂纸打磨，抛光后对其界面进行了JOEL-JSM6700F型扫描电子显微镜(Philips公司)（SEM）观察（见附图2）。摩擦磨损实验用MM200型磨损试验机（济南益华摩擦学测试技术有限公司）分别对30N、50N、100N载荷做了干摩擦的相关研究，摩擦环直径为45mm，转速为200rpm，摩擦磨损结果见图4及表2。抗压强度测试用CSS-44001型电子万能试验机（长春试验机厂），应变速率为0.1/min，抗压强度结果见表1，实验测试为三个实施例的实验测试结果的平均值。

表1石墨表面未处理与处理后分别制备的复合材料抗压强度数据（单位：MPa）

石墨含量（wt.%）	镀铜处理	未镀铜处理
			0.5	1159	1057
1	937	870
			1.5	793	752
2	705	656
			2.5	570	533
3	509	447

表2石墨表面未处理与处理后分别制备的复合材料磨损量数据（单位：mm³）

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种提高铜合金石墨复合材料性能的粉末冶金制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

步骤（1），对石墨粉表面进行化学镀铜，采用200目石墨粉，镀液配方为0.05mol/LC₄H₄O₆KNa，0.15mol/L NaOH，0.001mol/L Na₂MoO₄，再加入石墨粉后，再向其中加入0.05mol/L CuSO₄和25ml/L HCHO的水溶液，用NaOH调节pH=12，室温20—25摄氏度下进行化学镀铜；

步骤（2），将镀铜石墨与Cu10Sn合金粉进行混合，其中所述Cu10Sn合金粉为200目，其中元素铜锡质量比为9:1，所述镀铜石墨的添加用量为Cu10Sn合金粉质量的0.5wt%—3wt%，使用混料机进行混料，混料机转速为75—80r/min，混料时间为10—15h

步骤（3），将混好的粉末进行冷压成型，其冷压成型压强为600—650MPa，保压时间为2—3min，将冷压好的压坯放进管式炉进行惰性气体保护烧结，烧结温度为800℃，保温时间为2h。

2.根据权利要求1所述的一种提高铜合金石墨复合材料性能的粉末冶金制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，具体来说如下：首先将200目石墨粉置入0.05mol/L氯化亚锡水溶液中，超声10min，抽滤，去离子水洗净，再置入0.018mol/L硝酸银水溶液中，超声20min，抽滤，去离子水洗净；其次，按照镀液配方配制水溶液，其中酒石酸钾钠浓度为0.05mol/L，NaOH为0.15mol/L和钼酸钠为0.001mol/L，然后将上述经过处理的石墨粉倒入，最后同时向体系中倒入浓度分别为0.05mol/L CuSO₄和25ml/L HCHO的水溶液，不停搅拌5-8min，所述搅拌的速度为80-120转/min，镀覆完毕，期间不断用NaOH调节以使pH=12，最后将镀铜的石墨使用蒸馏水清洗。

3.根据权利要求1所述的一种提高铜合金石墨复合材料性能的粉末冶金制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，混料时间优选为12h。

4.根据权利要求1所述的一种提高铜合金石墨复合材料性能的粉末冶金制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述惰性气体保护为氩气、氮气。

5.一种铜合金石墨复合材料，其特征在于，按照下述步骤进行：

6.根据权利要求5所述的一种铜合金石墨复合材料，其特征在于，所述步骤（1）中，具体来说如下：首先将200目石墨粉置入0.05mol/L氯化亚锡水溶液中，超声10min，抽滤，去离子水洗净，再置入0.018mol/L硝酸银水溶液中，超声20min，抽滤，去离子水洗净；其次，按照镀液配方配制水溶液，其中酒石酸钾钠浓度为0.05mol/L，NaOH为0.15mol/L和钼酸钠为0.001mol/L，然后将上述经过处理的石墨粉倒入，最后同时向体系中倒入浓度分别为0.05mol/L CuSO₄和25ml/L HCHO的水溶液，不停搅拌5—8min，所述搅拌的速度为80—120转/min，镀覆完毕，期间不断用NaOH调节以使pH=12，最后将镀铜的石墨使用蒸馏水清洗。

7.根据权利要求5所述的一种铜合金石墨复合材料，其特征在于，所述步骤（2）中，混料时间优选为12h。

8.根据权利要求5所述的一种铜合金石墨复合材料，其特征在于，所述步骤（3）中，所述惰性气体保护为氩气、氮气。