CN104818403A - 一种铜铝基自润滑复合块体材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜铝基自润滑复合块体材料及制备方法，化学组成为:基体为92%Cu+8%Al，另外添加的碳纳米管含量为0.75~3%。以铜粉、铝粉和碳纳米管为原料，通过球磨混合活化之后，预压成型，再采用冷等静压技术复压成致密生坏，在700~900℃保护气氛条件下，焙烧2h制备铜铝/碳纳米管复合材料块材。本发明方法成本低廉、操作简单，操作过程中碳纳米管耐磨添加剂含量可以准确控制，因此能够根据需要得到具有不同硬度和摩擦学性能的铜铝基复合材料块材，并且产品质量均一稳定，具有良好耐磨性，广泛适用于制造齿轮、螺纹等高应力工件下的耐磨零部件。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦学材料领域，尤其涉及一种铜铝基自润滑复合块体材料及其制备方法，具体指Cu-Al/CNT复合块体材料及其制备方法。
背景技术
粉末的制取、成形和烧结是粉末冶金过程中的三个基本环节，在某种意义上说，成形过程对粉末冶金技术的发展影响更大；冷等静压通常是在常温下用橡胶或塑料作包套模具材料，以液体为压力介质，其主要用于粉体材料成型，为进一步烧结、煅造或热等静压工序提供坯体；冷等静压技术作为一种成型工艺，与常规成形技术相比，具有成型的制品密度高、压坯的密度均匀一致等特点；成型的产品性能优异, 使用寿命提高，应用范围广；由于冷等静压技术能够改善产品性能，提高产品质量，增加经济效益，与其它成型工艺相比，有许多引人注目的优点，因此其应用领域不断扩大,技术越来越成熟。
铜铝合金（铝青铜）具有优良的物理、机械性能及耐磨和耐腐蚀性能，已被广泛应用于制造高应力下工作的耐磨零部件，如齿轮坯料、螺纹等零件；随着科学技术的发展，对铝青铜的性能提出了更高的要求，从20世纪80年代以来，国内外对铝青铜合金摩擦特性的研究非常关注，探讨改善耐磨性的内在规律，以进一步扩大其在耐磨条件下的使用性能；大多研究者通过加入稀土元素或改善条件等来改善铝青铜的性能；纳米材料，特别是碳纳米材料，凭借其优良的机械和物理性能得到科研工作者的青睐目前，对于碳纳米管填充改性高分子的研究较多，填充碳纳米管后，摩擦表面较平整光滑，表明碳纳米管作为增强体可有效地抑制高分子的犁削和粘着磨损；也有人对碳纳米管改善Al2O3和金属铝的摩擦学性作了研究，结果表明，一定量的碳纳米管的添加可显著改善其摩擦磨损性能；利用碳纳米管改善铝青铜性能的研究还没人研究过。
本发明采用冷等静压技术结合随后的热处理制备了Cu-Al/CNT复合材料块材，该材料具有良好的自润滑功能，且在CNT添加量小于1.25%时，摩擦系数随CNT添加量的增加而显著降低。
发明内容
本发明提供一种化学组成为Cu-Al/CNT的铜铝基自润滑复合块体材料及其制备方法，以提高复合材料的机械性能，耐磨性能及环境适应性能；合金基体中Cu占92%，Al占8%，CNT添加剂含量为合金基体的0.75~3%。
上述目的是通过如下技术方案实现的：以铜粉、铝粉和碳纳米管粉末为原料，将原料球磨后放在不锈钢磨具中预压成形，再采用冷等静压技术复压成生坯，将生坯放在管式炉中，在700~900℃保护气氛下，焙烧2h，自然冷却至室温，得到扁平圆柱状致密块体材料。
所述的扁平圆柱状致密块体材料的厚度为4mm，直径为25mm。
本发明制备过程中，所有原料均为商业产品，不需要再制备，铜粉200目，铝粉200目，纯度均大于99wt%；多壁碳纳米管平均直径140±30nm，平均长度7±2微米，纯度大于95wt%。
制备本发明的铜铝/碳纳米管自润滑复合块体材料的方法采用粉末冶金工艺，该方法的具体步骤如下：
（1）配料：按质量百分比称取铜粉、铝粉和碳纳米管粉末。
（2）混料：将步骤（1）中配好的料放入球磨罐中混合均匀。
（3）压片：将步骤（2）中配好的料放入不锈钢模具中预压成型，再冷等静压成致密生坯。
（4） 烧结：将步骤（3）中的生坯放入管式炉中，保护气氛中700~900℃烧
结2h。
步骤（2）中球磨速率为250r/min，球磨时间5h。
步骤（3）中预压成型压力为40MPa，冷等静压复压压力250MPa，保压1min。
步骤（4）中，所述焙烧的保护气体为氮气或氩气，优选温度为750℃。
附图说明
图1为Cu-Al/1wt%CNT复合材料的金相组织。
图2为Cu-Al/1.25wt%CNT复合材料断面的高倍SEM形貌。
图3为实施例1~7的各样品的摩擦系数和硬度：（a）样品的摩擦系数随滑动时间的变化；（b）平稳期摩擦系数和相应样品的硬度随碳纳米管含量的变化。
图4为相同实验条件下样品上的磨痕SEM形貌(a)Cu-Al，(b)Cu-Al/3wt%CNT。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例１：按质量比Cu:Al 为92:8分别称取铜粉9.2克，铝粉0.8克。将原料粉末置入球磨罐中，球磨5h，球磨速率为250r/min，球磨1h间歇0.5h；将球磨后粉料放在不锈钢磨具中在40MPa压力下预压成型，再采用冷等静压技术在250Mpa压力下复压成生坯，将生坯放在管式炉中，在750℃于氮气或氩气保护气氛下，焙烧2h，升温速率为10℃/min，自然冷却至室温，得到厚度约4mm，直径约25mm的扁平圆柱状致密块体材料即为Cu-Al/0wt%CNT复合块体材料
本实施例制得的自润滑复合材料平稳期的摩擦系数为0.945，硬度为95.5HB。
实施例 2：基本过程同实例1，不同之处在于：原料中添加CNT粉末0.075克（添加的量为0.75wt%），制得的扁平圆柱状致密块体材料即为Cu-Al/0.75wt%CNT复合块体材料
本实施例制得的自润滑复合材料平稳期的摩擦系数为0.876，硬度为71.7HB。
实施例 3：基本过程同实例1，不同之处在于：原料中添加CNT粉末0.1克（添加的量为1wt%）；制得的扁平圆柱状致密块体材料即为Cu-Al/1wt%CNT复合块体材料。图1为Cu-Al/1wt%CNT复合材料的金相组织，组织中白色部分为 -相铜铝固溶体，黑色主要为金属间化合物。
本实施例制得的自润滑复合材料平稳期的摩擦系数为0.731，硬度为62.7HB。
实施例 4：基本过程同实例1，不同之处在于：原料中添加CNT粉末0.125克（添加的量为1.25wt%）；制得的扁平圆柱状致密块体材料即为Cu-Al/1.25wt%CNT复合块体材料。图2为Cu-Al/1.25wt%CNT复合材料断面的高倍SEM形貌，从图中可明显看到基体中的一些碳纳米管。
本实施例制得的自润滑复合材料平稳期的摩擦系数为0.639，硬度为48.3HB。
实施例 5：基本过程同实例1，不同之处在于：原料中添加CNT粉末0.15克（添加的量为1.5wt%）；制得的扁平圆柱状致密块体材料即为Cu-Al/1.5wt%CNT复合块体材料。
本实施例制得的自润滑复合材料平稳期的摩擦系数为0.324，硬度为36.5HB。
实施例 6：基本过程同实例1，不同之处在于：原料中添加CNT粉末0.2克（添加的量为2wt%）；制得的扁平圆柱状致密块体材料即为Cu-Al/2wt%CNT复合块体材料
本实施例制得的自润滑复合材料平稳期的摩擦系数为0.305，硬度为35.0HB。
实施例 7：基本过程同实例1，不同之处在于：原料中添加CNT粉末0.3克（添加的量为3wt%）；制得的扁平圆柱状致密块体材料即为Cu-Al/3wt%CNT复合块体材料。
本实施例制得的自润滑复合材料平稳期的摩擦系数为0.306，硬度为33.4HB。
上述实施例1、2、3、4、5、6、7自润滑复合材料的性能总结如表1所示。
表1实施例1~7自润滑复合材料性能
摩擦学性能是在CETR RMT-2 Multi-Specimen Test System摩擦试验机上进行的，实验参数为载荷1N、转速0.126m/s，时间20min，大气环境温度下。
图3为实施例1~7的各样品的摩擦系数和硬度：（a）样品的摩擦系数随滑动时间的变化；（b）平稳期摩擦系数和相应样品的硬度随碳纳米管含量的变化。
从图中可以看到各不同CNT含量的复合材料有很好的自润滑功能；平稳期摩擦系数和材料硬度随CNT添加量（0~1.5%）的增加而迅速减小或降低，当CNT添加量超过1.5%后，平稳期摩擦系数和材料硬度均保持在较小值，且变化不明显；因此，本发明所述的添加CNT的铜铝基复合材料有优异的摩擦学性能，材料具有自润滑功能，实际应用中可根据需要选择合适的CNT添加量。
图4为相同实验条件下部分样品上的磨痕SEM形貌(a)Cu-Al，(b)Cu-Al/3wt%CNT，可以看到纯铜铝合金样品的磨痕粗糙，宽度大；而添加3wt% CNT样品磨痕光滑，宽度较小，表明磨损较小。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种铜铝基自润滑复合块体材料，其特征在于：所述块体材料由合金基体和碳纳米管组成，合金基体中Cu占92%，Al占8%，CNT添加剂含量为合金基体的0.75~3%。
2.如权利要求1所述的一种铜铝基自润滑复合块体材料的制备方法，其特征在于：以铜粉、铝粉和碳纳米管粉末为原料，将原料球磨后放在不锈钢磨具中预压成形，再采用冷等静压技术复压成生坯，将生坯放在管式炉中，在700~900℃保护气氛下，焙烧2h，自然冷却至室温，得到扁平圆柱状致密块体材料。
3.如权利要求2所述的一种铜铝基自润滑复合块体材料的制备方法，其特征在于：所述的扁平圆柱状致密块体材料的厚度为4mm，直径为25mm。
4.如权利要求2所述的一种铜铝基自润滑复合块体材料的制备方法，其特征在于：铜粉200目，铝粉200目，纯度均大于99wt%；多壁碳纳米管平均直径140±30nm，平均长度7±2微米，纯度大于95wt%。
5.如权利要求2所述的一种铜铝基自润滑复合块体材料的制备方法，其特征在于：球磨速率为250r/min，球磨时间5h。
6.如权利要求2所述的一种铜铝基自润滑复合块体材料的制备方法，其特征在于：预压成型压力为40MPa，冷等静压复压压力250MPa，保压1min。
7.如权利要求2所述的一种铜铝基自润滑复合块体材料的制备方法，其特征在于：所述焙烧的保护气体为氮气或氩气，焙烧温度为750℃。
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