CN105256168B - 一种铜基‑石墨自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜基‑石墨自润滑复合材料及其制备方法。该铜基‑石墨自润滑复合材料由铜合金和三维石墨骨架组成，铜合金成分为Cu、MoS₂、SiC。制备时，利用选择性激光烧结成形技术制备三维石墨骨架坯体，再进行石墨化处理获得三维石墨骨架，待表面镀铜处理后，将其组装到砂型铸型型腔中，最后采取铸造方式实现铜合金与三维石墨骨架的复合，获得所需的铜基‑石墨自润滑复合材料。该方法实现了石墨分布范围可控，保证了铜合金基体的连续性，使之具有良好的导电导热性、抗冲击性能以及自润滑性能。本发明所述的铜基‑石墨自润滑复合材料用于制备电刷、电极、受电弓滑板和自润滑轴承等，具有广阔的应用前景。

Description

一种铜基-石墨自润滑复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜基-石墨自润滑复合材料及其制备方法，属于摩擦材料领域，尤其涉及摩擦材料的制造方法领域。

背景技术

采用传统的粉末冶金方法制备铜基-石墨自润滑复合材料时，需经过制粉、混粉、压制成形和高温烧结等诸多工序。制备出的铜基-石墨自润滑复合材料，由于石墨的导电性远不如铜，要保证材料的导电性，需减少石墨用量，而导致自润滑效果降低，或者为了保证自润滑性能，使得材料的导电性及强度降低，同时，由于组织状态中，石墨离散分布，铜合金呈孤立岛屿状分布，很难发挥铜的优良导电性，并且制备出的产品铜合金与石墨颗粒之间的界面结合能力较弱，材料孔隙率高、致密度低，导致综合性能较差。而采用传统的复合铸造法制备铜基-石墨复合材料时，由于石墨密度很低，铸造成形过程中，石墨颗粒容易发生上浮和偏聚，制备出的铜基-石墨复合材料存在致密度低，性能不均等缺点。究其原因，在于这两种方法中，石墨颗粒的分布状态都是不可控的，石墨容易形成团聚现象，且在1100℃条件下，石墨与铜合金的润湿角仍高达140°，两者相容性差，致使两者界面结合强度低，材料致密度降低，综合性能下降。

发明内容

针对采取传统的方法制备铜基-石墨自润滑复合材料时，石墨分布范围不可控，难以保证铜合金形成连续的导电网络结构，不利于充分发挥铜的优良导电性和石墨的自润滑性能，且由于孔隙存在导致铜基-石墨复合材料致密度低，抗冲击性能不佳、自润滑性能不稳定等问题。本发明专利提出一种基于石墨骨架和铜合金基体可控复合方法，首先利用选择性激光烧结成形技术制备出三维石墨骨架坯体，经过石墨化处理和表面镀铜处理后，采用铸造的方式实现三维石墨骨架与铜合金的复合，制备出内嵌有三维石墨骨架的铜基-石墨自润滑复合材料，在该复合材料内部石墨分布状态和范围完全可控，且铜合金也能形成连续的导电网络结构，因此，保证了其具有良好的综合性能。

一种铜基-石墨自润滑复合材料，其特征在于，所述的铜基-石墨自润滑复合材料由三维石墨骨架和铜合金组成，三维石墨骨架占铜合金的质量分数为6%-15%；所述的铜合金成分组成为Cu、MoS₂、SiC，其中MoS₂占Cu的质量分数为1%-3%，SiC占Cu的质量分数为0.2%-1%；所述的铜为铜锭，铜锭、MoS₂、SiC的纯度均大于99.5%；石墨粉的目数≥150目。

1）一种铜基-石墨自润滑复合材料的制备方法，具体步骤如下：

所述的石墨骨架结构是先依据自润滑膜形成机理以及强度理论，设计出三维石墨骨架结构模型。三维石墨骨架结构为一种多孔结构，其孔洞所占体积分数应大于60%，最小孔洞尺寸在0.5-2.0mm之间，石墨骨架特征尺寸在0.4mm~4.0mm之间（在满足制备条件下，尽可能减小特征尺寸），且石墨骨架结构具有一定的对称性，保证每个切片层上石墨用量相同，分布密度相同，每个摩擦面上石墨量相同，摩擦过程中能够确保形成自润滑膜。具体为：

将石墨粉末与酚醛树脂混合后，按设计的结构，采用二氧化碳激光器，以最小光斑直径为0.4mm，扫描速度为500-3000mm/S，扫描间距0.1-0.25mm，分层厚度0.05-0.2mm，烧结石墨粉末与酚醛树脂混合材料成石墨骨架胚体，取出坯体后清除浮在上面的粉末。

2）石墨化处理，将制备好的骨架坯体在气体（氩气或氮气）保护的条件下，在2000-2500℃下进行高温石墨化处理，以将粘接剂石墨化，同时可以进一步提高骨架强度（抗弯强度2-4Mpa），防止铸造成形过程中骨架结构坍塌。同时，石墨化后的三维骨架内部存在一定的孔隙率（20%-35%），铸造过程中被铜合金填充，形成微观组织的机械咬合，一定程度上增强了界面结合能力，提高了复合材料的强度。

3）镀铜，由于在1100℃条件下，铜与石墨之间的润湿角仍高达140°，为了解决铸造过程中铜与石墨骨架之间的界面结合强度不足的问题，需将石墨化后的骨架进行表面镀铜处理，以提高骨架与铜合金复合过程中的结合强度，增强其致密度，提高其综合性能。具体是将石墨化处理后的石墨骨架置于CuSO₄·5H₂O镀液中镀铜处理，镀液中CuSO₄·5H₂O含量为10g/L，镀液与石墨骨架的配比为每1L镀液施镀10g石墨骨架，镀完后经冲洗并干燥；镀铜后石墨骨架抗弯强度为3-6Mpa。

4）将镀铜后的石墨骨架组装在铸型型腔内，并保证其在铜合金基体中的位置。

采用普通砂型铸造/压力铸造/真空吸铸的方式，将熔炼的铜合金铸到型腔内，与三维石墨骨架复合，获得内嵌三位石墨骨架的铜基-石墨自润滑复合材料。复合过程中，液态铜合金不仅与镀铜石墨骨架之间形成冶金结合，还填充了石墨化处理后骨架内部的孔隙，铜合金与石墨骨架之间还形成机械咬合，进一步提高了材料的致密度和界面结合强度，使得该自润滑复合材料导电导热性能以及力学性能得到很好的提升。具体是将镀铜后的石墨骨架组装在铸造砂型型腔内，定位、固定好后，采用真空吸铸的方式，将熔炼的铜合金在真空度为3.0×10^-3Pa下吸入到铸型型腔中与石墨骨架复合，获得内嵌三维石墨骨架的铜基-石墨自润滑复合材料。

所述的酚醛树脂占石墨粉末的质量分数为30%-70%。

所述的石墨骨架为一个立体的多孔结构，空洞所占体积分数大于60%，最小空洞尺寸在0.5-2.0mm，且石墨骨架具有高度对称性，每个切片层（摩擦面）上石墨用量相同、分布密度相同，石墨骨架粗细在0.4-4.0mm。

采用该方法具有以下优点：

1.该方法由于预先将石墨制成连为一体的骨架，石墨分布状态有序可控、相对集中，在达到同样的使用效果时，可一定程度上减少石墨用量，减少了传统制备方法中石墨颗粒对基体的割裂作用，材料的整体力学性能提高。同时，由于石墨本身按骨架结构分布，铜基体也能够连城连续的三维网络，实际上呈现两个骨架的耦合，这种组织状态可充分发挥铜的导电性以及石墨的自润滑性，且整体强度高。

2.该方法由于预先将石墨制成连为一体的骨架，骨架本身具有一定空间结构和强度，石墨化处理及表面镀铜处理后其强度进一步提升，防止了铸造过程中其结构被破坏，同时解决了传统采用复合铸造法制备铜/石墨自润滑材料时石墨颗粒的偏析、上浮等问题。

3.石墨化后的三维骨架内部存在一定的孔隙率（20%-35%），铸造过程中被铜合金填充，形成微观组织的机械咬合，防止了使用过程中发生大面积脱落，保证了润滑膜的形成，并且一定程度上提高了界面结合能力，提高了复合材料的强度。

4.对石墨骨架表面镀铜处理解决了传统制备方法中石墨和铜基体之间的界面结合强度低的问题，同时提高了复合材料的致密度，增强了其综合性能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例1三维石墨骨架结构，该结构为金刚石空间结构，具有对称性，且为一种多孔结构。

图2为本发明实施例1铜合金与三维石墨骨架的复合示意图，1区域为三维石墨骨架，2区域在铸造过程中被铜合金填充。

图3为本发明实施例1的铜基-石墨自润滑复合材料及其制备方法的基本工艺步骤。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

一种铜基-石墨自润滑复合材料及其制备方法，该铜基-石墨自润滑复合材料由铜合金和三维石墨骨架组成，铜合金成分为Cu、MoS₂、SiC，其中MoS₂占Cu的质量分数为2%，SiC占Cu的质量分数为0.5%，且三维石墨骨架占铜合金的质量分数为6%，所用的石墨粉末目数为200目，酚醛树脂粉末目数为600目。

具体制备步骤如下：

步骤1：依据自润滑膜形成机理以及强度理论，设计出如图1所示的三维石墨骨架结构。孔洞所占体积分数在76%，孔洞尺寸为2.0mm，石墨骨架特征尺寸为0.6mm。

步骤2：将如前所述的石墨粉末与酚醛树脂粉末按一定比例混合均匀，其中酚醛树脂粉末占石墨粉末的质量分数为50%。混合后的粉末作为选择性激光烧结（SLS）的原材料。将粉末加热到55℃，采用SLS技术将上述混合均匀的粉末原料按照设计出的结构烧结制成石墨骨架坯体，取出坯体后清除浮在上面的粉末。其中，成型机激光发生器为二氧化碳激光器，烧结工艺参数为：激光功率为20W，激光光斑直径为0.4mm，扫描速度为1800mm/S，扫描间距0.1mm，分层厚度0.1mm。

步骤3：将制备好的石墨骨架坯体在温度为2350℃，并且通氮气保护的条件下，于石墨化炉中进行高温石墨化处理，得到石墨骨架，以将骨架坯体中粘接剂中的有机物石墨化，同时可进一步提高骨架强度，经抗弯强度测试，石墨化后的骨架抗弯强度为3.2Mpa。

步骤4：采用化学镀铜的方式，将石墨化处理后的骨架置于CuSO₄·5H₂O镀液中镀铜处理，镀液中CuSO₄·5H₂O含量为10g/L，镀液与石墨骨架的配比为每1L镀液施镀10g石墨骨架。镀完后经冲洗并干燥。经抗弯强度测试，表面镀铜处理后的骨架抗弯强度为5.4Mpa。

步骤5：将镀铜后的石墨骨架组装在铸造砂型型腔内，定位、固定好后，采用真空吸铸的方式，将熔炼的铜合金在一定条件（真空度3.0×10^-3Pa）下吸入到铸型型腔中与石墨骨架复合，获得内嵌三维石墨骨架的铜基-石墨自润滑复合材料，如图2所示。

经检测，制备出的铜基-石墨自润滑复合材料，密度为8.16g/cm³，冲击韧性为6.5J/cm²，电阻率为0.022 μΩ·m ，摩擦系数为0.12。

Claims (3)

1.一种铜基-石墨自润滑复合材料，其特征在于，所述的铜基-石墨自润滑复合材料由三维石墨骨架和铜合金组成，三维石墨骨架占铜合金的质量分数为6%；所述的铜合金成分组成为Cu、MoS₂、SiC，其中MoS₂占Cu的质量分数为2%，SiC占Cu的质量分数为0.5%；所述的铜为铜锭，铜锭、MoS₂、SiC的纯度均大于99.5%；石墨粉的目数为200目，酚醛树脂粉末目数为600目，具体制备方法如下：

1）将石墨粉末与酚醛树脂混合后，按设计的结构，采用二氧化碳激光器，以最小光斑直径为0.4mm，扫描速度为500-3000mm/s，扫描间距0.1-0.25mm，分层厚度0.05-0.2mm，烧结石墨粉末与酚醛树脂混合材料成石墨骨架胚体，取出坯体后清除浮在上面的粉末；

2）石墨化处理，将制备好的骨架坯体在氩气或氮气的混合气体得保护下，在2000-2500℃下进行高温石墨化处理，得到石墨骨架；

3）镀铜，将石墨化处理后的石墨骨架置于CuSO₄·5H₂O镀液中镀铜处理，镀液中CuSO₄·5H₂O含量为10g/L，镀液与石墨骨架的配比为每1L镀液施镀10g石墨骨架，镀完后经冲洗并干燥；

4）将镀铜后的石墨骨架组装在铸造砂型型腔内，定位、固定好后，采用真空吸铸的方式，将熔炼的铜合金在真空度为3.0×10^-3Pa下吸入到铸型型腔中与石墨骨架复合，获得内嵌三维石墨骨架的铜基-石墨自润滑复合材料。

2.权利要求1所述的铜基-石墨自润滑复合材料，其特征在于，酚醛树脂占石墨粉末的质量分数为30%-70%。

3.权利要求1所述的铜基-石墨自润滑复合材料，其特征在于，所述的石墨骨架为一个立体的多孔结构，孔洞所占体积分数大于60%，最小孔洞尺寸在0.5-2.0mm，且石墨骨架具有高度对称性，每个切片层上石墨用量相同、分布密度相同，石墨骨架粗细在0.4-4.0mm。