CN105586503A - 铜石墨复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了铜石墨复合材料，属于石墨技术领域，该复合材料以铜铝合金为基体材料，以镀镍覆石墨为掺杂相：铜铝合金包括质量百分比为8-12%的铝，质量百分比为88-92%的铜。本发明还公开了铜石墨复合材料的制备方法。本发明铜石墨复合材料，使用镀镍石墨粉，能够解决铜与石墨不润湿的问题；本发明的制备方法采用半固态铸造法，该方法工艺简单、能耗小，制得的产品组织均匀性好、致密度高，而且能很好地解决石墨颗粒在铜液中的上浮现象，得到了石墨颗粒均匀分布、性能良好的铜石墨自润滑复合材料。

Description

铜石墨复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于石墨技术领域，具体涉及铜石墨复合材料及其制备方法。
背景技术
铜石墨复合材料因具有良好的导电、导热、耐磨、抗电弧侵蚀性能、高强度以及良好的经济性而得到广泛应用。而对于大多数铜石墨复合材料用构件，材料的摩擦磨损性能在所有的性能要求中显得最为重要。因此，开展铜石墨复合材料的新制备工艺及其摩擦磨损性能的研究具有重大意义。
我国对铜石墨复合材料的大规模研究开始于二十世纪八十年代前后，主要是跟踪国外的科研动态分别对粉末冶金，液相浸渍等进行了研究，开发出了粉末冶金制备技术、液相浸渍制备技术，并且对摩擦磨损、导电、抗冲击等性能和机理等理论问题进行了研究。由于采用我国现有的铜石墨复合材料的制备方法制得的产品存在空隙率大等缺点，致使铜石墨复合材料的应用范围受到了很大的限制，所以只能每年花费大量的外汇从国外进口高性能的铜石墨复合材料来满足国内的需求。因此开发研究能够真正解决铜石墨复合材料加工的新方法以便经济地，科学地加工出高质量的铜石墨复合材料来满足各行各业的需要迫在眉睫，其意义不言而喻。
前述的几类铜石墨复合材料的制备方法各自存在的不足，可具体归纳为二方面：(1）工艺复杂、设备庞大、能耗大；(2)产品孔隙率大，致密度不高。
铜石墨复合材料制备的发展方向是工艺简单、能耗小，制得的产品组织均匀性好、致密度高。因此开发研制铜石墨复合材料新的加工方法必须以此为原则。从节能的角度考虑，铸造法直接将铜合金液与石墨粉进行复合是最理想的，如若能实现，该复合工艺是最简单、最节能的。
金属材料在凝固过程中加强烈的搅拌，可以打碎金属凝固形成的枝晶网络结构，形成近球状的组织，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定颗粒状固相组分的固液混合浆料，利用这种浆料的粘度大且可调的原理，可以克服大部分增强材料和金属液之间润湿性不好而难以复合的难点，依靠半固态金属阻止增强材料因比重差而上浮，得到增强材料在母液中均匀分布的金属基复合材料。半固态铸造方法制备铜石墨复合材料，该方法突破了铜石墨复合材料制备的传统方法的局限，用直接铸造的方法制备铜石墨复合材料；该方法能很好地解决石墨颗粒在铜液中的上浮现象以及界面结合问题，得到了石墨颗粒均匀分布、性能良好的铜石墨自润滑复合材料。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供铜石墨复合材料，制得的石墨颗粒均匀分布、性能良好；本发明的另一目的是提供铜石墨复合材料的制备方法。
铜石墨复合材料，该复合材料以铜铝合金为基体材料，以镀镍覆石墨为掺杂相：所述的铜铝合金包括质量百分比为8-12%的铝，质量百分比为88-92%的铜。
所述的铝的纯度大于99.6%，铜的纯度大于99.9%。
所述的镀镍石墨粒度为30-60μm。
所述的铜石墨复合材料制备方法，该方法包括如下步骤：
1）在坩埚内用高频感应炉将铜铝合金融化成熔融液，并升至1200℃，保温，得到熔融液；
2）用铝箔将镀镍石墨粉包住，加入熔融液中，用搅拌器压入，使得镀镍石墨粉浸没在熔融液中，保温5-10分钟，得到混合熔融液；
3）将混合熔融液降温至1100℃，同时进行搅拌，边搅拌边降温，搅拌器型式为桨式斜叶，搅拌速度为200-400r/min，搅拌时间为10-15分钟，搅拌结束后保温，得到半固态浆料；
4）将半固态浆料浇铸到石墨模具中，制得铜石墨复合材料。
步骤2）中，用铝箔将镀镍石墨粉包住，加入熔融液中，再用搅拌器压住，使得镀镍石墨粉浸没在熔融液中。
步骤3）中，搅拌器倾角为30-60度，保温温度为1043-1060℃。
发明原理：铜铝合金液在凝固的过程中，加强烈的搅拌，可以打碎凝固时形成的枝晶网络结构，形成近球状的组织，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定颗粒状固相组分的固液混合浆料，温度的不同，会影响颗粒状固相组分的比例，进而影响熔体的粘度；半固态金属浆料粘度大，颗粒状固相能够阻止石墨粒子因比重差（铜密度8.9g/cm3，石墨密度2.2g/cm3）上浮，使得石墨粒子均匀的分布在铜铝合金中。
有益效果：与现有技术相比，本发明铜石墨复合材料，使用镀镍石墨粉，能够解决铜与石墨不润湿的问题；本发明的制备方法采用半固态铸造法，该方法工艺简单、能耗小，制得的产品组织均匀性好、致密度高，而且能很好地解决石墨颗粒在铜液中的上浮现象，得到了石墨颗粒均匀分布、性能良好的铜石墨自润滑复合材料。
附图说明
图1为实施例1制备的铜石墨复合材料的金相照片；
图2为实施例2制备的铜石墨复合材料的金相照片；
图3为实施例3制备的铜石墨复合材料的金相照片；
图4为实施例4制备的铜石墨复合材料的金相照片。
具体实施方式
铜石墨复合材料，其以铜铝合金为基体材料，以镀镍覆石墨为掺杂相；铜铝合金组成包括质量百分比为8-12%的铝，质量百分比为88-92%的铜，铝的纯度大于99.6%，铜的纯度大于99.9%；镀镍石墨粒度为50μm。
铜石墨复合材料制备方法，其包括如下步骤：
1）在坩埚内用高频感应炉将铜铝合金融化成熔融液，并升至1200℃，保温，得到熔融液；高频感应炉频率不超过250赫兹；
2）用铝箔将镀镍石墨粉加入熔融液中，用搅拌器压入，使得镀镍石墨粉浸没在熔融液中，保温5-10分钟，得到混合熔融液；
3）将混合熔融液降温至1100℃，同时进行搅拌，边搅拌边降温，搅拌器型式为桨式斜叶，搅拌速度为200-400r/min，搅拌时间为10-15分钟，搅拌结束后保温，得到半固态浆料；
4）将半固态浆料浇铸到石墨模具中，制得铜石墨复合材料。
所采用的的铜铝合金组成包括质量百分比为8-12%的铝，质量百分比为88-92%的铜，铝的纯度大于99.6%，铜的纯度大于99.9%；所述的镀镍石墨粒度为30-60μm。
步骤2）中，用铝箔将镀镍石墨粉包住，加入熔融液中，再用搅拌器压住，使得镀镍石墨粉浸没在熔融液中。步骤3）中，搅拌器倾角为30-60度，保温温度为1043-1060℃。
实施例1
铜石墨复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1）在坩埚内用高频感应炉将铜铝合金融化成熔融液，其中，铜含量为92%，铝含量为8%，并升至1200℃，保温，得到熔融液；
2）用铝箔将镀镍石墨粉包住，将镀镍石墨粉（4vol%，粒度为50μm），加入熔融液中，用搅拌器压入，使得镀镍石墨粉浸没在熔融液中，保温5分钟，得到混合熔融液；
3）将混合熔融液降温至1100℃，同时进行搅拌，搅拌速度为250r/min，搅拌器倾角为30度，边搅拌边降温到1043℃，搅拌时间为10分钟，搅拌结束后保温，得到半固态浆料；
4）将半固态浆料浇铸到石墨模具中，制得铜石墨复合材料。
如图1所示，本试验制备的铜石墨复合材料，石墨均匀的分布在铜基体中；由于在半固态下成型，复合材料的组织细小、均匀。
实施例2
铜石墨复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1）在坩埚内用高频感应炉将铜铝合金融化成熔融液，其中，铜含量为90%，铝含量为10%，并升至1200℃，保温，得到熔融液；
2）用铝箔将镀镍石墨粉包住，将镀镍石墨粉（含量为4vol%，粒度为50μm）加入熔融液中，用搅拌器压入，使得镀镍石墨粉浸没在熔融液中，保温5分钟，得到混合熔融液；
3）将混合熔融液降温至1100℃，同时进行搅拌，搅拌速度为250r/min，搅拌器倾角为60度，边搅拌边降温到1043℃，搅拌时间为10分钟，搅拌结束后保温，得到半固态浆料；
4）将半固态浆料浇铸到石墨模具中，制得铜石墨复合材料。
如图2所示，本试验制备的铜石墨复合材料，加入较多量的镀镍石墨粉，有轻微的团聚；由于在半固态下成型，复合材料的组织细小、均匀。
实施例3
铜石墨复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1）在坩埚内用高频感应炉将铜铝合金融化成熔融液，其中，铜含量为90%，铝含量为10%，并升至1200℃，保温，得到熔融液；
2）用铝箔将镀镍石墨粉包住，将镀镍石墨粉（含量为4vol%，粒度为50μm）加入熔融液中，用搅拌器压入，使得镀镍石墨粉浸没在熔融液中，保温5分钟，得到混合熔融液；
3）将混合熔融液降温至1100℃，同时进行搅拌，搅拌速度为250r/min，搅拌器倾角为30度，边搅拌边降温到1060℃，搅拌时间为10分钟，搅拌结束后保温，得到半固态浆料；
4）将半固态浆料浇铸到石墨模具中，制得铜石墨复合材料。
如图3所示，本试验制备的铜石墨复合材料，石墨分布不太均匀；由于在半固态下成型，复合材料的组织细小、均匀。
实施例4
铜石墨复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1）在坩埚内用高频感应炉将铜铝合金融化成熔融液，其中，铜含量为88%，铝含量为12%，并升至1200℃，保温，得到熔融液；
2）用铝箔将镀镍石墨粉包住，将镀镍石墨粉（含量为4vol%，粒度为50μm）加入熔融液中，用搅拌器压入，使得镀镍石墨粉浸没在熔融液中，保温5分钟，得到混合熔融液；
3）将混合熔融液降温至1100℃，同时进行搅拌，搅拌速度为250r/min，搅拌器倾角为60度，边搅拌边降温到1060℃，搅拌时间为10分钟，搅拌结束后保温，得到半固态浆料；
4）将半固态浆料浇铸到石墨模具中，制得铜石墨复合材料。
如图4所示，本试验制备的铜石墨复合材料，石墨较均匀的分布在铜基体中，但加入量较少；由于在半固态下成型，复合材料的组织细小、均匀。

Claims (6)

1.铜石墨复合材料，其特征在于：该复合材料以铜铝合金为基体材料，以镀镍覆石墨为掺杂相：所述的铜铝合金包括质量百分比为8-12%的铝，质量百分比为88-92%的铜。
2.根据权利要求1所述的铜石墨复合材料，其特征在于：所述的铝的纯度大于99.6%，铜的纯度大于99.9%。
3.根据权利要求1所述的铜石墨复合材料，其特征在于：所述的镀镍石墨粉粒度为30-60μm。
4.权利要求1~3中任意一项所述的铜石墨复合材料制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
1）在坩埚内用高频感应炉将铜铝合金融化成熔融液，并升至1200℃，保温，得到熔融液；
2）用铝箔将镀镍石墨粉包住，加入熔融液中，用搅拌器压入，使得镀镍石墨粉浸没在熔融液中，保温5-10分钟，得到混合熔融液；
3）将混合熔融液降温至1100℃，同时进行搅拌，边搅拌边降温，搅拌器型式为桨式斜叶，搅拌速度为200-400r/min，搅拌时间为10-15分钟，搅拌结束后保温，得到半固态浆料；
将半固态浆料浇铸到石墨模具中，制得铜石墨复合材料。
5.根据权利要求4所述的铜石墨复合材料制备方法，其特征在于：步骤2）中，用铝箔将镀镍石墨粉包住，加入熔融液中，再用搅拌器压住，使得镀镍石墨粉浸没在熔融液中。
6.根据权利要求4所述的铜石墨复合材料制备方法，其特征在于：步骤3）中，搅拌器倾角为30-60度，保温温度为1043-1060℃。
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