CN106702194B - 一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法，它包括如下步骤：机械混合、压制成型、熔渗烧结和渗碳。较之现有技术，本发明具有以下有益效果：渗碳后在钨铜合金的表面有存在一层硬度较高的碳化钨耐磨层，另外，熔渗的低熔点铜在高温摩擦磨损时自身的挥发也会带走大量的热量，从而提高该材料的抗磨损性能并可以延长使用寿命。

Description

一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种在常温尤其是高温下使用的耐磨材料的制备方法，具体涉及一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法。
背景技术
钨铜合金是由高熔点、高硬度的钨和高导电、导热率的铜所构成的假合金。具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性和高强度、高硬度、减磨耐磨性等优点，被广泛地用做中、高压开关中的电接触材料；航空航天器件的耐高温材料；高性能电极材料。然而，磨损作为工程构件的主要失效形式之一，越来越受到人们的关注。钨铜合金因其特殊的性能，近年来逐渐被人们用作耐磨件，比如电视机生产线上的导轨，型材生产线上的导卫材料、高铁上的电弓材料等。这是因为工作温度高达上千度的导卫件，只有高熔点的材料才能不会因高温软化而失效；另一方面是导卫材料的摩擦系数大，轧件与导卫材料发生相对运动，会产生摩擦磨损，若摩擦系数太大将大大损耗导卫板和轧件。钨铜基导卫材料基体中钨的熔点为3410℃，该复合材料在高温下仍然能保持其高强硬度的特点，不易发生粘着；而低熔点的铜在高温条件下，软化后使合金表面能形成一层润滑膜，降低摩擦系数，铜钨基复合材料还具有较好的导热性，能快速使导卫板温度降低可大大降低导卫工作时的温度，从而对导卫板起到了保护作用，延长了导卫的使用寿命。在常温下使用的导轨则因钨铜高的硬度、抗氧化性、耐腐蚀、摩擦系数低等特点而作为耐磨件的首选。
传统钨铜合金的耐磨性差，特别是在室温和高温下耐磨性更差。现有的钨铜合金材料用作高温耐磨件的寿命较短，从而会影响与其相互接触件的服役状况。
为进一步提高钨铜复合材料的表面硬度和耐磨性，本发明介绍一种高耐磨性钨铜复合材料制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法。本方法所制备的一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料，能够作为温度不超过1000℃服役条件下的耐磨件。
本发明是采用以下技术方案实现的：
一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
①机械混合：将钨粉、碳化钨粉、铜粉、镍粉和溶剂有机机械混合；
②压制成型：将机械混合后的物料压制成型成压坯；
③熔渗烧结：然后将压坯采用熔渗铜烧结制备钨铜复合材料；
④渗碳：将经步骤③制成的钨铜复合材料置于渗碳炉中进行渗碳，得到表面是渗碳层、内部是各个组成相均匀分布的具有高耐磨性的复合材料；
其中，所述的钨粉、碳化钨粉、铜粉及镍粉的质量比为74-76:4-6:4-6:0.1-0.3，所述的有机溶剂的量按照每千克钨粉、碳化钨粉、铜粉及镍粉制成的混合粉料加5-10毫升的溶剂。
进一步地，所述的高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法，还包括步骤⑤喷砂：将经步骤④渗碳后的复合材料置于固体喷砂机中进行喷砂，用来去除表面粘附的炭黑，喷砂的冲击速度为10～20米/秒，喷砂所用的砂粒不大于200目。通过步骤⑤喷砂能使本发明的复合材料具有更高的耐磨性。
进一步地，具体操作时，为了使渗碳更加均匀，在渗碳前去除掉零件表面多余的覆铜。将步骤4溶渗好的复合材料表面多余的覆铜通过车削(回转体的材料)或铣削(方形的材料)去掉。
进一步地，所述的①机械混合为：将钨粉、碳化钨粉、铜粉及镍粉与溶剂(优选汽油)共同搅拌混合2～3小时，然后过40目的筛网放置1～2小时，所述的有机溶剂的量按照每千克钨粉、碳化钨粉、铜粉及镍粉制成的混合粉料加5-10毫升的溶剂。
为了使钨铜复合材料内部的各个相更加均匀，所述的钨粉的粒径为4～6μm，碳化钨粉的粒径为6～10μm，铜粉的粒径为50～80μm，镍粉的粒径为1～5μm。
进一步地，所述的②压制成型步骤为：
根据所加工产品的尺寸即产品的体积和压坯的密度，计算所需要的压坯的质量，即(压坯的质量＝压坯的密度*零件的体积)，
然后称取压坯的质量相同的混合粉装入钢制模具中，以6～8吨/厘米2的压力压制成型，再将压坯从模具中以小于30％的压制压力脱出。
进一步地，所述的压坯的密度是理论密度的85％，即13～13.2克/立方厘米。
进一步地，所述的③熔渗铜烧结包括：
将步骤②压制成型的压坯放入石墨舟中，然后将石墨舟放入在高温保护气氛烧结炉内熔渗铜烧结，溶渗的铜的质量是压坯质量的17％；
烧结时，在石墨舟上面设置用来渗铜的铜坯块，周围设置高纯氧化铝填料；
烧结时，控制保护气氛流量为0.3～0.6立方米每小时，温度为1400℃～1460℃，烧结时间为2～2.5小时。
进一步地，所述的铜坯块为用纯铜粉压制而成的铜棒或现有的纯铜棒，高纯氧化铝填料的目数为80～100目，所述的保护气氛为氢气或氦气。
进一步地，所述的④渗碳包括：
将步骤③熔渗铜烧结后的坯料放在含有渗碳剂的渗碳炉中，加热到950～980℃，保温12～24小时进行渗碳，等渗碳结束后，随炉冷却到室温，再去掉渗碳剂。
所述的渗碳剂为液体渗碳剂或固体渗碳剂，液体渗碳剂的用量按照每分钟2～5毫升，所述的固体渗碳剂的用量按照每千克钨粉、碳化钨粉、铜粉及镍粉混合粉加200克固体渗碳剂，所述的有机溶剂为汽油、酒精或丙酮。
所述液体渗碳剂优选煤油或甲烷，所述固体渗碳剂优选尿素。
较之现有技术，本发明具有以下有益效果：渗碳后在钨铜合金的表面有存在一层硬度较高的碳化钨耐磨层，另外，熔渗的低熔点铜在高温摩擦磨损时自身的挥发也会带走大量的热量，从而提高该材料的抗磨损性能并可以延长使用寿命。同时，本发明也有利于提高材料的表面强度，与心部的较软基体配合，能够充分发挥该材料的综合强韧性，用在军工和特殊服役条件下。通过高温渗碳和添加硬质相碳化钨，不仅表面得到强化，心部也有一定的硬度提高，更重要的是心部与表面的强韧性得到一个较为理想的配合，从而发挥材料的最佳性能。
附图说明
图1为相同载荷相同速度不同温度下梯度结构碳化物复合材料的摩擦磨损表面形貌。
具体实施方式
(一)具体实施方式
一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
①机械混合：将钨粉、碳化钨粉、铜粉、镍粉和有机溶剂机械混合；
②压制成型：将机械混合后的物料压制成型成压坯；
③熔渗烧结：然后将压坯采用熔渗铜烧结制备钨铜复合材料；
④渗碳：将经步骤③制成的钨铜复合材料置于渗碳炉中进行渗碳，得到表面是渗碳层、内部是各个组成相均匀分布的具有高耐磨性的复合材料；
其中，所述的钨粉、碳化钨粉、铜粉及镍粉的质量比优选为74-76:4-6:4-6:0.1-0.3，也可以是在这比例附近的其它比例，所述的有机溶剂的量按照每千克钨粉、碳化钨粉、铜粉及镍粉制成的混合粉料优选加5-10毫升的溶剂。
进一步地，所述的高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法，还包括步骤⑤喷砂：将经步骤④渗碳后的复合材料置于固体喷砂机中进行喷砂，用来去除表面粘附的炭黑，喷砂的冲击速度优选为10～20米/秒，喷砂所用的砂粒优选为不大于200目。通过步骤⑤喷砂能使本发明的复合材料具有更高的耐磨性。
进一步地，具体操作时，为了使渗碳更加均匀，在渗碳前去除掉零件表面多余的覆铜。将步骤4溶渗好的复合材料表面多余的覆铜通过车削(回转体的材料)或铣削(方形的材料)去掉。
进一步地，所述的①机械混合为：将钨粉、碳化钨粉、铜粉及镍粉与溶剂(优选汽油)共同搅拌混合2～3小时，然后过40目的筛网放置1～2小时。
为了使钨铜复合材料内部的各个相更加均匀，所述的钨粉的粒径为4～6μm，碳化钨粉的粒径为6～10μm，铜粉的粒径为50～80μm，镍粉的粒径为1～5μm。
进一步地，所述的②压制成型步骤为：
根据所加工产品的尺寸即产品的体积和压坯的密度，计算所需要的压坯的质量，即(压坯的质量＝压坯的密度*零件的体积)，
然后称取压坯的质量相同的混合粉装入钢制模具中，以6～8吨/厘米2的压力压制成型，再将压坯从模具中以小于30％的压制压力脱出。
进一步地，所述的压坯的密度是理论密度的85％，即13～13.2克/立方厘米。
进一步地，所述的③熔渗铜烧结包括：
将步骤②压制成型的压坯放入石墨舟中，然后将石墨舟放入在高温保护气氛烧结炉内熔渗铜烧结，溶渗的铜的质量是压坯质量的17％；
烧结时，在石墨舟上面设置用来渗铜的铜坯块，周围设置高纯氧化铝填料；
烧结时，控制保护气氛流量为0.3～0.6立方米每小时，温度为1400℃～1460℃，烧结时间为2～2.5小时。
进一步地，所述的铜坯块为用纯铜粉压制而成的铜棒或现有的纯铜棒，高纯氧化铝填料的目数为80～100目，所述的保护气氛为氢气或氦气。
进一步地，所述的④渗碳包括：
将步骤③熔渗铜烧结后的坯料放在含有渗碳剂的渗碳炉中，加热到950～980℃，保温12～24小时进行渗碳，等渗碳结束后，随炉冷却到室温，再去掉渗碳剂。
所述的渗碳剂为液体渗碳剂或固体渗碳剂，液体渗碳剂的用量按照每分钟2～5毫升，所述的固体渗碳剂的用量按照每千克钨粉、碳化钨粉、铜粉及镍粉混合粉加200克固体渗碳剂。
所述液体渗碳剂优选煤油或甲烷，所述固体渗碳剂优选尿素，所述的有机溶剂为汽油、酒精或丙酮。
(二)具体实施例
实施例1(制备Φ30×50mm的钨铜耐磨棒)
步骤1.机械混合
选取钨粉的粒径为4～6μm，碳化钨粉的粒径为6～10μm，铜粉的粒径为50～80μm，镍粉的粒径为1～5μm，四种原料的质量比分别是75:5:5:0.2，加入5％(每公斤混合粉料约5毫升)的溶剂汽油，共同搅拌混合2小时，然后过40目的筛网放置1小时。
步骤2.计算称料量
根据所加工零件的尺寸，计算体积V，该零件的体积是35.3立方厘米，压坯的密度是理论密度的85％，即13～13.2克/立方厘米。这样得到的压坯质量是13V克,即459克。
步骤3.压制成型
按照步骤2计算的量，称取步骤1的混合粉装入内径为30毫米，高为140毫米钢制圆形模具中，以50吨的压力压制成型，再将压坯从模具中以小于15吨的压制压力脱出。
步骤4.熔渗烧结
将步骤3的压坯放入石墨舟中，上面放置需要渗铜的坯块(该坯块可以用纯铜粉压制或截取纯铜棒)，周围加80～100目的高纯氧化铝填料。在高温保护氢气气氛烧结炉内，气氛流量在0.3～0.6立方米每小时，控制温度1400℃℃，保温2～2.5小时进行熔渗烧结成型。溶渗的铜量是压坯质量的17％，即为81克。
步骤5.机械加工
将步骤4溶渗好的复合材料表面多余的覆铜通过车削去掉。
步骤6.高温渗碳
将步骤5加工好的零件放在渗碳炉中，加热到950℃，用煤油或甲烷(液体渗碳剂的用量是每分钟2～5毫升)或尿素(固体渗碳剂是每公斤原料200克)作为渗碳剂，保温12小时进行渗碳。等渗碳结束后，随炉冷却到室温，再去掉渗碳剂。
步骤7.表面喷砂
将步骤6渗碳后的钨铜复合材料，在固体喷砂机中进行喷砂，所用砂粒不大于200目，冲击速度在10米/秒，去除表面粘附的炭黑，即为所得的高耐磨性钨铜圆柱棒材。
实施例2(制备尺寸为20×10×100mm的钨铜耐磨板)
步骤1.机械混合
选取钨粉的粒径为4～6μm，碳化钨粉的粒径为6～10μm，铜粉的粒径为50～80μm，镍粉的粒径为1～5μm，四种原料的质量比分别是74:4:4:0.1，加入5％(每公斤混合粉料约10毫升)的溶剂酒精，共同搅拌混合2小时，然后过40目的筛网放置1.5小时。
步骤2.计算称料量
根据所加工零件的尺寸，计算体积V，该零件的体积是20立方厘米，压坯的密度是理论密度的85％，即13～13.2克/立方厘米。这样得到的压坯质量是13V克,即260克。
步骤3.压制成型
按照步骤2计算的量，称取步骤1的混合粉装入内腔尺寸长100毫米、宽20毫米、高40毫米钢制方形模具中，以120吨的压力压制成型，再将压坯从模具中以小于30吨的压制压力脱出。
步骤4.熔渗烧结
将步骤3的压坯放入石墨舟中，上面放置需要渗铜的坯块(该坯块可以用纯铜粉压制或截取纯铜棒)，周围加80～100目的高纯氧化铝填料。在高温保护氢气气氛烧结炉内，气氛流量在0.3～0.6立方米每小时，控制温度1400℃，保温2.5小时进行熔渗烧结成型。溶渗的铜量是压坯质量的17％，即为44克。
步骤5.机械加工
将步骤4溶渗好的复合材料表面多余的覆铜通过铣床去掉。
步骤6.高温渗碳
将步骤5加工好的零件放在渗碳炉中，加热到970℃，用煤油或甲烷(液体渗碳剂的用量是每分钟2～5毫升)或尿素(固体渗碳剂是每公斤原料200克)作为渗碳剂，保温20小时进行渗碳。等渗碳结束后，随炉冷却到室温，再去掉渗碳剂。
步骤7.表面喷砂
将步骤6渗碳后的钨铜复合材料，在固体喷砂机中进行喷砂，所用砂粒不大于200目，冲击速度在15米/秒，去除表面粘附的炭黑，即为所得的高耐磨性钨铜板材。
实施例3(制备Φ40×120mm的钨铜耐磨棒)
步骤1.机械混合
选取钨粉的粒径为4～6μm，碳化钨粉的粒径为6～10μm，铜粉的粒径为50～80μm，镍粉的粒径为1～5μm，四种原料的质量比分别是76:6:6:0.6，加入5％(每公斤混合粉料约5毫升)的溶剂丙酮，共同搅拌混合2小时，然后过40目的筛网放置2小时。
步骤2.计算称料量
根据所加工零件的尺寸，计算体积V，该零件的体积是150立方厘米，压坯的密度是理论密度的85％，即13～13.2克/立方厘米。这样得到的压坯质量是13V克,即1959克。
步骤3.压制成型
按照步骤2计算的量，称取步骤1的混合粉装入内径为40毫米，长为120毫米“U型”钢制模具中(该零件需要躺着成型)，以500吨的压力压制成型，再将压坯从模具中以小于100吨的压制压力脱出。
步骤4.熔渗烧结
将步骤3的压坯放入石墨舟中，上面放置需要渗铜的坯块(该坯块可以用纯铜粉压制或截取纯铜棒)，周围加80～100目的高纯氧化铝填料。在高温保护氢气气氛烧结炉内，气氛流量在0.3～0.6立方米每小时，控制温度1460℃，保温2.5小时进行熔渗烧结成型。溶渗的铜量是压坯质量的17％，即为333克。
步骤5.机械加工
将步骤4溶渗好的复合材料表面多余的覆铜通过车削去掉。同时通过车床对该棒材进行整形(车削加工)，得到较为规整的圆柱形棒材。
步骤6.高温渗碳
将步骤5加工好的零件放在渗碳炉中，加热到980℃，用煤油或甲烷(液体渗碳剂的用量是每分钟2～5毫升)或尿素(固体渗碳剂是每公斤原料200克)作为渗碳剂，保温24小时进行渗碳。等渗碳结束后，随炉冷却到室温，再去掉渗碳剂。
步骤7.表面喷砂
将步骤6渗碳后的钨铜复合材料，在固体喷砂机中进行喷砂，所用砂粒不大于200目，冲击速度在20米/秒，去除表面粘附的炭黑，即为所得的高耐磨性钨铜圆柱棒材。
上述实施例的高耐磨性钨铜复合材料表面硬度(HRc)、内部硬度(HRc)、摩擦系数(室温、高温)和室温磨损速率(mg/h)的性能如表1所示。
表1高耐磨钨铜复合材料的性能
性能指标 实施例1 实施例2 实施例3
表面硬度(HRc) 56 52 54
内部硬度(HRc) 50 48 49
摩擦系数(室温、高温) 0.60 0.21 0.42
室温磨损速率(mg/h) 4.11 3.33 2.75
如图1所示的是相同载荷相同速度不同温度下梯度结构碳化物复合材料的摩擦磨损表面形貌，其中(a)、(b)、(c)和(d)分别在25℃、300℃、500℃和700℃下的摩擦磨损表面形貌，根据摩擦磨损的形貌可以判断它的磨损机制主要是粘着磨损、接触疲劳和氧化磨损。

Claims (7)

1.一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
①机械混合：将钨粉、碳化钨粉、铜粉、镍粉和有机溶剂机械混合均匀；
②压制成型：将机械混合后的物料压制成型成压坯；
③熔渗烧结：然后将压坯采用熔渗烧结制备钨铜复合材料；
④渗碳：将经步骤③制成的钨铜复合材料置于渗碳炉中进行渗碳，得到表面是渗碳层、内部是各个组成相均匀分布的具有高耐磨性的碳化物复合材料；
其中，所述的钨粉、碳化钨粉、铜粉及镍粉的质量比为74-76:4-6:4-6:0.1-0.3，所述的溶剂的量按照每千克由钨粉、碳化钨粉、铜粉及镍粉制成的混合粉料加5-10毫升的有机溶剂；
还包括步骤⑤喷砂：将经步骤④渗碳后的复合材料置于喷砂机中进行喷砂，用来去除表面粘附的炭黑，喷砂的冲击速度为10～20米/秒，喷砂所用的砂粒不大于200目；
所述的钨粉的粒径为4～6μm，碳化钨粉的粒径为6～10μm，铜粉的粒径为50～80μm，镍粉的粒径为1～5μm；
在渗碳前去除掉零件表面多余的铜。
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法，其特征在于：所述的①机械混合为：将钨粉、碳化钨粉、铜粉、镍粉与有机溶剂共同搅拌混合2～3小时，然后过40目的筛网放置1～2小时。
3.根据权利要求1所述的一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法，其特征在于：所述的②压制成型步骤为：
根据所加工产品的尺寸即产品的体积和压坯的密度，计算所需要的压坯的质量，然后称取压坯的质量相同的混合粉装入钢制模具中，以6～8吨/厘米2的压力压制成型，再将压坯从模具中以小于30％的压制压力脱出。
4.根据权利要求3所述的一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法，其特征在于：所述的压坯的密度是理论密度的85％，即13～13.2克/立方厘米。
5.根据权利要求1所述的一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法，其特征在于：所述的③熔渗烧结包括：
将步骤②压制成型的压坯放入石墨舟中，然后将石墨舟放入在高温保护气氛烧结炉内熔渗铜烧结，溶渗的铜的质量是压坯质量的17％；
烧结时，在石墨舟上面设置用来渗铜的铜坯块，并在周围设置高纯氧化铝填料；
烧结时，控制保护气氛流量为0.3～0.6立方米每小时，温度为1400℃～1460℃，烧结时间为2～2.5小时。
6.根据权利要求1所述的一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法，其特征在于：所述的④渗碳包括：
将步骤③熔渗烧结后的坯料放在含有渗碳剂的渗碳炉中，加热到950～980℃，保温12～24小时进行渗碳，渗碳结束后，随炉冷却到室温，再去掉渗碳剂。
7.根据权利要求6所述的一种高耐磨的梯度结构碳化物复合材料的制备方法，其特征在于：所述的渗碳剂为液体渗碳剂或固体渗碳剂，液体渗碳剂的用量按照每分钟2～5毫升，所述的固体渗碳剂的用量按照每千克钨粉、碳化钨粉、铜粉及镍粉的混合粉加200克固体渗碳剂；
所述液体渗碳剂为煤油或甲烷，所述固体渗碳剂为尿素，所述的有机溶剂为汽油、酒精或丙酮。
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