CN106756213A - 一种高耐磨铜基材料及其制备方法 - Google Patents

一种高耐磨铜基材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高耐磨铜基材料及其制备方法，高耐磨铜基材料由锡青铜粉、氮化硼和强化相组成。本发明的材料克服了铜‑氮化硼界面不润湿的问题，制得的复合材料具有电阻率低，抗冲击性能好，摩擦系数小，抗弯强度高，硬度高等优点，兼有传统的锡青铜基滑板材料的强度高电阻率低和氮化硼润滑性能好两者的优点，同时制备工艺简单，工艺过程易于控制，没有污染，适用于批量生产。

Description

一种高耐磨铜基材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型的高耐磨铜基材料及其制备方法，特别涉及一种可用于制备新型电力机车受电弓滑板的高耐磨铜基材料及其制备方法。
背景技术
随着我国高速铁路的快速发展，作为高速列车最重要的集电元件，受电弓滑板的用量越来越大，因此对滑板材料的要求不断的提高。
滑板的发展趋势以碳纤维滑板、碳纤维滑板以及带有自润滑和它润滑功能的金属基复合材料、非金属基复合材料为主。石墨/铜复合材料由于具有较高的强度、良好的导电导热性、减磨耐磨性、耐腐蚀等一系列优点，在受电弓滑板材料中发挥着重要的作用。但国内外在C/Cu复合材料研究方面仍然存在很多实际应用上的问题没有得到满意的解决，主要由于石墨属于软质相，粘合性较强使得其彼此之间很容易团聚，再者由于石墨的平行层状结构，在与铜粉的混合过程中不易均匀，且产生偏析，需要对石墨表面进行改性处理以提高界面强度，如化学法、电镀法等。即便如此，但是还存在以下缺点：(1)制备过程复杂，能耗大(2)改性过程不易控制，生产效率低(3)产品致密度不高，孔隙率大。
因此，工艺简单、能耗小、产品组织均匀性好、致密高是铜基自润滑复合材料制备的发展方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高耐磨铜基材料。
本发明的另一个目的在于提供一种高耐磨铜基材料的制备方法。
本发明的再一个目的在于提供基于上述高耐磨铜基材料的受电弓滑板。
本发明所采取的技术方案是：
一种高耐磨铜基材料，由锡青铜粉、氮化硼和强化相组成，其体积比：V(锡青铜粉)：V(氮化硼)：V(强化相)＝(80-85)：(5-15)：(5-15)，强化相选自Cr3C2、Mo2C、WC、Zn中的至少一种。
作为上述高耐磨铜基材料的进一步改进，V(锡青铜粉)：V(氮化硼)：V(强化相)＝(80-85)：(8-12)：(8-12)。
作为上述高耐磨铜基材料的进一步改进，强化相中各组元质量比为：W(Cr3C2)：W(Mo2C)：W(WC)：W(Zn)＝(1-10)：(1-10)：(1-10)：(70-80)。
作为上述高耐磨铜基材料的进一步改进，强化相中各组元质量比为：W(Cr3C2)：W(Mo2C)：W(WC)：W(Zn)＝(4-7)：(4-7)：(4-7)：(70-80)。
作为上述高耐磨铜基材料的进一步改进，锡青铜粉中，Sn的质量百分含量为7～13％。
一种高耐磨铜基材料的制备方法，高耐磨铜基材料的组成如上所述，其制备方法包括如下步骤：
1)将氮化硼和强化相粉末球磨混匀，加水混合，练泥，得到泥料；
2)将泥料干燥，800～1100℃保温焙烧完全，得到焙烧料；
3)将焙烧料球磨粉碎，与锡青铜粉末混合，加入聚丙烯酰胺溶液，练泥、干燥；
4)将粉料置于模具中，冷压成型，得到压坯；
5)将压坯升温至500～600℃预烧，之后升温至800～950℃焙烧，冷却后得到初烧结体；
6)将初烧结体复压，800～950℃下复烧完全，得到型材。
作为上述制备方法的进一步改进，焙烧、预烧和复烧均在还原性气体保护下进行。
作为上述制备方法的进一步改进，聚丙烯酰胺溶液的浓度为2～4mol/L。
作为上述制备方法的进一步改进，冷压和复压的压力独立不低于1T/cm2，优选为1～3T/cm2。
一种受电弓滑板，其主体材料为上述的高耐磨铜基材料或上述的方法制备得到的高耐磨铜基材料。
本发明的有益效果是：
本发明采用锡青铜基体/氮化硼复合材料，氮化硼具有高熔点，高硬度，耐磨耐腐蚀，抗氧化的特点，滑板中引入氮化硼可以改善材料性能。其中的B元素也可以与基体中的合金元素合成硼化物，形成填充粒子与基体间良好的界面结合，起到化学交联点的作用，其配方科学合理，成功解决了铜-氮化硼界面不润湿的问题。制备的受电弓滑板材料具有电阻率低，抗冲击性能好，摩擦系数小，抗弯强度高，硬度高等优点，兼有传统的锡青铜基滑板材料的强度高电阻率低和氮化硼润滑性能好两者的优点，同时制备工艺简单，工艺过程易于控制，没有污染，适用于批量生产。
本发明的制备过程中向锡青铜/氮化硼复合材料中添加了聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺的网状结构使得它极易卷面缠结，可在复合材料中形成物理交联；而作为表面活性剂，它的酰胺基又具有高极性，容易形成氢键，可提高氮化硼表面活性，增强其与基体的界面结合强度，有利于阻止冲击过程中的裂纹扩展，减缓应力集中。总之，本发明工艺简单，操作方便，无需变更现有生产设备，并且改性后的受电弓滑板材料较传统材料有很大的改善，并且成本较低。
本发明制备的复合材料经过检测，密度为7.3～7.8g/cm3，表面硬度≥130HB，三点抗弯强度≥250MPa，拉伸强度≥180MPa，冲击韧性≥2.5J/cm2，电阻率≤12μΩ·.m，磨损率≤12.0mm/10000km，具有良好的力学性能、良好的导电性以及较低的磨损率等优点。
附图说明
图1为实施例1的扫描图；
图2为实施例2的扫描图；
图3是实施例3的最终样品照片；
图4为实施例3的扫描图；
图5为实施例3的B元素分布图；
图6为实施例3的Cr元素分布图；
图7为实施例3的Cu元素分布图；
图8为实施例3的Sn元素分布图；
图9为实施例3的Mo元素分布图；
图10为实施例3的W元素分布图；
图11为实施例4的扫描图。
具体实施方式
一种高耐磨铜基材料，由锡青铜粉、氮化硼和强化相组成，其体积比：V(锡青铜粉)：V(氮化硼)：V(强化相)＝(80-85)：(5-15)：(5-15)，强化相选自Cr3C2、Mo2C、WC、Zn中的至少一种。
作为上述高耐磨铜基材料的进一步改进，V(锡青铜粉)：V(氮化硼)：V(强化相)＝(82-85)：(7-10)：(8-12)。
强化相的作用在于提高材料的强度，可以是本领域公知的与铜基材料相容的强化相。如Zn可以缩小锡青铜的结晶温度范围，提高合金的流动性，减小产生缩松的倾向；碳化物的添加可以显著提高复合材料的硬度；Ni可以无限固溶于α固溶体内，促使α树枝状晶体发达，加入微量的Ni可以使晶粒细化，提高机械性能、耐腐蚀性能和热稳定性。Fe的作用与Ni相似，细化晶粒，提高强度，改善着色性能；P是铜合金的有效脱氧剂，提高锡青铜的流动性；Ti可以与Sn形成TiSn，固溶于铜，有沉淀强化的作用。
作为上述高耐磨铜基材料的进一步改进，强化相中各组元质量比为：W(Cr3C2)：W(Mo2C)：W(WC)：W(Zn)＝(1-10)：(1-10)：(1-10)：(70-80)。进一步的，强化相中各组元质量比为：W(Cr3C2)：W(Mo2C)：W(WC)：W(Zn)＝(4-7)：(4-7)：(4-7)：(70-80)。
作为上述高耐磨铜基材料的进一步改进，锡青铜粉中，Sn的质量百分含量为7～13％。
一种高耐磨铜基材料的制备方法，高耐磨铜基材料的组成如上所述，其制备方法包括如下步骤：
1)将氮化硼和强化相粉末球磨混匀，加水混合，练泥，得到泥料；
2)将泥料干燥，800～1100℃保温焙烧完全，得到焙烧料；
3)将焙烧料球磨粉碎，与锡青铜粉末混合，加入聚丙烯酰胺溶液，练泥、干燥；
4)将粉料置于模具中，冷压成型，得到压坯；
5)将压坯升温至500～600℃预烧，之后升温至800～950℃焙烧，冷却后得到初烧结体；
6)将初烧结体复压，800～950℃下复烧完全，得到型材。
步骤1)中焙烧的作用在于使氮化硼与强化相合金充分反应，部分形成硼化物，利于其与铜基体的结合。
作为上述制备方法的进一步改进，焙烧、预烧和复烧均在还原性气体保护下进行。不同的还原性气氛对效果稍有影响，H2清洁，来源广泛，安全性相对更好，是更佳的选择。
作为上述制备方法的进一步改进，聚丙烯酰胺溶液的浓度为2～4mol/L。这种浓度的溶液可以得到硬度适中的泥料，方便焙烧料与锡青铜粉末的混合及练泥。
如本领域技术人员所知的，压力过小，则不利于得到致密的材料，因此，在条件允许的情况下，压力应尽可能的大，以获得更为致密的材料。但是实际情况下，压力过大会对模具造成损伤，影响其使用寿命。综合考虑，作为上述制备方法的进一步改进，冷压和复压的压力独立为1～3T/cm2，更佳为1～2.5T/cm2。
下面结合实施例，进一步说明本发明的技术方案。
以下实施例中，如无特别说明，所有的焙烧、预烧、复烧均在H2保护气氛下进行。
实施例1
一种改性铜基受电弓滑板材料，由以下体积分数的原料制成：V(CuSn10)：V(氮化硼)：V(强化相)＝82：10：8，强化相各组元质量比为：W(Cr3C2)：W(Mo2C)：W(WC)：W(Zn)＝10：10：10：70；其中，锡青铜粉和其他强化相组元粉末均为300目，锡青铜粉中Sn含量约为10％。
制备方法：
1)将氮化硼和强化相粉末球磨混匀，加水混合，练泥，得到泥料；
2)将泥料干燥，1100℃保温焙烧90min，得到焙烧料；
3)将焙烧料球磨粉碎，与锡青铜粉末混合，加入3mol/L聚丙烯酰胺溶液，练泥、干燥；
4)将粉料置于模具中，1T/cm2压力下冷压成型，得到压坯；
5)将压坯升温至500℃预烧30min，之后升温至830℃焙烧90min，冷却后得到初烧结体；
6)将初烧结体1T/cm2压力下复压，830℃下复烧60min，得到型材。
型材的扫描图如图1所示。从图中可以看出，其内部材料分布均匀，各组分间的结合紧密。
实施例2
一种改性铜基受电弓滑板材料，由以下体积分数的原料制成：V(CuSn10)：V(氮化硼)：V(强化相)＝83：9：8，强化相各组元质量比为：W(Cr3C2)：W(Mo2C)：W(WC)：W(Zn)＝8：6：9：77；其中，锡青铜粉和其他强化相组元粉末均为400目，锡青铜粉中Sn含量约为10％。
制备方法：
1)将氮化硼和强化相粉末球磨混匀，加水混合，练泥，得到泥料；
2)将泥料干燥，1000℃保温焙烧100min，得到焙烧料；
3)将焙烧料球磨粉碎，与锡青铜粉末混合，加入3mol/L聚丙烯酰胺溶液，练泥、干燥；
4)将粉料置于模具中，1.5T/cm2压力下冷压成型，得到压坯；
5)将压坯升温至400℃预烧50min，之后升温至840℃焙烧90min，冷却后得到初烧结体；
6)将初烧结体1.5T/cm2压力下复压，840℃下复烧90min，得到型材。
其扫描图如图2所示，可以看出其内部材料分布均匀，各组分间的结合紧密。
实施例3
一种改性铜基受电弓滑板材料，由以下体积分数的原料制成：V(CuSn10)：V(氮化硼)：V(强化相)＝84：8：8，强化相各组元质量比为：W(Cr3C2)：W(Mo2C)：W(WC)：W(Zn)＝4：7：9：80；其中，锡青铜粉和其他强化相组元粉末均为200目，锡青铜粉中Sn含量约为10％。
制备方法：
1)将氮化硼和强化相粉末球磨混匀，加水混合，练泥，得到泥料；
2)将泥料干燥，800℃保温焙烧150min，得到焙烧料；
3)将焙烧料球磨粉碎，与锡青铜粉末混合，加入3mol/L聚丙烯酰胺溶液，练泥、干燥；
4)将粉料置于模具中，2.0T/cm2压力下冷压成型，得到压坯；
5)将压坯升温至400℃预烧50min，之后升温至870℃焙烧80min，冷却后得到初烧结体；
6)将初烧结体2.0T/cm2压力下复压，870℃下复烧80min，得到型材。
型材样品外形如图3所示，可以看出其外形平整，完好。其扫描图如图4所示，可以看出其内部材料分布均匀，各组分间的结合紧密。图5～10分别是其B、Cr、Cu、Sn、Mo和W的元素分布图，从图中可以看出材料中各元素的分布均匀，特别是BN没有团聚现象。
实施例4
一种改性铜基受电弓滑板材料，由以下体积分数的原料制成：V(CuSn10)：V(氮化硼)：V(强化相)＝85：7：8，强化相各组元质量比为：W(Cr3C2)：W(Mo2C)：W(WC)：W(Zn)＝7：5：8：80；其中，锡青铜粉和其他强化相组元粉末均为300目，锡青铜粉中Sn含量约为10％。
制备方法：
1)将氮化硼和强化相粉末球磨混匀，加水混合，练泥，得到泥料；
2)将泥料干燥，950℃保温焙烧120min，得到焙烧料；
3)将焙烧料球磨粉碎，与锡青铜粉末混合，加入3mol/L聚丙烯酰胺溶液，练泥、干燥；
4)将粉料置于模具中，2.5T/cm2压力下冷压成型，得到压坯；
5)将压坯升温至400℃预烧50min，之后升温至900℃焙烧60min，冷却后得到初烧结体；
6)将初烧结体2.5T/cm2压力下复压，900℃下复烧60min，得到型材。
其扫描图如图11所示，可以看出其内部材料分布均匀，各组分间的结合紧密。
制备得到的型材，通过进一步的表面处理，如打磨即可制备得到所需要的产品。特别的，型材可以制备成为受电弓滑板。
实施例5～8
分别同实施例1～4，不同之处在于3mol/L聚丙烯酰胺溶液替换为等摩尔浓度的聚丙烯酸。
表1、产品性能检测结果
说明：
1)维氏硬度测量采用维氏硬度计，压力1Kg，保压时间10s。实验条件为室温；
2)体积密度测量采用排水法测量计算致密度，实验条件为室温；
3)拉伸强度测试使用万能试验机，试样尺寸为6mm×9.5mm，实验条件为室温；
4)抗弯强度测试采用美国Instron3369材料力学试验机测定，试样尺寸为38mm×6mm×3mm，加载速率1.00000mm/min。实验条件为室温；
5)冲击韧性测试采用自制6J悬臂梁式冲击试验机，实验条件为室温；
6)耐磨性能测试采用M-2000型环块试验机，试样尺寸18mm×18mm×12mm。实验条件为室温；
7)电阻率测试采用双臂电桥，试验尺寸为55mm×5mm×5mm。实验条件为室温。
从检测结果可知：BN含量越多，硬度越低，BN硬度低，润滑性好；聚丙烯酰胺可以促使氮化硼和基体更好的结合，但是BN本身存在会阻碍基体粉末的移动，对烧结产生很大的影响，在一定程度上阻碍基体粉末颗粒的烧结扩散，从而阻碍烧结颈的形成，BN含量越大，对烧结的阻碍越大，当BN含量增加到一定程度时会使性能降低。
经分析，可能的原因是聚丙烯酰胺的网状结构使得它极易卷面缠结，可在复合材料中形成物理交联；而作为表面活性剂，它的酰胺基又具有高极性，容易形成氢键，可提高氮化硼表面活性，增强其与基体的界面结合强度，有利于阻止冲击过程中的裂纹扩展，减缓应力集中，并且处理过程简单可控，生产效率高，成功解决了铜-氮化硼界面不润湿的问题。

Claims (10)

1.一种高耐磨铜基材料，由锡青铜粉、氮化硼和强化相组成，其体积比：V（锡青铜粉）：V（氮化硼）：V（强化相）=（80-85）：（5-15）：（5-15）。
2.根据权利要求1所述的高耐磨铜基材料，其特征在于：V（锡青铜粉）：V（氮化硼）：V（强化相）=（80-85）：（8-12）：（8-12）。
3.根据权利要求1所述的高耐磨铜基材料，其特征在于：强化相中各组元质量比为：W（Cr3C2）：W（Mo2C）：W（WC）：W（Zn）=（1-10）：（1-10）：（1-10）：（70-80）。
4.根据权利要求1或2所述的高耐磨铜基材料，其特征在于：强化相中各组元质量比为：W（Cr3C2）：W（Mo2C）：W（WC）：W（Zn）=（4-7）：（4-7）：（4-7）：（70-80）。
5.根据权利要求1所述的高耐磨铜基材料，其特征在于：锡青铜粉中，Sn的质量百分含量为7～13%。
6.一种高耐磨铜基材料的制备方法，高耐磨铜基材料的组成如权利要求1～5任意一项所述，其制备方法包括如下步骤：
1）将氮化硼和强化相粉末球磨混匀，加水混合，练泥，得到泥料；
2）将泥料干燥，800～1100℃保温焙烧完全，得到焙烧料；
3）将焙烧料球磨粉碎，与锡青铜粉末混合，加入聚丙烯酰胺溶液，练泥、干燥；
4）将粉料置于模具中，冷压成型，得到压坯；
5）将压坯升温至500～600℃预烧，之后升温至800～950℃焙烧，冷却后得到初烧结体；
6）将初烧结体复压，800～950℃下复烧完全，得到型材。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：焙烧、预烧和复烧均在还原性气体保护下进行。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：还原性气体为H2。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：冷压和复压的压力独立不低于1 T/cm2。
10.一种受电弓滑板，其特征在于：其主体材料为权利要求1～5任意一项所述的高耐磨铜基材料或按权利要求6～9所述的方法制备得到。
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