CN107586989A - 一种铜基高温自润滑复合材料 - Google Patents

Abstract

一种铜基高温自润滑复合材料，其组成成分及重量百分比为：镀铜石墨为10％～20％，锡粉为7％～12％，银粉为0.5％～2％，铅粉为7％～15％，余量为无氧铜粉，其中，所述镀铜石墨中石墨质量占镀铜石墨总质量的40～60％。本发明优化组分及组分的含量，获得的铜基高温自润滑复合材料具有优异力学性能、高温润滑、耐磨损，而且在高速滑动的工况下能够保证低摩擦系数和低磨损量。

Description

一种铜基高温自润滑复合材料

技术领域

本发明属于粉末冶金材料技术领域，尤其涉及一种铜基复合材料。

背景技术

近年来，随着我国交通、通讯、电力电子、国防军工等行业的快速发展，高性能铜基自润滑材料在各种轨道交通弓网系统、雷达汇流环中的电刷和导电环、电磁轨道炮电枢/导轨系统、电器控制插接件等领域得到大量应用。同时，为满足行业发展的需求，铜基自润滑材料的服役条件也向高速、重载、交变温度、腐蚀性介质等苛刻化方向演变。例如：在高速铁路弓网系统中，受电弓滑板/接触线摩擦副的使用工况条件向高电压、大电流、高速滑动、随机变载荷、外部环境复杂多变等苛刻化方向发展；在电磁轨道炮电枢/导轨系统中，电磁轨道炮发射初速高，驱动电流脉冲幅值可达数百千安甚至兆安量级，电枢/导轨界面上的摩擦、电弧等会导致导轨材料局部熔化和磨损，要求炮体导轨材料应满足高电导率、高耐磨性和高抗烧蚀能力。

目前关于高性能铜基自润滑复合材料的设计主要集中在材料整体强化、材料表面强化和材料表面减阻等三个方面。

1)对于材料整体强化，可以借助合金化法(固溶强化、时效析出强化等)、复合强化法(原位自生、外加颗粒等)和辅助强化法(形变强化、细晶强化等)等途径来实现材料导电性、强度以及耐磨耐蚀性等综合性能的提高。田保红等人提出了一种氧化铝粒子弥散强化铜复合材料及其制备方法(参见CN201210006177.3号中国专利文献)，该专利采用内氧化烧结、热挤压和冷拉拔变形制备出拉伸强度大于500MPa，导电率80％～90％IACS的铜基复合材料，但该方法工艺复杂，摩擦性能达不到要求。江奇等人提出了一种铜基滑板材料的制备方法(参见CN201510217549.0号中国专利文献)，该专利以铜为基体材料，以碳纳米管、钛硅碳作为增强材料，以石墨为自润滑耐磨材料，经湿化学法预处理后化学镀铜，通过真空热压制得硬度44.3HBS，电阻率1.67uΩ·m，摩擦系数0.1096的铜基复合材料。

2)对于材料表面强化，可以通过表面自身纳米晶化技术手段提高材料表面强度、韧性、耐磨性和抗腐蚀性能，也可通过热喷涂技术和激光熔覆技术制备出特定的功能性涂层，如耐磨涂层、耐腐蚀涂层、耐高温涂层等，从而改善材料表面性能。但是该方法一般伴随着复杂的工艺流程和较高的成本，不适用于大批量的工业生产。

3)对于材料表面减阻，可以通过添加一系列合适的润滑组元有效改善耐磨铜基材料的力学性能和摩擦磨损性能，但是往往材料的高耐磨性能与高自润性能之间存在着竞争关系，即当提高固体润滑相的比例时，往往会降低材料的力学性能，使压溃强度、密度和硬度降低，造成材料的耐磨性能降低。陈岁元等人提出了一种铜合金基自润滑复合材料及其制备方法(参见CN201210503144.X号中国专利文献)，该专利以MoS₂、AgO、CaF₂、镀镍石墨、镀铜碳纤维为固体润滑剂，通过粉末冶金烧结和复合热浸封孔技术相结合的方法制备出硬度为30～58HV，压溃强度99～222MPa，摩擦系数为0.15～0.06的铜基自润滑复合材料。该方法组元成分复杂，会对材料应用领域范围造成一定的影响。

由以上研究可以看出，常规的铜基复合材料难以同时满足高速、重载、交变温度、腐蚀性介质等苛刻服役条件。因此对开发出满足实际工况的高性能铜基高温自润滑复合材料具有迫切的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种具有优异力学性能、高温润滑和耐磨损，而且在高速滑动的工况下能够保证低摩擦系数和低磨损量的高性能铜基高温自润滑复合材料。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种铜基高温自润滑复合材料，其组成成分及重量百分比为：镀铜石墨为10％～20％，锡粉为7％～12％，银粉为0.5％～2％，铅粉为7％～15％，余量为无氧铜粉，其中，所述镀铜石墨中石墨质量占镀铜石墨总质量的40～60％(更优选为50％)。

上述铜基高温自润滑复合材料中，镀铜石墨中石墨质量占镀铜石墨总质量超过60％在工艺上较难实现，但低于40％又会使镀层不完整，镀层的效果不明显。

上述铜基高温自润滑复合材料中，优选的，其组成成分中锡粉与银粉的重量百分比为：锡粉为9～10％，银粉为1.5～2％。更优选的，锡粉为10％，银粉为2％。过高的锡含量在热压烧结时会出现锡液相，不利于烧结制备，过高的银含量会导致材料成本大大提高，综合考虑工艺、成本及材料的性能，锡粉含量为10％，银粉含量为2％为最优选择。

上述铜基高温自润滑复合材料中，优选的，所述铅粉与石墨的重量比为0.7～1.3：1，所述铅粉与石墨的总重量不超过所述铜基高温自润滑复合材料的组分重量的20％。镀铜石墨和铅粉主要起协同润滑作用，其二者的配比对材料的性能有一定的影响，且其二者总含量太低，润滑效果不明显，总含量太高，制备得到的材料的致密度太低，对材料的性能有一定的影响。

上述铜基高温自润滑复合材料中，优选的，所述镀铜石墨由化学镀制备得到，其制备方法如下：将石墨粉置于氢氟酸中搅拌煮沸，真空抽滤后用去离子洗涤至中性，干燥后置于含铜离子的镀液中超声、搅拌分散处理，再加入酸性还原剂、络合剂与表面活性剂，然后调节反应溶液的pH值及温度，搅拌反应直至反应溶液的pH值在2min内不再变化后结束反应。

上述铜基高温自润滑复合材料中采用次亚磷酸钠还原硫酸铜制备纳米铜粒子镀覆石墨表面，具有以下优点：(1)无需敏化、活化过程，可直接在粗化及超声分散处理后的石墨表面形核，极大的节省贵金属的消耗。另外，相比于传统的敏化活化工艺，本体系不会因为胶体靶的解胶或者离子靶的沉淀而影响镀液活性，极大的提高了镀液的稳定性；(2)相比于甲醛、锌粉等还原剂的镀液，本发明中采用的酸性镀液，使本发明的反应速率较为平缓可控，反应过程安全无毒无污染，形成的纳米铜粒子，粒径细小，表面活性较高，使铜-铜和铜-石墨界面结合的更加紧密，且烧结后形成的细晶起一定的强化作用，烧结更易致密化；(3)加入表面活性剂聚乙烯吡络烷酮，这有利于降低镀层的表面张力，使氢气更易析出，消除镀层表面的气体留痕。

上述铜基高温自润滑复合材料中，优选的，所述锡粉和铅粉的粒度控制在200～300目，所述银粉的粒度控制在150～300目，所述无氧铜粉的粒度控制在150～200目。上述各物质的粒度选取可以保证粉末的粒度更加均匀，有利于致密化，烧结制备得到的材料的性能更优异。

上述铜基高温自润滑复合材料中，优选的，所述镀液中石墨粉的浓度为4～6g/L，每升所述镀液中加入15g～25g CuSO₄·5H₂O。此浓度的石墨粉在镀液中分布更加均匀，更加有利于生成镀铜层分布更加均匀的镀铜石墨。

上述铜基高温自润滑复合材料中，优选的，所述酸性还原剂为次亚磷酸钠，所述络合剂为EDTA-2Na盐，所述表面活性剂为聚乙烯吡络烷酮，并控制所述镀液中次亚磷酸钠的浓度为13～22g/L，所述镀液中EDTA-2Na盐的浓度为10～20g/L，所述镀液中聚乙烯吡络烷酮的浓度为0.5～2g/L。在镀铜时，还原剂过多会导致反应过快，铜容易在镀液中直接成核，影响石墨上的镀层，过少则反应时间太长，铜粒子会长大，难以形成纳米铜镀层。表面活性剂过少会造成镀层结合不紧密，且铜粒子容易团聚，过多会导致表面活性剂残留石墨表面，烧结得到的复合材料易出现不致密的情况，会影响材料的性能。

上述铜基高温自润滑复合材料中，优选的，所述镀液中次亚磷酸钠与铜离子的摩尔比控制在2：1～3：1。更优选的，所述镀液中次亚磷酸钠与铜离子的摩尔比控制在2.5：1。在此摩尔比下，反应速度适宜，镀铜时生成时的纳米铜粒度更均匀，镀铜后得到的镀铜石墨更加有利于生成两相分布均匀、高强致密的铜基高温自润滑复合材料。

上述铜基高温自润滑复合材料中，优选的，所述调节反应溶液的pH值及温度为通过磷酸调节反应溶液的pH值至2～2.20，并保持恒温50℃～70℃。

上述铜基高温自润滑复合材料中，优选的，所述镀铜石墨制备时没有敏化与活化过程。在镀铜前利用氢氟酸的强氧化性，侵蚀粗化石墨的微观形貌，可增强镀层与石墨的结合力，采用超声和搅拌结合的方式分散，使石墨晶体剧烈震荡，从而在石墨晶体表面产生大量活化中心，可以催化石墨晶体表面形成大量铜粒子，另外，基态碳原子的电子结构是1s²2s²2p²，对于石墨，成键方式为sp²杂化形成3个δ键和1个大π键，大π电子是离域的，可以自由运动，从而使石墨具备独特的可导电性，其单晶沿层电阻为10^-4Ω·cm，这有利于反应中电子的转移过程，石墨晶体中碳原子的上下电子密度大，这使得石墨本身具有特别的化学活性，石墨晶体中碳原子能与铜粒子间形成化学相互作用，减少界面能，降低镀铜反应体系的自由焓，促进铜粒子在石墨上形核。上述侵蚀粗化石墨的微观形貌、超声和搅拌结合及石墨本身性质相结合，使得本制备方法中无需敏化与活化过程即可实现较好的镀铜效果。

上述铜基高温自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按配比将无氧铜粉、镀铜石墨、锡粉、铅粉以及银粉混合均匀；

(2)将步骤(1)混合均匀后得到的混合物进行热压烧结，冷却得到铜基高温自润滑复合材料。

上述制备方法中，优选的，所述热压烧结的压力为30～50MPa，所述热压烧结的烧结温度达到900℃后在900～1050℃下保温2h～3h。

本发明是基于以下原理：

1.本发明组分中通过引入少量的银，可与铜形成高熔点的固溶体，减少铅的偏析，使高含量的铅得以均匀分布在复合材料中，可获得更高的抗机械疲劳和抗电弧烧损性能；通过引入较高含量的锡，与铜有限固溶，形成塑性好且强度高于纯铜的面心立方结构α相置换固溶体以及硬而脆的复杂体心立方结构β(Cu₅Sn)和δ(Cu₃₁Sn₈)相，可以降低合金的摩擦系数和提高合金的电极电位，从而提高锡青铜合金的耐磨性和耐腐蚀性。本发明通过银和锡的固溶强化效应，形成晶格畸变，使溶质原子在位错周围偏聚，以降低能量，产生Cottrel气团，构成位错滑移的障碍，使位错运动的阻力增大，从而使材料强度提高，获得一定的高温软化抗性。

2.本发明组分中引入高含量的铅，一方面Pb在基体中以单质状态分布，分布于晶内和晶界之间，减少晶间显微缩孔，提高了合金的致密度和切削加工性能，一定程度上控制了合金中锡元素的含量，减少硬脆的相(复杂体心立方结构的Cu₃₁Sn₈化合物)的形成，提高了抗拉强度；另一方面铅质软易变形、熔点低、抗咬合性比较好，容易在摩擦副表面形成PbO润滑膜，起到很好的润滑减摩作用。另外，本发明中镀铜石墨与铅作为组合固体润滑剂同时使用，存在良好的协同润滑效应，复合材料的摩擦磨损和耐温性能都优于铅和石墨单独存在时。通过同时加入石墨和铅使润滑组元更好地附着于铜基体，改善自润滑复合材料在高温下的润滑性能和耐磨损性能，当摩擦面的温度升高时，摩擦系数不会明显下降，冷却后再使用的恢复能力强，在各温度范围内摩擦系数皆稳定在0.10～0.120之间，具有稳定的摩擦特性，而且具有高导电导热率、高抗拉强度等特性，抗衰退性能强。

3.由于石墨与金属之间的润湿性极差，在1000℃的高温下其润湿角仍大于140°，这使得材料难以烧结致密，导致铜石墨材料强度普遍不高。本发明通过化学镀铜，在石墨粉表面形成完整、均匀的铜镀层，使铜石墨复合物粉末在烧结过程中由原有的铜-石墨界面转换成铜-铜界面，可制备出两相分布均匀、高强致密的铜基高温自润滑复合材料。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明优化组分及组分的含量，获得的铜基高温自润滑复合材料具有优异力学性能、高温润滑、耐磨损，而且在高速滑动的工况下能够保证低摩擦系数和低磨损量，本发明中的铜基高温自润滑复合材料硬度大于80HV，在300℃下压缩强度不低于200MPa、抗拉强度不低于100MPa，在40m/s的高转速时，摩擦系数稳定在0.10～0.12，磨损率小于1×10^-6g/m，是一种满足实际高速滑动工况需求的高性能铜基高温自润滑复合材料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明制备方法的工艺流程图。

图2是实施例1、对比例1、对比例2制备的铜基高温自润滑复合材料摩擦系数变化曲线。

图3是实施例1中镀铜石墨的SEM图(a为镀铜结束后石墨粉体形貌，b为热压烧结后复合材料铜-石墨界面形貌)。

图4是实施例1制备的铜基高温自润滑复合材料经高速摩擦后磨损形貌图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种铜基高温自润滑复合材料，其组成成分及重量百分比为：镀铜石墨为16％(石墨含量为8％)，锡为10％(粒度200目)，银为2％(粒度200)，铅为10％(粒度200目)，无氧铜粉为62％(粒度150目)。

如图1所示，上述铜基高温自润滑复合材料，其制备方法包括以下步骤：

(1)粗化：将石墨粉置于15g/L氢氟酸中煮沸20min，操作过程中不断搅拌，真空抽滤后用去离子水反复冲洗至中性，将处理后的石墨粉放入真空干燥箱中干燥备用；

(2)化学镀铜：将步骤(1)中干燥后的石墨粉置于含铜离子的镀液中超声、搅拌分散处理20min，确保石墨粉在镀液中均匀分散，再在镀液中加入次亚磷酸钠作为还原剂、EDTA-2Na盐作为稳定剂、聚乙烯吡络烷酮作为表面活性剂反应，反应过程中保持恒温70℃，并且不断搅拌，通过磷酸调节pH值至2.20，以pH值在2min中不再变化为反应终点，制得镀铜石墨；其中，镀液中石墨粉的浓度为6g/L，每升镀液中加入21g CuSO₄·5H₂O，并控制镀液中次亚磷酸钠的浓度为22g/L，EDTA-2Na盐的浓度为10g/L，聚乙烯吡络烷酮的浓度为1g/L；

(3)配料：按配比称取镀铜石墨、锡、银、铅和无氧铜粉末；

(4)混料：将步骤(3)中配好的物料投入V型混料机中混合4h；

(5)热压烧结：将步骤(4)混合后得到的混合物装入石墨模具中送入热压烧结炉，烧结温度1050℃，压力45MPa，保温时间2h，随炉冷却后出炉，制得本实施例的铜基高温自润滑复合材料。

对比例1：

一种铜基高温自润滑复合材料，其组成成分及重量百分比为：镀铜石墨为16％(石墨含量为8％)，锡为10％(粒度200目)，银为2％(粒度200)，无氧铜粉为72％(粒度150目)。

上述铜基高温自润滑复合材料，其制备方法包括以下步骤：

(1)粗化：将石墨粉置于15g/L氢氟酸中煮沸20min，操作过程中不断搅拌，真空抽滤后用去离子水反复冲洗至中性，将处理后的石墨粉放入真空干燥箱中干燥备用；

(2)化学镀铜：将步骤(1)中干燥后的石墨粉置于含铜离子的镀液中超声、搅拌分散处理20min，确保石墨粉在镀液中均匀分散，再在镀液中加入次亚磷酸钠作为还原剂、EDTA-2Na盐作为稳定剂、聚乙烯吡络烷酮作为表面活性剂反应，反应过程中保持恒温70℃，并且不断搅拌，通过磷酸调节pH值至2.20，以pH值在2min中不再变化为反应终点，制得镀铜石墨；其中，镀液中石墨粉的浓度为6g/L，每升镀液中加入21g CuSO₄·5H₂O，并控制镀液中次亚磷酸钠的浓度为22g/L，EDTA-2Na盐的浓度为10g/L，聚乙烯吡络烷酮的浓度为1g/L；

(3)配料：按配比称取镀铜石墨、锡、银、铅和无氧铜粉末；

(4)混料：将步骤(3)中配好的物料投入V型混料机中混合4h；

(5)热压烧结：将步骤(4)混合后得到的混合物装入石墨模具中送入热压烧结炉，烧结温度1050℃，压力45MPa，保温时间2h，随炉冷却后出炉，制得本对比例的铜基高温自润滑复合材料。

对比例2：

一种铜基高温自润滑复合材料，其组成成分及重量百分比为：石墨为8％，锡为10％(粒度200目)，银为2％(粒度200)，铅为10％(粒度200目)，无氧铜粉为70％(粒度150目)。

上述铜基高温自润滑复合材料，其制备方法包括以下步骤：

(1)配料：按配比称取石墨、锡、银、铅和无氧铜粉末；

(2)混料：将步骤(3)中配好的物料投入V型混料机中混合4h；

(3)热压烧结：将步骤(4)混合后得到的混合物装入石墨模具中送入热压烧结炉，烧结温度1050℃，压力45MPa，保温时间2h，随炉冷却后出炉，制得本对比例的铜基高温自润滑复合材料。

实施例2：

一种铜基高温自润滑复合材料，其组成成分及重量百分比为：镀铜石墨为16％(石墨含量为8％)，锡为10％(粒度200目)，银为0.5％(粒度200)，铅为10％(粒度200目)，无氧铜粉为63.5％(粒度150目)。

上述铜基高温自润滑复合材料，其制备方法包括以下步骤：

(1)粗化：将石墨粉置于15g/L氢氟酸中煮沸20min，操作过程中不断搅拌，真空抽滤后用去离子水反复冲洗至中性，将处理后的石墨粉放入真空干燥箱中干燥备用；

(2)化学镀铜：将步骤(1)中干燥后的石墨粉置于含铜离子的镀液中超声、搅拌分散处理20min，确保石墨粉在镀液中均匀分散，再在镀液中加入次亚磷酸钠作为还原剂、EDTA-2Na盐作为稳定剂、聚乙烯吡络烷酮作为表面活性剂反应，反应过程中保持恒温70℃，并且不断搅拌，通过磷酸调节pH值至2.00，以pH值在2min中不再变化为反应终点，制得镀铜石墨；其中，镀液中石墨粉的浓度为6g/L，每升镀液中加入25g CuSO₄·5H₂O，并控制镀液中次亚磷酸钠的浓度为22g/L，EDTA-2Na盐的浓度为10g/L，聚乙烯吡络烷酮的浓度为1g/L；

(3)配料：按配比称取镀铜石墨、锡、银、铅和无氧铜粉末；

(4)混料：将步骤(3)中配好的物料投入V型混料机中混合4h；

(5)热压烧结：将步骤(4)混合后得到的混合物装入石墨模具中送入热压烧结炉，烧结温度1000℃，压力50MPa，保温时间2h，随炉冷却后出炉，制得本实施例的铜基高温自润滑复合材料。

实施例3：

一种铜基高温自润滑复合材料，其组成成分及重量百分比为：镀铜石墨为15％(石墨含量为7.5％)，锡为10％(粒度300目)，银为2％(粒度200)，铅为7％(粒度200目)，无氧铜粉为66％(粒度150目)。

上述铜基高温自润滑复合材料，其制备方法包括以下步骤：

(1)粗化：将石墨粉置于15g/L氢氟酸中煮沸20min，操作过程中不断搅拌，真空抽滤后用去离子水反复冲洗至中性，将处理后的石墨粉放入真空干燥箱中干燥备用；

(2)化学镀铜：将步骤(1)中干燥后的石墨粉置于含铜离子的镀液中超声、搅拌分散处理20min，确保石墨粉在镀液中均匀分散，再在镀液中加入次亚磷酸钠作为还原剂、EDTA-2Na盐作为稳定剂、聚乙烯吡络烷酮作为表面活性剂反应，反应过程中保持恒温70℃，并且不断搅拌，通过磷酸调节pH值至2.20，以pH值在2min中不再变化为反应终点，制得镀铜石墨；其中，镀液中石墨粉的浓度为6g/L，每升镀液中加入15g CuSO₄·5H₂O，并控制镀液中次亚磷酸钠的浓度为13g/L，EDTA-2Na盐的浓度为10g/L，聚乙烯吡络烷酮的浓度为1g/L；

(3)配料：按配比称取镀铜石墨、锡、银、铅和无氧铜粉末；

(4)混料：将步骤(3)中配好的物料投入V型混料机中混合5h；

(5)热压烧结：将步骤(4)混合后得到的混合物装入石墨模具中送入热压烧结炉，烧结温度900℃，压力45MPa，保温时间2h，随炉冷却后出炉，制得本实施例的铜基高温自润滑复合材料。

实施例4：

一种铜基高温自润滑复合材料，其组成成分及重量百分比为：镀铜石墨为15％(石墨含量为7.5％)，锡为12％(粒度200目)，银为0.5％(粒度200)，铅为7％(粒度200目)，无氧铜粉为65.5％(粒度150目)。

上述铜基高温自润滑复合材料，其制备方法包括以下步骤：

(1)粗化：将石墨粉置于15g/L氢氟酸中煮沸20min，操作过程中不断搅拌，真空抽滤后用去离子水反复冲洗至中性，将处理后的石墨粉放入真空干燥箱中干燥备用；

(2)化学镀铜：将步骤(1)中干燥后的石墨粉置于含铜离子的镀液中超声、搅拌分散处理20min，确保石墨粉在镀液中均匀分散，再在镀液中加入次亚磷酸钠作为还原剂、EDTA-2Na盐作为稳定剂、聚乙烯吡络烷酮作为表面活性剂反应，反应过程中保持恒温75℃，并且不断搅拌，通过磷酸调节pH值至2.00，以pH值在2min中不再变化为反应终点，制得镀铜石墨；其中，镀液中石墨粉的浓度为4g/L，每升镀液中加入25g CuSO₄·5H₂O，并控制镀液中次亚磷酸钠的浓度为22g/L，EDTA-2Na盐的浓度为15g/L，聚乙烯吡络烷酮的浓度为2g/L；

(3)配料：按配比称取镀铜石墨、锡、银、铅和无氧铜粉末；

(4)混料：将步骤(3)中配好的物料投入V型混料机中混合4h；

(5)热压烧结：将步骤(4)混合后得到的混合物装入石墨模具中送入热压烧结炉，烧结温度1050℃，压力30MPa，保温时间2h，随炉冷却后出炉，制得本实施例的铜基高温自润滑复合材料。

实施例5：

一种铜基高温自润滑复合材料，其组成成分及重量百分比为：镀铜石墨为20％(石墨含量为8％)，锡为10％(粒度300目)，银为1％(粒度200)，铅为9％(粒度300目)，无氧铜粉为60％(粒度150目)。

上述铜基高温自润滑复合材料，其制备方法包括以下步骤：

(1)粗化：将石墨粉置于15g/L氢氟酸中煮沸20min，操作过程中不断搅拌，真空抽滤后用去离子水反复冲洗至中性，将处理后的石墨粉放入真空干燥箱中干燥备用；

(2)化学镀铜：将步骤(1)中干燥后的石墨粉置于含铜离子的镀液中超声、搅拌分散处理20min，确保石墨粉在镀液中均匀分散，再在镀液中加入次亚磷酸钠作为还原剂、EDTA-2Na盐作为稳定剂、聚乙烯吡络烷酮作为表面活性剂反应，反应过程中保持恒温75℃，并且不断搅拌，通过磷酸调节pH值至2.20，以pH值在2min中不再变化为反应终点，制得镀铜石墨；其中，镀液中石墨粉的浓度为5g/L，每升镀液中加入15g CuSO₄·5H₂O，并控制镀液中次亚磷酸钠的浓度为13g/L，EDTA-2Na盐的浓度为20g/L，聚乙烯吡络烷酮的浓度为0.5g/L；

(3)配料：按配比称取镀铜石墨、锡、银、铅和无氧铜粉末；

(4)混料：将步骤(3)中配好的物料投入V型混料机中混合4h；

(5)热压烧结：将步骤(4)混合后得到的混合物装入石墨模具中送入热压烧结炉，烧结温度1050℃，压力45MPa，保温时间2h，随炉冷却后出炉，制得本实施例的铜基高温自润滑复合材料。

将实施例1～5、对比例1～2制备得到的铜基高温自润滑复合材料与市场上现有其他材料的性能参数对比试验结果如表1所示。

表1：实施例1～5、对比例1～2复合材料与其他常见铜基材料的性能参数对比试验结果

由上表可知，实施例1的铜基高温自润滑复合材料硬度达到87HV，在室温至300℃范围内铜基高温自润滑复合材料压缩强度和抗拉强度分别只下降27.9％和17.6％，300℃下压缩强度和抗拉强度仍有238MPa和103MPa。按照模拟工况(100N，40m/s)在摩擦磨损试验机上实验，该复合材料平均摩擦系数为0.12，磨损率为0.6×10^-6g/m。由图2可知，该复合材料在整个摩擦过程中，摩擦系数稳定在0.10～0.12之间，不会因为温度升高而润滑失效。由图3可知，实施例1的镀铜工艺镀覆的铜为纳米尺度，且镀层完整、均匀无团聚，另外石墨镀覆铜后与基体结合紧密无孔隙。图4中，p1为摩擦轨道上的铅富集区，p2为摩擦轨道，通过图4的微观形貌可知，实施例1中的复合材料的摩擦表面形成完整润滑膜，无塌边、无裂纹，磨损机制为粘着磨损，润滑膜主要由石墨、铅、氧化铅以及二氧化锡组成。对比例1～2中的各项性能均差于实施例1。实施例3～5中的性能数据也优于对比例1～2。

实施例1制备的铜基高温自润滑复合材料性能优于市面上同类型材料，尤其适用于高速铁路受电弓滑板、电刷、高速打印元件、自润滑摩擦轴承套等领域。同时，实施例1的制备方法工艺步骤简单，生产周期较短，工艺生产用的设备均为常规设备，可有效降低生产成本和设备投入。

表1中压缩强度采用HB7571-1997金属高温压缩强度实验方法测定，拉伸强度采用GB/T4338-1995金属材料高温拉伸实验方法测定。

Claims (10)

1.一种铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，其组成成分及重量百分比为：镀铜石墨为10％～20％，锡粉为7％～12％，银粉为0.5％～2％，铅粉为7％～15％，余量为无氧铜粉，其中，所述镀铜石墨中的石墨质量占镀铜石墨总质量的40～60％。

2.根据权利要求1所述的铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，其组成成分中锡粉与银粉的重量百分比为：锡粉为9％～10％，银粉为1.5％～2％。

3.根据权利要求1或2所述的铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，所述铅粉与石墨的重量比为0.7～1.3：1，所述铅粉与石墨的总重量不超过所述铜基高温自润滑复合材料的组分重量的20％。

4.根据权利要求3所述的铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，所述镀铜石墨由化学镀制备得到，其制备方法如下：将石墨粉置于氢氟酸中搅拌煮沸，真空抽滤后用去离子洗涤至中性，干燥后置于含铜离子的镀液中超声、搅拌分散处理，再加入酸性还原剂、络合剂与表面活性剂，然后调节反应溶液的pH值及温度，搅拌反应直至反应溶液的pH值在2min内不再变化后结束反应。

5.根据权利要求4所述的铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，所述锡粉和铅粉的粒度控制在200～300目，所述银粉的粒度控制在150～300目，所述无氧铜粉的粒度控制在150～200目。

6.根据权利要求4所述的铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，所述镀液中石墨粉的浓度为4～6g/L，每升所述镀液中加入15g～25g CuSO₄·5H₂O。

7.根据权利要求6所述的铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，所述酸性还原剂为次亚磷酸钠，所述络合剂为EDTA-2Na盐，所述表面活性剂为聚乙烯吡络烷酮，并控制所述镀液中次亚磷酸钠的浓度为13～22g/L，所述镀液中EDTA-2Na盐的浓度为10～20g/L，所述镀液中聚乙烯吡络烷酮的浓度为0.5～2g/L。

8.根据权利要求7所述的铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，所述镀液中次亚磷酸钠与铜离子的摩尔比控制在2～3：1。

9.根据权利要求4所述的铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，所述调节反应溶液的pH值及温度为通过磷酸调节反应溶液的pH值至2～2.20，并保持恒温50℃～70℃。

10.根据权利要求4所述的铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，所述镀铜石墨制备时没有敏化与活化过程。