CN107737916A - 纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法，由原料烧结而成，原料按质量百分比计，包括：锡粉5‑7％；铁粉5‑8％；二氧化硅4‑7％；石墨粉12‑16％；纳米二氧化硅0.5‑3％；碳纳米管0.1‑1.0％；纳米石墨0.2‑2％；余量为铜粉。采用铜、铁、锡金属组元进行优化组合，获得一种具有高耐热性、对其他组元形成良好包裹镶嵌效果的金属基体；采用二氧化硅、纳米二氧化硅作为摩擦组元提供稳定的摩擦系数，其中纳米二氧化硅的添加可以提高材料的抗热震性和高温摩擦性能，采用石墨、碳纳米管作为润滑组元降低材料磨损率，加强润滑，防止磨损对偶，阻止基体氧化。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，且特别涉及一种纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料及其制备方法。
背景技术
铜基粉末冶金摩擦材料是以铜及其合金为基体，同时添加摩擦组元和润滑组元，采用粉末冶金技术制备而成的复合材料。和半金属摩擦材料相比，该摩擦材料具有耐热性好、机械强度高、摩擦磨损性能稳定等优点，因而在汽车、船舶、工程机械等领域被广泛应用。但是随着装备向高速、重载方向的发展，传统的铜基粉末冶金摩擦材料在使用过程中，磨损严重，耐热性能不足，已经不能满足当代社会对于摩擦材料综合性能的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料，其摩擦系数稳定，磨损率低，耐热性好，耐磨性佳，强度高。
本发明的另一目的在于提供一种纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，制得摩擦系数稳定，磨损率低、耐热性好，强度高的纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料，其是由原料烧结而成，原料按质量百分比计，包括：锡粉5-7％；铁粉5-8％；二氧化硅4-7％；石墨粉12-16％；纳米二氧化硅0.5-3％；碳纳米管0.1-1.0％；纳米石墨0.2-2％；余量为铜粉。其中，纳米二氧化硅属于纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦组元，化学性质稳定。其均匀分布在基体铜中，具有摩擦、抗磨、耐热、耐蚀等作用，既可提高该摩擦材料的摩擦系数，弥补润滑组元造成的材料摩擦系数的降低，又可消除对偶表面上从摩擦片转移过来的金属。
由于二氧化硅颗粒的粒径对于纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦性能具有影响，因此优选地，分别采用二氧化硅和纳米二氧化硅作为优化的摩擦组元，二氧化硅的粒径≥200目，纳米二氧化硅的粒径≤30nm。铜粉作为基体，锡粉、铁粉作为金属组元与铜粉进行优化组合强化基体，从而经烧结合金化后，获得一种具有高耐热性、对其他组元形成良好包裹镶嵌效果的金属基体。锡粉可以有效强化烧结过程中的扩散过程，增强摩擦的稳定性。优选地，锡粉的粒径≥300目，与原料中其他成分之间的配合效果更佳。铁粉提高金属基体的机械性能，以及降低摩擦磨损性性。优选地，铁粉的粒径≥200目。石墨粉作为润滑组元，能够提高摩擦材料的摩擦稳定性以及耐磨性，同时在摩擦过程中形成润滑膜，有效降低摩擦副之间的擦伤、粘接以及咬合，使摩擦副工作平稳。但润滑组元会造成的材料摩擦系数的降低，因此通过原料中上述各成分科学的配比，润滑组元与摩擦组元相互协同协作，有效提高摩擦稳定性、耐磨性以及摩擦系数。此处所述的石墨粉优选为鳞片石墨，其具有良好的化学稳定性，由于呈层状结构，具有良好的耐高温、导电、导热、润滑、可塑及耐酸碱等性能，是一种天然的固体润滑剂。优选地，石墨粉的粒径≥200目。碳纳米管纳米碳管在磨屑脱落的过程中，逐渐弯曲直至破裂从而粘附在摩擦副表面形成具有润滑作用的碳膜，更进一步提高该纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料的强度、膨胀率、导电导热性及耐磨等特性，优选地，碳纳米管的直径≤10nm。纳米石墨相比于石墨粉更为细腻，减少烧结后得到的纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料的孔隙半径或数量，增强纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料的强度，且多层的设置，使其也具有固体润滑剂的作用，且在外力的作用下变为单层时，还可提高该纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦系数，优选地，纳米石墨的粒径≤50nm。铜粉的粒径≥200目。
本发明提出一种制造上述纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，其包括：将纳米二氧化硅、碳纳米管、纳米石墨和铜粉混合，于转速100rpm，球料比3:1的条件下进行球磨处理，得第一混合料；
将石墨粉、锡粉、铁粉、二氧化硅，以及铜粉加入第一混合料中，于转速50rpm的条件下机械搅拌50-60min，得混合粉末；
将混合粉末置于300-350MPa环境下保压100-110s进行冷压压制，得压坯；
将压坯置于3-6MPa条件下的氮气氛围中，由常温升温至850-900℃保温3-4h，烧结成型，冷却。
石墨粉、锡粉、铁粉、二氧化硅，以及铜粉缓慢、匀速的加入第一混合料，防止添加过快产生聚集，不易分散混合。混合粉末在该冷压压制条件下，得到压制为成品形状的密实的压坯，该压坯密度适中，压坯的气孔数量以及气孔体积较小，烧结后的体积收缩较小，便于精细化生产。
在3-6MPa条件下的氮气氛围中，由常温升温至850-900℃保温3-4h，烧结成型，该条件下使金属组元合金化，强度高，摩擦性能佳。优选地，升温以10-15℃/min的速度匀速进行，使金属粉末烧结的晶体中，晶格以最佳的速度匀速膨胀，有效填补晶格缺陷。
将压坯置于5MPa条件下的氮气氛围中，由常温升温至850℃时保温3.5h，烧结成型。该条件范围内，可以有效增强原料各成分之间的相互结合，提高最终产品的密度以及性能。
冷却可以随炉冷却至600℃，在该时间段内，颗粒内部之间存在液相，因此随炉冷却过程中，晶体会继续长大，有效填补晶格缺陷，进行二次结晶而继续长大。然后进行淬冷，使晶体停止长大，并且由于颗粒骤然遇冷，迅速发生收缩，产生的应力可以破坏烧结团聚，从而降低最终的纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料的局部烧结现象，有效提高其强度以及耐磨性。
本发明的有益效果是：采用铜、铁、锡金属组元进行优化组合，获得一种具有高耐热性、对其他组元形成良好包裹镶嵌效果的金属基体；采用二氧化硅、纳米二氧化硅作为摩擦组元提供稳定的摩擦系数，其中纳米二氧化硅的添加可以提高材料的抗热震性和高温摩擦性能，采用石墨、碳纳米管作为润滑组元降低材料磨损率，加强润滑，防止磨损对偶，阻止基体氧化。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：一种纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料，其是由原料烧结而成，具体地，将纳米二氧化硅、碳纳米管、纳米石墨和铜粉混合，于转速100rpm，球料比3:1的条件下进行球磨处理，得第一混合料；然后将石墨粉、锡粉、铁粉、二氧化硅，以及铜粉分别以每秒按其重量的1％作为添加量缓慢、匀速加入第一混合料，于转速50rpm的条件下机械搅拌60min，得混合粉末；接着将混合粉末置于300MPa环境下保压110s进行冷压压制，将得到的压坯置于5MPa条件下的氮气氛围中，由常温以10℃/min的速度匀速升温至900℃时保温3.5h，使压坯烧结成型，最后冷却而得。其中，原料按质量百分比计，包括：粒径为300目的锡粉6％；粒径为200目的铁粉6％；粒径为200目的二氧化硅6％；粒径为200目的石墨粉15％；粒径为30nm的纳米二氧化硅2％；直径为10nm的碳纳米管0.5％；粒径为50nm的纳米石墨0.2％，余量为铜粉。
实施例2：一种纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料，其是由原料烧结而成，具体地，将纳米二氧化硅、碳纳米管、纳米石墨和铜粉混合，于转速100rpm，球料比3:1的条件下进行球磨处理，得第一混合料；然后将石墨粉、锡粉、铁粉、二氧化硅，以及铜粉分别以每秒按其重量的1％作为添加量缓慢、匀速加入第一混合料，于转速50rpm的条件下机械搅拌50min，得混合粉末；接着将混合粉末置于300MPa环境下保压100s进行冷压压制，将得到的压坯置于3MPa条件下的氮气氛围中，由常温以10℃/min的速度匀速升温至850℃时保温3h，使压坯烧结成型，最后冷却而得。其中，原料按质量百分比计，包括：粒径为300目的锡粉5％；粒径为300目的铁粉5％；粒径为300目的二氧化硅4％；粒径为300目的石墨粉12％；粒径为20nm的纳米二氧化硅0.5％；直径为10nm的碳纳米管0.1％；粒径为20nm的纳米石墨0.2％，余量为铜粉。
实施例3：一种纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料，其是由原料烧结而成，具体地，将纳米二氧化硅、碳纳米管、纳米石墨和铜粉混合，于转速100rpm，球料比3:1的条件下进行球磨处理，得第一混合料；然后将石墨粉、锡粉、铁粉、二氧化硅，以及铜粉分别以每秒按其重量的1％作为添加量缓慢、匀速加入第一混合料，于转速50rpm的条件下机械搅拌60min，得混合粉末；接着将混合粉末置于350MPa环境下保压110s进行冷压压制，将得到的压坯置于6MPa条件下的氮气氛围中，由常温以10℃/min的速度匀速升温至900℃时保温4h，使压坯烧结成型，最后冷却而得。其中，原料按质量百分比计，包括：粒径为300目的锡粉7％；粒径为200目的铁粉8％；粒径为200目的二氧化硅7％；粒径为200目的石墨粉16％；粒径为30nm的纳米二氧化硅3％；直径为10nm的碳纳米管1％；粒径为50nm的纳米石墨2％，余量为铜粉。
以上所述的实施例只是本发明的几种较佳方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (6)
1.一种纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，其是由原料烧结而成，所述原料按质量百分比计，包括：锡粉5-7％；铁粉5-8％；二氧化硅4-7％；石墨粉12-16％；纳米二氧化硅0.5-3％；碳纳米管0.1-1.0％；纳米石墨0.2-2％；余量为铜粉。
2.根据权利要求1所述的纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述锡粉的粒径≥300目；所述铁粉的粒径≥200目；所述二氧化硅的粒径≥200目；所述石墨粉的粒径≥200目；所述纳米二氧化硅的粒径≤30nm；所述碳纳米管的直径≤10nm；所述纳米石墨的粒径≤50nm；所述铜粉的粒径≥200目。
3.一种制造如权利要求1所述的纳米材料改性铜基粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，将纳米二氧化硅、碳纳米管、纳米石墨和铜粉混合，于转速100rpm，球料比3:1的条件下进行球磨处理，得第一混合料；
将石墨粉、锡粉、铁粉、二氧化硅，以及铜粉加入所述第一混合料中，于转速50rpm的条件下机械搅拌50-60min，得混合粉末；
所述混合粉末置于300-350MPa环境下保压100-110s进行冷压压制，得压坯；
将所述压坯置于3-6MPa条件下的氮气氛围中，由常温升温至850-900℃保温3-4h，烧结成型，冷却。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，升温以10-15℃/min的速度匀速进行。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，将所述压坯置于5MPa条件下的氮气氛围中，由常温升温至850℃时保温3.5h，烧结成型。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，石墨粉、锡粉、铁粉、二氧化硅，以及铜粉分别以每秒按其重量的1％作为添加量缓慢、匀速的加入第一混合料。
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