CN108220745A - 一种高性能钢基铜合金石墨复合材料 - Google Patents

一种高性能钢基铜合金石墨复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能钢基铜合金石墨复合材料，所述钢基铜合金石墨自润滑复合材料的制备原料的质量百分比为：Sn：4‑6％、石墨：7‑9％、Ni：9‑11％、Cu：34‑36％、硼：0.005‑0.05％wt和Fe：45‑48％，其制备方法包括如下步骤：性能分析、制备Ag‑Sn颗粒和制备复合材料；本发明主要由铜、合金元素作为主体外加石墨构成，铜基石墨复合材料既具备铜合金基体的导热性、耐磨性、较高强度、耐电弧烧蚀等特点，同时又具备石墨良好的润滑性能及在高温下≤500℃也具有良好润滑性的特点，广泛应用于无油或少油的工况条件下，还可以改善铜材的性能，延长其使用寿命，通过石墨、镍、硼结合解决了石墨与基体润湿性差的问题，改善了铜合金石墨与钢基体界面，使其良好地结合。

Description

一种高性能钢基铜合金石墨复合材料
技术领域
本发明涉及钢基铜合金石墨复合材料技术领域，具体为一种高性能钢基铜合金石墨复合材料。
背景技术
随着人们生活节奏越来越快，对轴承材料的要求也越来越高，在许多方面，低速、低载的轴承已经不能满足人们的要求，高速、高载荷的轴承在将来势必会占据重要的地位，那么，铝基合金由于其耐磨性能、疲劳性能差等因素，在使用上会受到很大的限制，铜基合金便显示出了其优越性。不仅于此，在某些特殊工况下，如高温、高真空、高负荷以及会破坏油脂等限制润滑剂使用的条件下，还要求轴承需具备自润滑的功能，这就使得铜基自润滑复合材料成为人们研究的热点，而现有的钢基铜合金石墨复合材料为不具有优化耐磨磨、耐润滑性，不能提高跑合层的强度和耐腐蚀性，不能起到防腐蚀、增加机械强度的作用，不可以改善铜材的性能，不能延长其使用寿命，也不具备良好的耐蚀耐磨性及抗咬合性。因此，开发新型的铜合金石墨复合材料成为研究的焦点，也成为了钢基铜合金石墨自润滑材料最主要发展方向。
发明内容
本发明提供一种高性能钢基铜合金石墨复合材料，主要由铜、合金元素作为主体外加石墨构成，铜基石墨复合材料既具备铜合金基体的导热性、耐磨性、较高强度、耐电弧烧蚀等特点，同时又具备石墨良好的润滑性能及在高温下≤500℃也具有良好润滑性的特点，广泛应用于无油或少油的工况条件下，提高跑合层的强度和耐腐蚀性，起到防腐蚀、增加机械强度的作用，还可以改善铜材的性能，延长其使用寿命，通过石墨、镍、硼结合解决了石墨与基体润湿性差的问题，改善了铜合金石墨与钢基体界面，使其良好地结合，采用石墨、Ni-B制备的复合材料与未经处理制备的复合材料相比，产生优良的界面，使得材料孔隙率降低，从而使复合材料整体硬度密度、压缩强度等均有明显提升，可以有效解决上述背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高性能钢基铜合金石墨复合材料，所述钢基铜合金石墨自润滑复合材料中的材料的制备原料包括：Sn、石墨、Ni、Cu、硼和Fe，其中钢基铜合金石墨自润滑复合材料的制备原料的质量百分比为：Sn：4-6％、石墨：7-9％、Ni：9-11％、Cu：34-36％、硼：0.005-0.05％wt和Fe：45-48％。
根据上述技术方案，所述高性能钢基铜合金石墨复合材料的制备方法包括如下步骤：
1)性能分析：采用了SEM、EDS、XRD、HRTEM等分析方法分析石墨、镍、硼的物相组成，并采用电子万能试验机、硬度计、密度计、摩擦磨损试验机分析复合材料的力学性能、硬度、密度、摩擦磨损性能；
2)制备Ag-Sn颗粒：经对石墨进行敏化、活化处理，成功在其制备了具有自催化作用的Ag-Sn颗粒，作为CuSO4沉积在石墨表面的形核中心；
3)制备复合材料：采用简单的方法成功在石墨中具备Ni-B相，均匀的分布在石墨表面，再步骤1)中通过SEM、HRTEM、SAED和XRD的分析，验证了通过该简单的工艺获得了石墨-镍硼合金的核壳结构，半固态Ni-B相组成为微晶镍和非无定型镍硼相，形成复合层，经过300℃热处理2h后，无定型镍硼相完全结晶，即得高性能钢基铜合金石墨复合材料。
根据上述技术方案，所述步骤2)中CuSO4与石墨的浓度比为1.44:1。
根据上述技术方案，所述复合层由晶态Ni和Ni3B组成。
根据上述技术方案，所述SEM分析方法具体为：提供石墨、镍、硼，石墨、镍、硼还包括形成于层间介质层上的金属层；层间介质层中包括若干存储单元；存储单元左右两侧分别形成有接触金属层和衬底的金属栓；存储单元包括擦除栅、形成于擦除栅左右两侧的两个存储晶体管及形成于存储晶体管外侧的字线；擦除栅、浮栅、控制栅、字线及金属栓之间分立分布并通过介质隔离；且SEM样品的制备方法还包括步骤：去除金属层，并将去除金属层后的石墨、镍、硼放入扫描电子显微镜中；采用扫描电子显微镜电子束对去除金属层后的石墨、镍、硼的预设区域进行扫描，使该区域被碳化；预设区域中至少包括一个浮栅；将获得的结构浸泡在双氧水中以去除金属栓；将获得的结构浸泡在氢氟酸溶液中以去除部分层间介质层；用水冲洗获得的结构以使字线、控制栅及擦除栅被水流冲走，得到分析石墨、镍、硼的物相组成的结果。
根据上述技术方案，所述步骤1)中摩擦磨损试验机包括主机支架、转轴；转轴由分别安装在主机支架上两侧的支撑柱支撑在主机支架的上方，转轴由安装在主机支架下方的驱动机构带动其旋转；转轴上固定安装有一真空箱；真空箱内设置有支撑架，支撑架上并排安装有一杠杆机构和一旋转机构。
根据上述技术方案，所述摩擦磨损试验机工作时杠杆机构与旋转机构之间自上而下放置上试样和下试样；杠杆机构为试验过程中对上试样提供下压力，旋转机构为试验过程中对下试样提供旋转力矩；当驱动机构带动转轴转动时，真空箱、杠杆机构和旋转机构跟随其同步转动。
与现有技术相比，本发明的有益效果：主要由铜、合金元素作为主体外加石墨构成，铜基石墨复合材料既具备铜合金基体的导热性、耐磨性、较高强度、耐电弧烧蚀等特点，同时又具备石墨良好的润滑性能及在高温下≤500℃也具有良好润滑性的特点，广泛应用于无油或少油的工况条件下，提高跑合层的强度和耐腐蚀性，起到防腐蚀、增加机械强度的作用，还可以改善铜材的性能，延长其使用寿命，通过石墨、镍、硼结合解决了石墨与基体润湿性差的问题，改善了铜合金石墨与钢基体界面，使其良好地结合，采用石墨、Ni-B制备的复合材料与未经处理制备的复合材料相比，产生优良的界面，使得材料孔隙率降低，从而使复合材料整体硬度密度、压缩强度等均有明显提升。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明的的制备流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：如图1所示，本发明提供一种高性能钢基铜合金石墨复合材料，所述钢基铜合金石墨自润滑复合材料中的材料的制备原料包括：Sn、石墨、Ni、Cu、硼和Fe，其中钢基铜合金石墨自润滑复合材料的制备原料的质量百分比为：Sn：6％、石墨：9％、Ni：11％、Cu：34％、硼：0.005％和Fe：48％。
根据上述技术方案，所述高性能钢基铜合金石墨复合材料的制备方法包括如下步骤：
1)性能分析：采用了SEM、EDS、XRD、HRTEM等分析方法分析石墨、镍、硼的物相组成，并采用电子万能试验机、硬度计、密度计、摩擦磨损试验机分析复合材料的力学性能、硬度、密度、摩擦磨损性能；
2)制备Ag-Sn颗粒：经对石墨进行敏化、活化处理，成功在其制备了具有自催化作用的Ag-Sn颗粒，作为CuSO4沉积在石墨表面的形核中心；
3)制备复合材料：采用简单的方法成功在石墨中具备Ni-B相，均匀的分布在石墨表面，再步骤1)中通过SEM、HRTEM、SAED和XRD的分析，验证了通过该简单的工艺获得了石墨-镍硼合金的核壳结构，半固态Ni-B相组成为微晶镍和非无定型镍硼相，形成复合层，经过300℃热处理2h后，无定型镍硼相完全结晶，即得高性能钢基铜合金石墨复合材料。
根据上述技术方案，所述步骤2)中CuSO4与石墨的浓度比为1.44:1。
根据上述技术方案，所述复合层由晶态Ni和Ni3B组成。
根据上述技术方案，所述SEM分析方法具体为：提供石墨、镍、硼，石墨、镍、硼还包括形成于层间介质层上的金属层；层间介质层中包括若干存储单元；存储单元左右两侧分别形成有接触金属层和衬底的金属栓；存储单元包括擦除栅、形成于擦除栅左右两侧的两个存储晶体管及形成于存储晶体管外侧的字线；擦除栅、浮栅、控制栅、字线及金属栓之间分立分布并通过介质隔离；且SEM样品的制备方法还包括步骤：去除金属层，并将去除金属层后的石墨、镍、硼放入扫描电子显微镜中；采用扫描电子显微镜电子束对去除金属层后的石墨、镍、硼的预设区域进行扫描，使该区域被碳化；预设区域中至少包括一个浮栅；将获得的结构浸泡在双氧水中以去除金属栓；将获得的结构浸泡在氢氟酸溶液中以去除部分层间介质层；用水冲洗获得的结构以使字线、控制栅及擦除栅被水流冲走，得到分析石墨、镍、硼的物相组成的结果。
根据上述技术方案，所述步骤1)中摩擦磨损试验机包括主机支架、转轴；转轴由分别安装在主机支架上两侧的支撑柱支撑在主机支架的上方，转轴由安装在主机支架下方的驱动机构带动其旋转；转轴上固定安装有一真空箱；真空箱内设置有支撑架，支撑架上并排安装有一杠杆机构和一旋转机构。
根据上述技术方案，所述摩擦磨损试验机工作时杠杆机构与旋转机构之间自上而下放置上试样和下试样；杠杆机构为试验过程中对上试样提供下压力，旋转机构为试验过程中对下试样提供旋转力矩；当驱动机构带动转轴转动时，真空箱、杠杆机构和旋转机构跟随其同步转动。
实施例2：如图1所示，本发明提供一种高性能钢基铜合金石墨复合材料，所述钢基铜合金石墨自润滑复合材料中的材料的制备原料包括：Sn、石墨、Ni、Cu、硼和Fe，其中钢基铜合金石墨自润滑复合材料的制备原料的质量百分比为：Sn：4％、石墨：7％、Ni：9％、Cu：34％、硼：0.05％wt和Fe：48％。
根据上述技术方案，所述高性能钢基铜合金石墨复合材料的制备方法包括如下步骤：
1)性能分析：采用了SEM、EDS、XRD、HRTEM等分析方法分析石墨、镍、硼的物相组成，并采用电子万能试验机、硬度计、密度计、摩擦磨损试验机分析复合材料的力学性能、硬度、密度、摩擦磨损性能；
2)制备Ag-Sn颗粒：经对石墨进行敏化、活化处理，成功在其制备了具有自催化作用的Ag-Sn颗粒，作为CuSO4沉积在石墨表面的形核中心；
3)制备复合材料：采用简单的方法成功在石墨中具备Ni-B相，均匀的分布在石墨表面，再步骤1)中通过SEM、HRTEM、SAED和XRD的分析，验证了通过该简单的工艺获得了石墨-镍硼合金的核壳结构，半固态Ni-B相组成为微晶镍和非无定型镍硼相，形成复合层，经过300℃热处理2h后，无定型镍硼相完全结晶，即得高性能钢基铜合金石墨复合材料。
根据上述技术方案，所述步骤2)中CuSO4与石墨的浓度比为1.44:1。
根据上述技术方案，所述复合层由晶态Ni和Ni3B组成。
根据上述技术方案，所述SEM分析方法具体为：提供石墨、镍、硼，石墨、镍、硼还包括形成于层间介质层上的金属层；层间介质层中包括若干存储单元；存储单元左右两侧分别形成有接触金属层和衬底的金属栓；存储单元包括擦除栅、形成于擦除栅左右两侧的两个存储晶体管及形成于存储晶体管外侧的字线；擦除栅、浮栅、控制栅、字线及金属栓之间分立分布并通过介质隔离；且SEM样品的制备方法还包括步骤：去除金属层，并将去除金属层后的石墨、镍、硼放入扫描电子显微镜中；采用扫描电子显微镜电子束对去除金属层后的石墨、镍、硼的预设区域进行扫描，使该区域被碳化；预设区域中至少包括一个浮栅；将获得的结构浸泡在双氧水中以去除金属栓；将获得的结构浸泡在氢氟酸溶液中以去除部分层间介质层；用水冲洗获得的结构以使字线、控制栅及擦除栅被水流冲走，得到分析石墨、镍、硼的物相组成的结果。
根据上述技术方案，所述步骤1)中摩擦磨损试验机包括主机支架、转轴；转轴由分别安装在主机支架上两侧的支撑柱支撑在主机支架的上方，转轴由安装在主机支架下方的驱动机构带动其旋转；转轴上固定安装有一真空箱；真空箱内设置有支撑架，支撑架上并排安装有一杠杆机构和一旋转机构。
根据上述技术方案，所述摩擦磨损试验机工作时杠杆机构与旋转机构之间自上而下放置上试样和下试样；杠杆机构为试验过程中对上试样提供下压力，旋转机构为试验过程中对下试样提供旋转力矩；当驱动机构带动转轴转动时，真空箱、杠杆机构和旋转机构跟随其同步转动。
其中通过对高性能钢基铜合金石墨复合材料摩擦、磨损性能的研究发现：随着石墨含量的增加，复合材料的硬度不断下降、摩擦系数、磨损体积均明显降低，为了满足客户要求的复合材料，定速8m/s，试验压强0.5MPa,试验时间3小时状况下，其钢基铜合金复合材料摩擦系数0.25-0.30，磨损量：≤0.6，特将石墨含量控制在7％-9％。
基于上述，本发明的优点在于，主要由铜、合金元素作为主体外加石墨构成，铜基石墨复合材料既具备铜合金基体的导热性、耐磨性、较高强度、耐电弧烧蚀等特点，同时又具备石墨良好的润滑性能及在高温下≤500℃也具有良好润滑性的特点，广泛应用于无油或少油的工况条件下，提高跑合层的强度和耐腐蚀性，起到防腐蚀、增加机械强度的作用，还可以改善铜材的性能，延长其使用寿命，通过石墨、镍、硼结合解决了石墨与基体润湿性差的问题，改善了铜合金石墨与钢基体界面，使其良好地结合，采用石墨、Ni-B制备的复合材料与未经处理制备的复合材料相比，产生优良的界面，使得材料孔隙率降低，从而使复合材料整体硬度密度、压缩强度等均有明显提升。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术患者来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高性能钢基铜合金石墨复合材料，其特征在于：所述钢基铜合金石墨自润滑复合材料中的材料的制备原料包括：Sn、石墨、Ni、Cu、硼和Fe，其中钢基铜合金石墨自润滑复合材料的制备原料的质量百分比为：Sn：4-6％、石墨：7-9％、Ni：9-11％、Cu：34-36％、硼：0.005-0.05％wt和Fe：45-48％。
2.根据权利要求1所述的一种高性能钢基铜合金石墨复合材料，其特征在于：所述高性能钢基铜合金石墨复合材料的制备方法包括如下步骤：
1)性能分析：采用了SEM、EDS、XRD、HRTEM等分析方法分析石墨、镍、硼的物相组成，并采用电子万能试验机、硬度计、密度计、摩擦磨损试验机分析复合材料的力学性能、硬度、密度、摩擦磨损性能；
2)制备Ag-Sn颗粒：经对石墨进行敏化、活化处理，成功在其制备了具有自催化作用的Ag-Sn颗粒，作为CuSO4沉积在石墨表面的形核中心；
3)制备复合材料：采用简单的方法成功在石墨中具备Ni-B相，均匀的分布在石墨表面，再步骤1)中通过SEM、HRTEM、SAED和XRD的分析，验证了通过该简单的工艺获得了石墨-镍硼合金的核壳结构，半固态Ni-B相组成为微晶镍和非无定型镍硼相，形成复合层，经过300℃热处理2h后，无定型镍硼相完全结晶，即得高性能钢基铜合金石墨复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种高性能钢基铜合金石墨复合材料，其特征在于：所述步骤2)中CuSO4与石墨的浓度比为1.44:1。
4.根据权利要求2所述的一种高性能钢基铜合金石墨复合材料，其特征在于：所述复合层由晶态Ni和Ni3B组成。
5.根据权利要求2所述的一种高性能钢基铜合金石墨复合材料，其特征在于：所述SEM分析方法具体为：提供石墨、镍、硼，石墨、镍、硼还包括形成于层间介质层上的金属层；层间介质层中包括若干存储单元；存储单元左右两侧分别形成有接触金属层和衬底的金属栓；存储单元包括擦除栅、形成于擦除栅左右两侧的两个存储晶体管及形成于存储晶体管外侧的字线；擦除栅、浮栅、控制栅、字线及金属栓之间分立分布并通过介质隔离；且SEM样品的制备方法还包括步骤：去除金属层，并将去除金属层后的石墨、镍、硼放入扫描电子显微镜中；采用扫描电子显微镜电子束对去除金属层后的石墨、镍、硼的预设区域进行扫描，使该区域被碳化；预设区域中至少包括一个浮栅；将获得的结构浸泡在双氧水中以去除金属栓；将获得的结构浸泡在氢氟酸溶液中以去除部分层间介质层；用水冲洗获得的结构以使字线、控制栅及擦除栅被水流冲走，得到分析石墨、镍、硼的物相组成的结果。
6.根据权利要求2所述的一种高性能钢基铜合金石墨复合材料，其特征在于：所述步骤1)中摩擦磨损试验机包括主机支架、转轴；转轴由分别安装在主机支架上两侧的支撑柱支撑在主机支架的上方，转轴由安装在主机支架下方的驱动机构带动其旋转；转轴上固定安装有一真空箱；真空箱内设置有支撑架，支撑架上并排安装有一杠杆机构和一旋转机构。
7.根据权利要求2所述的一种高性能钢基铜合金石墨复合材料，其特征在于：所述摩擦磨损试验机工作时杠杆机构与旋转机构之间自上而下放置上试样和下试样；杠杆机构为试验过程中对上试样提供下压力，旋转机构为试验过程中对下试样提供旋转力矩；当驱动机构带动转轴转动时，真空箱、杠杆机构和旋转机构跟随其同步转动。
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