CN108893647B - 一种高强耐蚀耐磨的铜基复合材料 - Google Patents
一种高强耐蚀耐磨的铜基复合材料 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108893647B CN108893647B CN201810794093.8A CN201810794093A CN108893647B CN 108893647 B CN108893647 B CN 108893647B CN 201810794093 A CN201810794093 A CN 201810794093A CN 108893647 B CN108893647 B CN 108893647B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- powder
- copper
- graphene
- composite material
- extrusion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000010949 copper Substances 0.000 title claims abstract description 46
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 43
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 41
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 title abstract description 35
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 title abstract description 35
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 202
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 142
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 127
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 39
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 39
- TVZPLCNGKSPOJA-UHFFFAOYSA-N copper zinc Chemical compound [Cu].[Zn] TVZPLCNGKSPOJA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- IUYOGGFTLHZHEG-UHFFFAOYSA-N copper titanium Chemical compound [Ti].[Cu] IUYOGGFTLHZHEG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims abstract description 26
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 23
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 18
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 13
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 11
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims description 40
- 238000009987 spinning Methods 0.000 claims description 36
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 claims description 12
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 7
- 238000004513 sizing Methods 0.000 claims description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 2
- 229910001297 Zn alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 29
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 21
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 14
- 238000011049 filling Methods 0.000 abstract description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 239000004482 other powder Substances 0.000 abstract 1
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 63
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 63
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 21
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 17
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 10
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 9
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 9
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 5
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 5
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 4
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 4
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 3
- HJTAZXHBEBIQQX-UHFFFAOYSA-N 1,5-bis(chloromethyl)naphthalene Chemical compound C1=CC=C2C(CCl)=CC=CC2=C1CCl HJTAZXHBEBIQQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- GOLCXWYRSKYTSP-UHFFFAOYSA-N arsenic trioxide Inorganic materials O1[As]2O[As]1O2 GOLCXWYRSKYTSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 2
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 2
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 2
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 2
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 2
- 229910000776 Common brass Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000761557 Lamina Species 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 230000011132 hemopoiesis Effects 0.000 description 1
- 238000001192 hot extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 1
- 210000000653 nervous system Anatomy 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006250 one-dimensional material Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009461 vacuum packaging Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C9/00—Alloys based on copper
- C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/003—Apparatus, e.g. furnaces
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/20—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by extruding
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C1/0425—Copper-based alloys
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
- C22C32/0084—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ carbon or graphite as the main non-metallic constituent
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/20—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by extruding
- B22F2003/208—Warm or hot extruding
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高强耐蚀耐磨的铜基复合材料；所述材料的主要成分为：铜55～69wt％、锌30～44wt％、钛0.01～5wt％，石墨烯0.01～10wt％、其它可选成分0.01～5wt％，所述其它可选成分是选自碳纳米管和石墨中的一种或两种。其制备方法为粉末旋轮挤压法：首先把铜锌合金粉、铜钛合金粉、石墨烯粉以及碳纳米管粉、石墨粉等粉体混合均匀，把混合均匀的粉体由泄料漏斗以一定速度装入由弧形模座、旋轮表面型槽和堵头形成的空间，把粉体挤入模具，粉体在模腔内被压实后，从模孔挤出，根据模孔形状不同，可成形为各类管材、板材、棒材、线材或型材。所制备的铜基合金具有强度高、耐腐蚀、耐磨损且导电率不降低等优点。
Description
技术领域
本发明属于铜基复合材料制备技术领域，具体涉及一种新型高强度、耐腐蚀、耐磨损的黄铜石墨烯复合材料及其制备方法。
背景技术
黄铜主要由铜和锌元素组成，具有优良的冷热加工性、耐腐蚀性、较高的强度等特点，可加工成各种形状零部件，广泛应用于管接件、开关插接件、电子电气连接线、汽车水箱带、蒸发器和冷凝器管、五金件、玩具、汽车零件、制冷设备、家电等方面。为了进一步提高黄铜性能，如强度、耐蚀性、耐磨性、耐高温性、切削性等性能，常在普通黄铜中加入铝、镍、铁、锆、钛、铅、锡、铅、砷等其它元素，形成复杂黄铜。例如，加入铁和锡，可提高其耐磨性能和力学性能；加入微量砷，可提高其耐腐蚀性能，加入铅，可提高合金的切削性能。
但是，在加入合金元素提高黄铜某一方面性能的同时，也会降低其它性能。例如，为了提高黄铜开关插接件的耐磨性，加入铁和锡，提高了其耐磨性能和力学性能的同时，但大幅度降低了黄铜的导电性，降低了开关的载流性能和安全性。加入砷和铝，可提高黄铜的耐腐蚀性能，但降低了铸造性能，易于产生缩孔和疏松等缺陷。此外，砷元素的氧化物三氧化二砷，俗称砒霜，有剧毒，世界各国严格限制其使用。加入铅元素，可提高黄铜的切削性能，但会降低其力学性能和导电性，而且铅有毒，会对人体造血和神经系统造成极大的危害，美国NSF、日本JIS、德国DIN50930及欧盟的相关标准法令都严格限制或禁止在黄铜中加铅。
发明内容
本发明的目的克服上述现有技术存在的不足，提供一种新型铜基复合材料及其制备方法，在提高传统黄铜力学性能、耐磨性能和耐腐蚀性能的同时，不降低其导电率，并环保无毒。
石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按照六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定。石墨烯是已知的最薄的材料，具有极高的比表面积、超强的导电性和强度等优点。例如，石墨烯强度大，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，硬度比钻石还坚硬。石墨烯耐腐蚀性极高，几乎不溶于强酸强碱，目前已应用于舰船和海上风电装备的表面防腐涂料。石墨烯导电率高，电阻率只有10-6Ω·cm，比铜和银的导电率还高。本发明在黄铜中添加石墨烯，达到提高其力学性能、耐腐蚀性和耐磨性的目的，且不降低其导电率，以克服传统黄铜在提高某一性能的同时，降低其它性能，且添加的石墨烯无毒，符合环保和健康卫生要求。此外，选择性地加入碳纳米管，在材料内部形成三维碳纳米管的网格结构，进一步提高材料强度。进一步的，为了提高其切削性能，在合金中添加石墨，以替代有毒的铅元素。进一步的，为了提高石墨烯与黄铜之间的界面结合力，选择添加钛元素。
由于石墨烯的熔点超过3000℃，用传统的熔炼铸造法生产时，石墨烯漂浮在铜合金熔体表面，难以均匀分散到熔体中，故目前铜石墨烯复合材料一般采用粉末冶金的方法制备，即把铜粉体和石墨烯粉体混合均匀，装入模具，加热保温并挤压成所需形状材料。但是，这种方法只能单件间歇生产，不能连续制备大长度产品，为了克服以上不足，本发明提出了一种粉末料的旋轮挤出法，能够连续进料，挤压为所需形状的材料，实现了铜基粉末料无限制长度的连续生产，克服了传统粉末热挤压法只能单件间歇式生产的缺点，极大地提高了生产效率。
具体而言，本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
第一方面，本发明涉及一种铜基复合材料，包含以下质量百分比含量的各组分：铜55～69％，锌30～44％，钛0.01～5wt％，石墨烯0.01～10wt％，其余为不可避免的杂质。
石墨烯强度大，加入黄铜基体中，起增强作用，可提高铜合金强度，另一方面，石墨烯硬度极高，可同时提高铜合金耐磨性，石墨烯几乎不溶于强酸强碱，具有极高的耐腐蚀性，且石墨烯具有极高的比表面积，包覆在铜合金组织里，可有效阻止合金被腐蚀。此外，石墨烯导电率高于铜，在提高强度、耐磨性能和耐腐蚀性能的同时，不降低其导电率，所研发新型铜基复合材料，可广泛应用于开关插接件，以提高其耐磨性能并保持其导电性。应用于管接件，可提高其耐腐蚀性和强度。应用于海水淡化管道，可提高其耐腐蚀性能，并保持其换热效率。
此外，在铜基复合材料中，加入质量百分比0.01～5％钛，目的是为了提高石墨烯与黄铜的界面结合力。试验研究表明，钛元素能够提高石墨烯与铜锌合金之间的浸润性，故加入适量的钛可提高铜锌合金与石墨烯之间的界面结合力。
进一步的，在铜基复合材料中，可选择性地加入质量百分比0.01～5％碳纳米管，以进一步提高其强度。碳纳米管是线性一维材料，在材料内部分散后，可形成三维纤维网络结构，提高合金的整体性，从而提高合金强度。
进一步的，在铜基复合材料中，可选择性地加入质量百分比0.01～5％石墨，以提高其切削性能。虽然石墨和石墨烯仅一字之差，但性能相差巨大，石墨是层状结构，层与层之间是范德华力结合，层片间易滑移，故石墨质地极软，切削性能好，导电性远低于铜，在铜基石墨烯复合材料中加入适量石墨，可提高其切削性能，但同时会降低其力学性能和导电率。
第二方面，本发明还涉及一种铜基复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
A、混合粉体：根据合金成分，预制铜锌粉末和铜钛合金粉末；按所述重量百分比含量，将所述铜锌粉末、铜钛合金粉末、石墨烯粉，以及碳纳米管粉和/或石墨粉混合均匀；
B、粉末成形：步骤A得到的混合粉体经泄料漏斗出口流入旋轮表面凹槽，旋轮绕轴线转动，把混合粉体带入弧形模座、旋轮和堵头所围成的空间，在旋轮摩擦力作用下，把混合粉体推入挤压模腔，在模腔内被压实，并从模具出口挤出成型。
进一步的，所述铜锌粉末和铜钛合金粉末的粉末粒度小于700微米；所述石墨烯粉的片层直径小于300微米。
进一步的，根据石墨烯含量的高低，可调整旋轮预热温度，对于石墨烯当石墨烯含量低于0.1wt％时，旋轮2不需要预热。随着石墨烯含量提高，可根据需要适当升高旋轮2的预热温度，但旋轮2的最高预热温度不高于500℃，以防止粉体被氧化。
第三方面，本发明还涉及一种铜基复合材料的粉末旋轮挤压成形装置，所述装置包括泄料漏斗1、旋轮2、弧形模座3、堵头4、电磁感应加热器5和挤压模具6；所述旋轮2的外圆表面设凹槽，粉末经泄料漏斗1出口流入旋轮2表面凹槽；所述旋轮2表面上方设有电磁感应加热器5；所述旋轮2绕轴线转动，把粉体带入弧形模座3、旋轮2和堵头4所围成的空间；所述空间内设有挤压模具6，粉体流动到堵头4后，受阻而进入挤压模具6挤压成型。
进一步的，所述挤压模具6由进料通道7、挤压腔室8组成，所述挤压腔室8内沿挤压方向依次设有扩展带9、定径带10；粉体流动到堵头4后，受阻而通过进料通道7进入挤压腔室8，并从扩展带9和定径带10被挤出。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明在黄铜中添加石墨烯，达到提高其力学性能、耐腐蚀性和耐磨性的目的，且不降低其导电率，克服了传统黄铜在提高其力学性能和耐磨性能的同时，而降低导电率的缺点；
2、本发明的新型黄铜具有极高的耐腐蚀性，且添加的石墨烯绿色无污染，克服了传统耐蚀黄铜添加有毒的砷的缺点；
3、采用本发明技术，能够很容易在黄铜基体内均匀地添加石墨，能够提高黄铜的切削性能，克服传统黄铜靠添加对人体有毒的铅来提高切削性能的缺点。
4、由于石墨烯、碳纳米管和石墨的密度远低于铜，但它们的熔点远高于铜，故传统的熔铸技术难以在黄铜基体内均匀地加入石墨烯、碳纳米管和石墨，本发明专利能够在黄铜基体上均匀地引入石墨烯、碳纳米管和石墨，这就克服了传统熔铸技术难以在黄铜基体内添加石墨烯、碳纳米管和石墨的困难。
5、采用本发明技术，能够连续制备大长度的杆材、管材、板材和型材，与传统粉末冶金烧结技术相比，克服了其单炉间歇式生产的缺点，实现了连续生产，生产效率。
附图说明
图1为粉末旋轮挤压成形装置的结构示意图；其中，1为泄料漏斗，2为旋轮，3为弧形模座，4为堵头，5为电磁感应加热器，6为挤压模具，7为进料通道，8为挤压腔室，9为扩展带，10为定径带。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段，创作特征，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，然而，本发明并不限于这些实施方式。
本发明的铜基复合材料，包含以下质量百分比的成分，铜55～69％，锌30～44％，石墨烯0.01～10wt％，其余为不可避免的杂质。进一步的，还包括重量百分比含量为0.01～5％的碳纳米管和石墨中的一种或两种组分。
又因为石墨烯不熔于铜合金熔体，且石墨烯密度远低于铜合金，在熔炼时会漂浮在熔体液面，很难分散在熔体内部。采用传统的熔炼铸造法难以加工以上黄铜石墨烯复合材料。目前，尚未见黄铜与石墨烯复合材料的相关报道，但有研究制备纯铜与石墨烯复合材料的文献，在这些文献里，一般采用粉末冶金法来制备铜石墨烯复合材料，首先采用混料机把铜粉和石墨烯粉混合均匀，然后装入模具，加热到一定温度后进行压缩或挤压，得到所需形状的铜石墨烯复合材料，也可再对所得铜石墨烯复合材料加热到一定温度进行烧结。采用这种热压烧结法的最大缺点是无法连续生产，只能单炉间歇式生产，且不能制备大长度的产品。
因此，本发明采用粉末冶金法制备黄铜石墨烯复合材料，为了克服传统热压烧结法无法连续生产、不能制备大长度产品的缺点，本发明提出了一种粉末料成形的旋轮挤压法。具体包含以下步骤：
步骤1：混合粉体
根据合金成分，预制铜锌、铜钛合金粉末，为了确保产品质量，粉体直径不能超过0.7mm，即不能采用颗粒料，必须是粉末料。石墨烯粉的片层直径小于300微米，称取相应比例的铜锌合金粉体和石墨烯粉体，把铜合金粉体与石墨烯粉体混合均匀，真空包装后备用。
步骤2：粉末旋轮挤压成形
粉末旋轮挤压成形装置主要由泄料漏斗1、旋轮2、弧形模座3、堵头4、电磁感应加热器5和挤压模具6组成，其中挤压模具6由进料通道7、挤压腔8、扩展带9、定径带10组成，如附图1所示。其中旋轮2的外圆表面有周向凹槽，用于储料。将步骤1所得混合粉体装入泄料漏斗1，混合粉体以一定的速度从泄料漏斗下口流入旋轮2表面的凹槽，旋轮被电磁感应加热器5加热，以预热粉体，旋轮绕轴线转动，把混合粉体带入弧形模座3、旋轮凹槽2和堵头4形成的空间，混合粉体流动到堵头4后，受其阻碍而进入挤压模具6，通过进料通道7进入挤压腔室8，在摩擦力及高温作用下，粉末被压密实，并从扩展带9和定径带10被挤出，根据定径带形状，可挤压为棒材、板材、管材和异型材。
当混合粉体从泄料漏斗1连续进料时，即可连续获得石墨烯黄铜复合材料的棒材、管材、板材、线材或其它型材。
具体应用见以下各实施例：
实施例1
制备一种开关插接件用耐磨黄铜石墨烯板材，产品成分为Cu：60w％，Zn：39.97wt％，石墨烯0.01wt％，碳纳米管：0.01wt％，钛：0.01wt％。原材料包括相应成分的铜锌合金粉和石墨烯粉体，碳纳米管粉和铜钛合金粉。铜锌合金粉体直径为50～200微米，铜钛合金粉体直径为50～200微米，石墨烯片直径范围1～50微米，碳纳米管直径0.8～2nm，长度5～500μm，称取相应比例的铜锌合金粉、铜钛合金粉、碳纳米管粉和石墨烯粉，采用V型混料机混料1小时，混料均匀后，把混合粉体装入真空密封袋备用。打开电磁感应加热器，把旋轮预热到200℃，采用定量泵，以200g/min的速度把铜合金石墨烯粉体装入泄料漏斗，挤压模具加热温度300℃，旋轮转速10rpm，连续挤压出直径为8mm的黄铜石墨烯板材。
实施例2
制备一种耐蚀黄铜石墨烯管材，产品成分为Cu：65w％，Zn：34wt％，钛：0.5％，石墨烯：0.5wt％。原材料包括相应成分的铜锌合金粉、铜钛合金粉和石墨烯粉体，铜锌合金粉体直径为30～150微米，铜钛合金粉体直径为50～200微米，石墨烯片直径范围1～50微米，称取相应比例的铜锌合金粉、铜钛合金粉和石墨烯粉，采用V型混料机混料1.5小时，混料均匀后，把混合粉体装入真空密封袋备用。旋轮不需要预热，旋轮转速8rpm，连续挤压出内径为6mm，外径为10mm的黄铜石墨烯管材。
实施例3
制备一种耐腐蚀易切削黄铜石墨烯棒材，产品成分为Cu：55wt％，Zn：34.5wt％，钛：0.1wt％，石墨烯：10wt％，石墨：0.4wt％。原材料包括相应成分的铜锌合金粉、铜钛合金粉、石墨烯粉体和石墨粉体，铜锌合金粉体直径为60～250微米，铜钛合金粉50～200微米，石墨烯片直径范围1～30微米，石墨粉直径为100～500微米，称取相应比例的铜锌合金粉、铜钛合金粉、石墨烯粉和石墨粉，采用V型混料机混料2小时，混料均匀后，把混合粉体装入真空密封袋备用。旋轮预热到260℃，旋轮转速12rpm，连续挤压出直径为8mm的耐腐蚀易切削黄铜石墨烯棒材。
实施例4
制备一种高强度黄铜石墨烯棒材，产品成分为Cu：69w％，Zn：30wt％，石墨烯：0.01wt％，钛：0.99wt％。原材料包括相应成分的铜锌合金粉、铜钛合金粉和石墨烯粉体，铜锌合金粉体和铜钛合金粉体直径为10～100微米，石墨烯片直径范围0.5～30微米，称取相应比例的铜锌合金粉、铜钛合金粉和石墨烯粉，采用V型混料机混料2小时，混料均匀后，把混合粉体装入真空密封袋备用。旋轮预热到300℃，旋轮转速15rpm，连续挤压出直径为10mm的高强度黄铜石墨烯棒材。
实施例5
制备一种易切削高强度黄铜石墨烯棒材，产品成分为Cu：55wt％，Zn：44wt％，石墨烯：0.98wt％，钛：0.01wt％，石墨：0.01wt％。原材料包括相应成分的铜锌合金粉、铜钛合金粉、石墨烯粉体和石墨粉体，铜锌合金粉体和铜钛合金粉体直径为10～100微米，石墨烯片直径范围0.5～30微米，石墨粉直径为50～200微米，称取相应比例的铜锌合金粉、铜钛合金粉、石墨烯粉和石墨粉，采用V型混料机混料2小时，混料均匀后，把混合粉体装入真空密封袋备用。旋轮预热到360℃，旋轮转速15rpm，连续挤压出直径为10mm的易切削高强度黄铜石墨烯棒材。
实施例6
制备一种连接器用耐蚀高强度黄铜石墨烯复合材料线材，产品成分为Cu：60w％，Zn：30wt％，Ti：5wt％，石墨烯：4.5wt％，碳纳米管：0.5wt％。原材料包括相应成分的铜锌合金粉、铜钛合金粉、石墨烯粉和碳纳米管粉，铜锌合金粉体直径为5～30微米，铜钛合金粉体直径为50～100微米，石墨烯片直径范围1～20微米，碳纳米管直径0.8～2nm，长度5～500μm，，称取相应比例的铜锌合金粉、铜钛合金粉、，石墨烯粉、碳纳米管粉，采用V型混料机混料2小时，混料均匀后，把混合粉体装入真空密封袋备用。打开电磁感应加热器，把旋轮预热到150℃，采用定量泵，以150g/min的速度把混合粉体装入泄料漏斗，挤压模具加热温度280℃，旋轮转速7rpm，连续挤压出直径为3mm的耐蚀高强度连接器用线材。
实施例7
制备一种耐磨黄铜石墨烯板材，产品成分为Cu：57w％，Zn：42wt％，石墨烯：0.9wt％，钛：0.1wt％。原材料包括相应成分的铜锌合金粉、铜钛合金粉和石墨烯粉体，铜锌合金粉体直径为100～200微米，铜钛合金粉体直径为50～100微米，石墨烯片直径范围10～50微米，称取相应比例的铜锌合金粉、铜钛合金粉和石墨烯粉，采用V型混料机混料1.5小时，混料均匀后，把混合粉体装入真空密封袋备用。打开电磁感应加热器，把旋轮预热到250℃，采用定量泵，以200g/min的速度把铜合金石墨烯粉体装入泄料漏斗，挤压模具加热温度300℃，旋轮转速10rpm，连续挤压出直径为8mm的黄铜石墨烯板材。
实施例8
制备一种耐磨黄铜石墨烯板材，产品成分为Cu：56w％，Zn：38wt％，石墨烯：0.5wt％，碳纳米管0.48wt％，钛：0.02wt％，石墨：5wt％。原材料包括相应成分的铜锌合金粉、铜钛合金粉、石墨烯粉和碳纳米管粉，铜锌合金粉体直径为100～200微米，铜钛合金粉体直径为50～100微米，石墨烯片直径范围10～50微米，碳纳米管直径0.8～2nm，长度5～500μm，称取相应比例的铜锌合金粉、铜钛合金粉和石墨烯粉，采用V型混料机混料1.5小时，混料均匀后，把混合粉体装入真空密封袋备用。打开电磁感应加热器，把旋轮预热到250℃，采用定量泵，以200g/min的速度把铜合金石墨烯粉体装入泄料漏斗，挤压模具加热温度300℃，旋轮转速10rpm，连续挤压出直径为8mm的黄铜石墨烯板材。
实施例9
制备一种耐腐蚀易切削黄铜石墨烯复合材料棒材，产品成分为Cu：61w％，Zn：38wt％，钛：0.01wt％，石墨烯：0.39wt％，石墨：0.3wt％，碳纳米管0.3wt％。原材料包括相应成分的铜锌合金粉、铜钛合金粉、石墨烯粉、碳纳米管粉和石墨粉体，铜锌合金粉体直径为60～250微米，铜钛合金粉50～200微米，石墨烯片直径范围1～30微米，石墨粉直径为100～500微米，碳纳米管直径0.8～2nm，长度5～500μm，称取相应比例的铜锌合金粉、铜钛合金粉、石墨烯粉、碳纳米管粉和石墨粉，采用V型混料机混料2小时，混料均匀后，把混合粉体装入真空密封袋备用。旋轮预热到260℃，旋轮转速12rpm，连续挤压出直径为8mm的耐腐蚀易切削黄铜石墨烯棒材。
对比例1
制备一种开关插接件用耐磨黄铜石墨烯板材，产品成分为Cu：60w％，Zn：39.98wt％，石墨烯0.01wt％，钛：0.01wt％。加工方式与实施例1相同。
对比例2
制备一种开关插接件用耐磨黄铜石墨烯板材，产品成分为Cu：60w％，Zn：39.98wt％，碳纳米管：0.01wt％，钛：0.01wt％。加工方式与实施例1相同。
对比例3
制备一种开关插接件用耐磨黄铜石墨烯板材，产品成分为Cu：60w％，Zn：39.77wt％，石墨烯0.01wt％，碳纳米管：0.01wt％，石墨：0.2wt％，钛：0.01wt％。加工方式与实施例1相同。
抗拉强度按GB/T 228-2002进行测试，耐磨性能测试按GB/T 12444-2006进行，测试其磨损失重，失重量越小，则耐磨性能越高。导电率测试GB/T 32791-2016进行。耐腐蚀性和切削性能按照GB/T 26306-2010进行，测量其脱锌腐蚀层深度，深度越小，则其耐腐性越高。切削性能与传统易切削铅黄铜HPb62-3进行比较，定义HPb62-3的切削性指数为100％，切削性指数越高，则切削性能越好。
表1所示为各实施例的性能测试，并与普通64黄铜进行性能对比，其中对比例1、21和3是实施例1的对照实验，其中对比例1在实施例1基础上，不加碳纳米管，对比例2在实施例1基础上，不添加石墨烯，对比例3在实施例1基础上，另外添加石墨。
表1、性能测试
从表1可以看出，所有实施例的抗拉强度均大于普通64黄铜，脱锌腐蚀层深度小于64黄铜，摩擦磨损失重少于64黄铜，导电率均优于64黄铜，切削性指数不低于64黄铜，凡是添加石墨的材料，其切削性能均大幅度提高，例如实施例3、5、8、9和对比例3。
比较实施例1与对比例1，二者的区别在于对比例1未添加碳纳米管，对比例1强度低于实施例1，脱锌腐蚀深度相近，摩擦磨损失重相近，但导电率低于实施例1，则说明碳纳米管具有一定的增强和提高导电率的作用，这是由于碳纳米管在基体内形成了三维纤维网格，可提高强度，连接石墨烯片层，形成散热网络所致。
比较实施例1与对比例2，二者的区别在于对比例2未添加石墨烯，对比例2的强度下降幅度较大，脱锌腐蚀层深度加大，摩擦磨损失重增多，导电率下降较多。石墨烯本身强度大，增强作用较为明显，如果不添加石墨烯，仅添加碳纳米管，合金强度增大幅度有限。石墨烯片层会形成腐蚀阻挡层，阻碍脱锌腐蚀，如果不添加石墨烯，则脱锌腐蚀深度大幅度增大。石墨烯自身导电率高，不添加石墨烯，仅添加碳纳米管无法提高合金导电率。石墨烯耐磨，且具有润滑作用，不添加石墨烯，仅添加碳纳米管，其摩擦磨损失重较多。
比较实施例1和对比例3，二者的区别在于对比例3另外添加了石墨，石墨是片层结构，层片之间易滑动，强度低，添加了石墨后，对比例3的切削性能显著高于实施例1。
Claims (6)
1.一种铜基复合材料，其特征在于，包含以下质量百分比含量的各组分：
铜55～69％，
锌30～44％，
钛0.01～5wt％，
石墨烯0.01～10wt％，
还包括重量百分比含量为0.01％～5％的碳纳米管和石墨中的一种或两种组分，
其余为不可避免的杂质；
所述铜基复合材料是通过包括以下步骤的方法制备而得：
A、混合粉体：根据合金成分，预制铜锌粉末和铜钛合金粉末；按所述重量百分比含量，将所述铜锌粉末、铜钛合金粉末、石墨烯粉，以及碳纳米管粉和/或石墨粉混合均匀；
B、粉末成形：步骤A得到的混合粉体经泄料漏斗出口流入旋轮表面凹槽，旋轮绕轴线转动，把混合粉体带入弧形模座、旋轮和堵头所围成的空间，在旋轮摩擦力作用下，把混合粉体推入挤压模腔，在模腔内被压实，并从模具出口挤出成型。
2.如权利要求1所述的铜基复合材料，其特征在于，所述铜锌粉末和铜钛合金粉末的粉末粒度小于700微米；所述石墨烯粉的片层直径小于300微米。
3.如权利要求1所述的铜基复合材料，其特征在于，步骤B中，所述旋轮的最高预热温度小于等于500℃。
4.如权利要求3所述的铜基复合材料，其特征在于，所述铜基复合材料中石墨烯含量低于0.1wt％时，旋轮不需要预热。
5.一种如权利要求1所述的铜基复合材料的粉末旋轮挤压成形装置，其特征在于，所述装置包括泄料漏斗、旋轮、弧形模座、堵头、电磁感应加热器和挤压模具；所述旋轮的外圆表面设周向凹槽，粉末经泄料漏斗出口流入旋轮表面周向凹槽；所述旋轮表面上方设有电磁感应加热器；所述旋轮绕轴线转动，把粉体带入由弧形模座、旋轮和堵头所围成的空间；挤压模具安装在弧形模座右侧，粉体流动到堵头后，受其阻碍不能继续沿旋轮切向流动，进入挤压模具挤压成型。
6.如权利要求5所述的粉末旋轮挤压成形装置，其特征在于，所述挤压模具由进料通道、挤压腔室组成，所述挤压腔室内沿挤压方向依次设有扩展带、定径带；粉体流动到堵头后，受阻而通过进料通道进入挤压腔室，并从扩展带和定径带被挤出。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810794093.8A CN108893647B (zh) | 2018-07-18 | 2018-07-18 | 一种高强耐蚀耐磨的铜基复合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810794093.8A CN108893647B (zh) | 2018-07-18 | 2018-07-18 | 一种高强耐蚀耐磨的铜基复合材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108893647A CN108893647A (zh) | 2018-11-27 |
| CN108893647B true CN108893647B (zh) | 2020-09-01 |
Family
ID=64350937
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810794093.8A Active CN108893647B (zh) | 2018-07-18 | 2018-07-18 | 一种高强耐蚀耐磨的铜基复合材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108893647B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109004380A (zh) * | 2018-07-18 | 2018-12-14 | 上海电机学院 | 一种动车组轴端接地装置用碳刷材料及其制备方法 |
| CN109487118A (zh) * | 2018-12-30 | 2019-03-19 | 镇江汇通金属成型有限公司 | 一种平板浇铸模具的加工工艺 |
| CN110499436A (zh) * | 2019-08-22 | 2019-11-26 | 西安理工大学 | 一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜及其制备方法 |
| CN111530960B (zh) * | 2020-05-21 | 2021-09-14 | 绵阳铜鑫铜业有限公司 | 一种废铜颗粒挤压的变形靴 |
| CN114346241B (zh) * | 2022-01-12 | 2023-10-20 | 哈尔滨工业大学 | 一种形变驱动挤压制备复合丝材或棒材的装置及方法 |
| CN116516268A (zh) * | 2023-04-14 | 2023-08-01 | 常熟市普华电工材料有限公司 | 一种合金铜丝退火工艺 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5811756A (ja) * | 1981-07-14 | 1983-01-22 | Sumitomo Metal Mining Co Ltd | 耐応力腐食割れ性に優れた黄銅 |
| CN1962023A (zh) * | 2006-10-24 | 2007-05-16 | 上海芬迪超硬材料科技有限公司 | 一种特殊功能合金过滤材料及其制备工艺 |
| CN102560190B (zh) * | 2012-01-30 | 2013-09-18 | 九星控股集团有限公司 | 一种高锌无铅黄铜合金及制备方法 |
| JP5507635B2 (ja) * | 2012-09-05 | 2014-05-28 | Ｄｏｗａメタルテック株式会社 | 銅合金板材およびその製造方法 |
| CN105369166B (zh) * | 2015-12-09 | 2017-11-14 | 北京工业大学 | 金属基碳纳米管增强复合材料的制备方法 |
| CN105648264B (zh) * | 2016-01-13 | 2017-07-28 | 盐城工学院 | 高导电高耐磨石墨烯/铜基复合材料及其制备方法 |
| CN106270497B (zh) * | 2016-08-10 | 2018-06-26 | 安徽省宁国天成电工有限公司 | 一种高导热合金-石墨烯复合材料的制备方法 |
| CN106435256B (zh) * | 2016-10-14 | 2018-02-13 | 西安理工大学 | 一种易切削无铅石墨黄铜及其制备方法 |
| CN107971497B (zh) * | 2017-11-20 | 2019-12-31 | 上海乔辉新材料科技有限公司 | 一种金属复合微粉连续挤出成型的方法 |
| CN107988520A (zh) * | 2017-12-15 | 2018-05-04 | 周华生 | 一种铜锌合金生产方法 |
-
2018
- 2018-07-18 CN CN201810794093.8A patent/CN108893647B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108893647A (zh) | 2018-11-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108893647B (zh) | 一种高强耐蚀耐磨的铜基复合材料 | |
| CN101121974B (zh) | 一种高强高导弥散强化铜合金及其制备方法 | |
| CN101249526B (zh) | 一种铜包铝线成形工艺 | |
| Zhang et al. | Multiscale graphene/carbon fiber reinforced copper matrix hybrid composites: Microstructure and properties | |
| CN102418003B (zh) | 一种镍铬硅青铜合金的加工工艺方法 | |
| CN102649328B (zh) | 高强度耐腐蚀高导热性金属丝网增强导热塑料 | |
| CN104532051B (zh) | 一种纳米颗粒搅拌法制备弥散强化铜及其制备方法 | |
| CN108057732B (zh) | 一种弥散强化铜与无氧铜复合棒材的制备方法 | |
| CN100552070C (zh) | 一种无铅易切削镁黄铜合金及其制备方法 | |
| CN106011517A (zh) | 高强高导铜合金及其作为时速400公里以上高速铁路接触线材料的应用 | |
| CN111485129B (zh) | 一种TiC/Ti5Si3增强铜基复合材料及其制备方法 | |
| Zhou et al. | Factors controlling the tensile properties of ultrafine structured Cu–5vol% Al2O3 nanocomposite prepared by high energy mechanical milling and powder compact extrusion | |
| CN103320642A (zh) | 铁路电气化用铜银合金接触导线的制备方法 | |
| CN109694970A (zh) | 铝系复合材料、使用该铝系复合材料的电线以及铝系复合材料的制造方法 | |
| CN100523236C (zh) | 特种铜合金及其制备方法 | |
| CN106917008A (zh) | 铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金及其制备方法和应用 | |
| CN100506437C (zh) | 片状银粉的制备方法 | |
| CN105972331B (zh) | 高韧性铝塑复合管 | |
| CN102650355A (zh) | 高强度高导热性金属丝网增强导热塑料管材 | |
| CN113421690A (zh) | 一种铜锡合金接触线及其制备方法 | |
| CN102560184A (zh) | 无铅易切削高导电率的钙铜材料 | |
| CN202782035U (zh) | 一种高强度耐腐蚀高导热性金属丝网增强导热塑料 | |
| CN1261602C (zh) | 一种Cu－C电刷材料及其制造工艺 | |
| CN103361525B (zh) | 铝合金及其线材 | |
| CN109215826B (zh) | 一种高强度铝导线及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240712 Address after: Room 264, Zone B, 1st Floor, Building 1, No. 58 Dijie Road, Baoshan District, Shanghai, 2019 Patentee after: SHANGHAI QIHAI ANTI-CORROSION ENGINEERING TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 200240 No. 690, Jiangchuan Road, Shanghai, Minhang District Patentee before: SHANGHAI DIANJI University Country or region before: China |