CN109136630A - 一种耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料，原料包括Sn、Pb、Cr、C、TiB2和铜。本发明还提供了上述复合材料的制备方法。本发明的耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料中，石墨采用镀铜石墨粉添加，由于石墨表面的铜层可以降低其与铜合金粉之间的界面能和密度差，使其在复合材料中的分布更加均匀。制备方法中，通过感应快速加热来实现加热，然后进行均温，不仅缩短了加热时间，节省了能耗，还可以实现均温加热，避免了普通感应加热时间长导致的集肤效应和包套破损，同时避免了因粉末导热性能差而不能实现横断面均温的问题。

Description

一种耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铜基复合材料技术领域，具体涉及一种耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
高速轨道交通系统包括：高铁、城轨、地下铁等，为全电力驱动体系，最高时速可达385km/h以上，具有不可取代的优越性，同时轨道列车对其关键部件，如车体与网线接触用的受电弓滑块和车体与轨道接触用的链接滑块的性能，如导电、高耐磨和耐冲击等提出了更高的要求。目前我国实际应用的滑块材料大多采用进口产品。
CN101345143公开了一种高强度、高导电、高导热、耐氧化、抗熔焊、耐电弧烧损和电寿命长，且具有自润滑能力的Cu/Ti3SiC2电接触材料及其制备工艺，该Cu/Ti3SiC2电接触材料是由纯铜粉或铜合金粉与重量百分比为0.01～80.0％的Ti3SiC2粉末，通过粉末冶金工艺方法制备得到的，该发明的电接触材料，兼具金属和陶瓷的优良性能，不但强度高，而且具备良好的导电性、导热性、抗熔焊、耐电弧烧蚀、耐腐蚀、抗热震、抗氧化尤其高温抗氧化性等优良特性，可广泛应用于电接触材料，如高低压电器用触头材料、电刷、受电弓滑板等。然而，该材料在高速高温下，Ti3SiC2容易分解成硬质杂质TiC以及Ti3SiC2高温聚集体，会对磨损性能有极大影响，而且采用传统的粉末冶金工艺，一是工艺流程长，生产成本高；二是很难制备出全致密化的材料，很难在性能上有较大突破。CN107916466A公开了一种碳纤维材料及制备方法和应用，采用沥青基碳纤维原丝为原料，将原料进行氧化处理和碳化处理，得到碳纤维材料。该发明制备工艺简单，制备出的碳纤维材料具有低摩擦系数、高耐磨性和高导电性特性，该发明采用沥青基碳纤维原丝制备出的碳纤维材料来制备受电弓滑块，相当于直接跳过碳粉压制工艺而直接采用沥青基碳纤维原丝制备受电弓滑块，虽然制作出的受电弓滑块使用寿命长，安全性能高，可靠性高，然而，该方法制备的受电弓膜材系数小，强度高，工艺流程长，价格昂贵，且在使用过程中，受到电冲击后，由于没有灭弧的元素，因此其耐电烧蚀的性能差。CN107021772A公开了一种碳纤维增强受电弓碳滑板的制造方法，步骤包括称取原料、制备石墨沥青混捏物和热压等，该发明的碳纤维增强受电弓碳滑板导电性、抗磨损性和自润滑性等综合性能优异，但制备工艺复杂，流程长，且同样存在耐电烧蚀性能差的问题。
综上，现有技术中耐电烧蚀材料仍然存在性能批次稳定性差、工艺流程长的问题。
发明内容
为解决现有技术中，耐电烧蚀材料仍然存在性能批次稳定性差、工艺流程长的问题，本发明的目的之一是提供一种耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料。
本发明的目的之二是提供上述复合材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料，包括以下质量百分比计的组分：
Sn5～20％，
Pb1～15％，
Cr1～15％，
C1～10％，
TiB20.1～5％，
余量为铜。
优选地，包括以下质量百分比计的组分：
Sn7～12％，
Pb2～7％，
Cr2～7％，
C1.5～4.5％，
TiB20.1～0.5％，
余量为铜。
上述耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料的制备方法，步骤包括：
(1)按配比称取Sn块、Cr块、Cu块、Pb粉、碳粉和TiB2，制备Cu-Sn合金粉末和Cu-Cr合金粉末，其中将块状Sn和块状Cr分别与块状Cu熔炼后，采用雾化法制备Cu-Sn合金粉末和Cu-Cr合金粉末，Cu-Sn合金熔炼温度为1220～1250℃，Cu-Cr合金熔炼温度为1320～1360℃，熔炼时间为30-40min，送气压力0.3～0.5Mpa，气体为高纯氩气；
(2)将步骤(1)制备的Cu-Sn合金粉末、Cu-Cr合金粉末与Pb粉、碳粉和TiB2混匀后进行冷等静压包套，得到包套坯锭；
(3)对步骤(2)的包套坯锭进行加热、均温和水封挤压热挤压。
优选地，步骤(1)所述Cu-Sn合金粉末中Cu和Sn的质量比为(5：92)～(4：7)；Cu-Cr合金粉末中Cu和Cr的质量比为1：(35～90)。
优选地，所述碳粉为镀铜碳粉。
进一步优选地，所述镀铜碳粉的制备步骤包括：
(s1)碳粉的预处理(处理量为25～50g/L)，具体为：
亲水化处理：将碳粉放置在浓度为10～15wt.％，温度为80～100℃的NaOH溶液中搅拌10～20min进行，过滤，干燥；
粗化处理：将上诉碳粉放置在10～15wt.％，温度为80～100℃的硝酸溶液搅拌10～20min进行，过滤，清洗，干燥；
敏化处理：将上诉碳粉放置敏化液(敏化液成分：氯化亚锡20g/L，盐酸20ml/L)在25～35℃中搅拌10～20min进行，过滤，清洗，干燥；
活化处理：将上诉碳粉放置活化液(活化液成分：AgNO3 0.4～0.5g/L)在25～35℃中搅拌10～20min进行，过滤，清洗，干燥。
(s2)碳粉镀铜(处理量为5～10g/L)，具体为：
镀液成分：CuSO410～30g/L，络合剂为EDTA或酒石酸钠钾，其浓度15～30g/L，2,2-联吡啶为稳定剂，浓度为50～100mg/L，镀液PH值控制范围为11～13，温度控制在40～50℃。甲醛为还原剂。施镀时，先称取所需石墨粉加入溶液中，充分搅拌，再用移液管将甲醛溶液以1～2ml/min的速度滴入镀液中至镀液呈无色透明状态，最后将镀铜碳粉从镀液中过滤，清洗，干燥即可。
上述步骤中清洗环节为采用去离子水冲洗至粉末pH值为6～8即可，干燥环节则在温度为35～40℃的真空干燥箱中干燥30min。所有溶液采用去离子水配置。
优选地，步骤(2)所述冷等静压的压力为200～300MPa，保压时间为30～60min。
优选地，所述包套的材料为紫铜带。
优选地，步骤(3)所述加热为感应加热，所述感应加热的时间为30～60min。
优选地，步骤(3)所述均温的时间为2～4h，所述均温的温度范围是700～720℃。
优选地，步骤(3)所述水封挤压热挤压的温度为700～800℃，挤压比为8:1-15:1。
本发明的有益效果
1、本发明的耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料中，Sn、Pb和C为减磨组元，Cr为强化和灭弧组元，TiB2为强化和抗电烧蚀组元，能够有效的实现减磨和耐电烧蚀的性能；
2、本发明的耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料中，石墨采用镀铜石墨粉添加，由于石墨表面的铜层可以降低其与铜合金粉之间的界面能和密度差，使其在复合材料中的分布更加均匀；
3、制备方法中，通过感应快速加热来实现加热，然后进行均温，不仅缩短了加热时间，节省了能耗，还可以实现均温加热，避免了普通感应加热时间长导致的集肤效应和包套破损，同时避免了因粉末导热性能差而不能实现横断面均温的问题；
4、采用本发明所提供的方法，可制备出大规格的产品，且可实现全致密化和组织均匀化，进而实现性能均匀化，批次稳定性大幅提高，适合工业化生产；
5、本发明的制备方法，克服了现有粉末冶金制备技术的存在工艺流程长，性能批次稳定性差等问题。
附图说明
图1是检测例1制备得到的复合材料A的组织结构图。
图2是检测例2制备得到的复合材料B的组织结构图。
图3是检测例3制备得到的复合材料C的组织结构图。
图4是检测例4制备得到的复合材料D的组织结构图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料，包括以下质量百分比计的组分：
Sn8％，Pb5％，Cr4％，C2.0％，TiB20.2％，铜80.8。
实施例2
耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料，包括以下质量百分比计的组分：
Sn10％，Pb5％，Cr3％，C1.5％，TiB20.3％，铜80.2。
实施例3
耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料，包括以下质量百分比计的组分：
Sn7％，Pb3％，Cr5％，C3.5％，TiB20.3％，铜91.2。
实施例4
本例提供了耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料的制备方法，步骤包括：
(1)按配比称取Sn块、Cr块、Cu块、Pb粉、碳粉和TiB2，制备Cu-Sn合金粉末和Cu-Cr合金粉末；
(2)将步骤(1)制备的Cu-Sn合金粉末、Cu-Cr合金粉末与Pb粉、碳粉和TiB2混匀后进行冷等静压包套，得到包套坯锭；
(3)对步骤(2)的包套坯锭进行加热、均温和水封挤压热挤压。
步骤(1)所述Cu-Sn合金粉末中Cu和Sn的质量比为(5：92)～(4：7)；Cu-Cr合金粉末中Cu和Cr的质量比为1：(35～90),所述碳粉为镀铜碳粉。
步骤(2)所述冷等静压的压力为200～300MPa，保压时间为30～60min,包套的材料为紫铜带。
步骤(3)所述加热为感应加热，所述感应加热的时间为30～60min，所述均温的时间为2～4h，所述均温的温度范围是700～720℃，所述水封挤压热挤压的温度为700～800℃，挤压比为8:1-15:1。
检测例1
采用实施例1的组分配比及实施例4提供的制备方法，制备得到耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料A，具体制备条件为：感应加热40min，然后放入720℃电阻炉中均温3小时，水封挤压热挤压，挤压比10:1。观察复合材料A的组织结构如图1所示。其中呈黑色区域为碳粉，浅色区域为铜合金基体，由图可见基体与碳粉之间结合紧密，界面无明显孔隙。在铜基体中均匀分布的白色颗粒为Pb粉，这是因为Pb在铜中固溶度极低，因此以单质颗粒存在。测试复合材料A的抗弯强度、布氏硬度和导电率。
检测例2
采用实施例2的组分配比及实施例4提供的制备方法，制备得到耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料B，具体制备条件为：感应加热40min，然后放入720℃电阻炉中均温3小时，水封挤压热挤压，挤压比15:1。观察复合材料B的组织结构如图2所示。由图2可见碳粉在铜合金基体中呈均匀分布。测试复合材料B的抗弯强度、布氏硬度和导电率。
检测例3
采用实施例3的组分配比及实施例4提供的制备方法，制备得到耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料C，具体制备条件为：感应加热40min，然后放入720℃电阻炉中均温3小时，水封挤压热挤压，挤压比8:1。观察复合材料C的组织结构如图3所示。由图3可见碳粉由于质量分数的增加，出现了局部的聚集，但依旧呈均匀分布状态。测试复合材料C的抗弯强度、布氏硬度和导电率。
检测例4
采用实施例3的组分配比，在混料和冷等静压后直接烧结，未经过热挤压处理得到复合材料D。观察复合材料D的组织结构如图4所示。由图可见由于缺少热挤压处理，材料致密度较低，在铜合金基体中以及与碳粉的接触界面都分布着明显的孔洞结构(图中圆圈标识之处)。测试复合材料D的抗弯强度、布氏硬度和导电率。
检测例1～4的结果如表1所示。
表1检测例1～4的结果
本发明的耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料中，Sn、Pb和C为减磨组元，Cr为强化和灭弧组元，TiB2为强化和抗电烧蚀组元，能够有效的实现减磨和耐电烧蚀的性能。本发明的耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料中，石墨采用镀铜石墨粉添加，由于石墨表面的铜层可以降低其与铜合金粉之间的界面能和密度差，使其在复合材料中的分布更加均匀。
制备方法中，通过感应快速加热来实现加热，然后进行均温，不仅缩短了加热时间，节省了能耗，还可以实现均温加热，避免了普通感应加热时间长导致的集肤效应和包套破损，同时避免了因粉末导热性能差而不能实现横断面均温的问题。采用本发明所提供的方法，可制备出大规格的产品，且可实现全致密化和组织均匀化，进而实现性能均匀化，批次稳定性大幅提高，适合工业化生产，本发明的制备方法，还克服了现有粉末冶金制备技术的存在工艺流程长，性能批次稳定性差等问题。

Claims (10)

1.一种耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料，其特征在于，包括以下质量百分比计的组分：
Sn5～20％，
Pb1～15％，
Cr1～15％，
C1～10％，
TiB20.1～5％，
余量为铜。
2.根据权利要求1所述耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料，其特征在于，包括以下质量百分比计的组分：
Sn7～12％，
Pb2～7％，
Cr2～7％，
C1.5～4.5％，
TiB20.1～0.5％，
余量为铜。
3.根据权利要求1或2任一项所述耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：
(1)按配比称取Sn块、Cr块、Cu块、Pb粉、碳粉和TiB2，制备Cu-Sn合金粉末和Cu-Cr合金粉末；
(2)将步骤(1)制备的Cu-Sn合金粉末、Cu-Cr合金粉末与Pb粉、碳粉和TiB2混匀后进行冷等静压包套，得到包套坯锭；
(3)对步骤(2)的包套坯锭进行加热、均温和水封挤压热挤压。
4.根据权利要求3所述耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述Cu-Sn合金粉末中Cu和Sn的质量比为(5：92)～(4：7)；Cu-Cr合金粉末中Cu和Cr的质量比为1：(35～90)。
5.根据权利要求3所述耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳粉为镀铜碳粉。
6.根据权利要求3所述耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述冷等静压的压力为200～300MPa，保压时间为30～60min。
7.根据权利要求3所述耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述包套的材料为紫铜带。
8.根据权利要求3所述耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述加热为感应加热，所述感应加热的时间为30～60min。
9.根据权利要求3所述耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述均温的时间为2～4h，所述均温的温度范围是700～720℃。
10.根据权利要求3所述耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述水封挤压热挤压的温度为700～800℃，挤压比为8:1-15:1。
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