CN109594073A - 用CuMnCo制备铜合金表面耐磨涂层及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用CuMnCo制备铜合金表面耐磨涂层，按质量分数包括如下原料：CuMnCo粉32~65%、WC‑10Ni粉30~65%及有机硅树脂粘结剂3~5%。本发明的涂层为柔性纤维状的技术材料，不仅成分均匀致密，且涂层中的金属纤维形成了一个纵横交错的立体蛛网式结构；其与基体材料复合，不仅匹配性优、熔点、润滑性、填缝能够佳，且成型效果优，结合强度高，能够有效提高基体材料表面的耐磨性和硬度；同时金属布能够裁剪成各种形状，适应基体的能力强，涂层和基体间的空间位置能够良好把控；此外，该涂层的制备方法简便，安全环保。

Description

用CuMnCo制备铜合金表面耐磨涂层及制备方法

技术领域

本发明涉及用CuMnCo制备铜合金表面耐磨涂层及制备方法，属于复合材料领域。

背景技术

铜是人类最早发现并开始实用化的金属材料之一，因其具有良好的导电、导热性和延展性而在工业领域被广泛应用。目前它已成为电力电子、机械制造、国防军事及航空航天等各领域不可或缺的材料，是与人类生活关系非常密切的有色金属。然而，铜的缺点是硬度较低，屈服强度和抗蠕变性能也较差，高温下易软化变形。若在苛刻的工况条件下直接使用，铜合金部件因其较差的耐磨性和抗氧化性，使用寿命就会严重缩减，这就限制了它的应用范围。因此，如何设计和制备综合性能优良的铜基材料，在保证其良好导电、导热性能的同时尽可能提高它的强度和耐磨性，一直是材料学界科技人员关注的热点和研究的重点。

过去人们主要利用合金化回和复合化的方法增强铜基体，主要的强化手段包括固溶强化、细晶强化、沉淀强化、颗粒强化以及纤维强化等。但是，通过这些方法获得的铜合金或铜基复合材料强度和导电性能有限，无法同时满足高强、高导的性能要求。而且，这些方法虽然能使铜的整体性能有所提高，但是对于很多精密零部件来说，工作区只是其表面，这就导致有效的增强体未能集中改善工作面的性能，反而额外地改变了整个基体的组织与结构。正是由于材料本体与其表面工作环境的差异，导致在改善材料性能时无法适用传统材料设计中的整体均匀性原则，这就需要对材料的工作面进行特殊处理，在保持材料整体性能基本不变的前提下改善其表面的使用性能。采取表面防护措施可以控制并延缓铜基材表面的破坏，达到提高材料使用寿命的目的。

在表面工程的诸多分支中，电镀、热扩渗和热喷涂等技术均在改善铜及其合金表面的工作性能方面得到大量应用。不过，这几种传统的表面涂层技术均存在一些弊端：电镀消耗大量电力，污染严重，不符合环保要求；热扩渗所用渗炉对工件尺寸有严格限制；热喷凃涂层与基体之间的界面未实现完全的治金结合，界面结合强度有限，涂层就会有发生脱落的可能。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用CuMnCo制备铜合金表面耐磨涂层及制备方法，金属布能够裁剪成各种形状，适应基体的能力强，涂层和基体间的空间位置能够良好把控，而且该涂层的制备方法简便，安全环保。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的用CuMnCo制备铜合金表面耐磨涂层，按质量分数包括如下原料：CuMnCo粉32～65％、WC-10Ni粉30～65％及有机硅树脂粘结剂3～5％。本发明通过将WC-10Ni粉和CuMnCo粉进行复配，从而制备的涂层不仅成分均匀致密，且涂层中的金属纤维形成了一个纵横交错的立体蛛网式结构，进而能够有效改善铜合金基体表面的耐磨性和硬度，增强了涂层与基体的结合强度。其中，WC-10Ni粉的添加提高了提成的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性能；CuMnCo粉的加入协同WC-10Ni粉，提高了涂层的流动性、厚度、结构等综合性能。

作为优选，所述WC-10Ni粉由10～15目和30～45目的WC-10Ni粉组合而成，两者的质量比为0.3～0.5:1。采用两种不同目数的WC-10Ni粉，进而较小的WC-10Ni颗粒能够填充到较大的WC-10Ni颗粒与较大的WC-10Ni颗粒的间隙之中，保证了涂层的致密度。

作为优选，所述有机硅树脂粘结剂包括如下原料：聚四氟乙烯48-50％、间苯二酚20-22％、二乙氨基丙胺5-8％、顺丁烯二酸酐10-14％、聚碳酸酯8-15％。本发明采用上述原料复配而成的有机硅树脂粘结剂，从而能够在轧辊的反复碾压作用下呈现出棉絮状，当轧机轧辊碾压时，颗粒受到的正压力对粘结剂产生挤压作用，经多次挤压粘结剂逐渐形成纤维状，成为一种纵横交错的立体蛛网式结构，而WC-10Ni粉、CuMnCo粉被镶嵌或包裹在其中，从而分散的粉末材料联结成整体，形成涂层金属布。

一种上述的用CuMnCo制备铜合金表面耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将WC-10Ni粉、CuMnCo粉混合后，加入有机硅树脂粘结剂混匀，随后多次调整轧棍与工作台间的间隙进行反复轧制，制得金属布；

(2)将轧制的金属布紧贴于预处理后的铜合金表面，先在300～350℃条件下保温反应30～40min后，随后在940～1030℃条件下进行真空钎焊反应10～40min，最后冷却至700～800℃，保温10～30min后冷却至室温，即可制得铜合金表面耐磨涂层。

作为优选，所述步骤(1)中轧制时调整轧棍与工作台间的初始间隙为3～5mm，随后依次调整至2～3.0mm及0.5～2.0mm，每种间隙轧制15～30min。

本发明通过将WC-10Ni粉、CuMnCo粉及有机硅树脂粘结剂进行复配制备成金属布，并结合真空钎焊工艺将该金属布复合于铜合金基体材料表面，先升温达到300～350℃，使得有机硅树脂粘结剂分解挥发，在940～1030℃条件下钎焊，钎料熔化为液态，液态的钎料在铜合金表面润湿铺展并与母材相互作用，最终冷却凝固后在铜合金表面形成良好的涂层。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该涂层为柔性纤维状的技术材料，不仅成分均匀致密，且涂层中的金属纤维形成了一个纵横交错的立体蛛网式结构；其与基体材料复合，不仅匹配性优、熔点、润滑性、填缝能够佳，且成型效果优，结合强度高，能够有效提高基体材料表面的耐磨性和硬度；同时金属布能够裁剪成各种形状，适应基体的能力强，涂层和基体间的空间位置能够良好把控；此外，该涂层的制备方法简便，安全环保。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明所采用的原料均可从市场上购买得到。

本发明的有机硅树脂粘结剂的制备方法是将其所包含的原料混合即可。本发明的轧制在室温条件下进行。

实施例1

涂层原料包括如下原料：32％WC-10Ni粉末、65％CuMnCo粉末和3％有机硅树脂粘结剂。其中，CuMnCo粉中Co的质量分数可为11％，Mn的质量分数可为31％，余量为Cu。有机硅树脂粘结剂包括如下原料：聚四氟乙烯48％、间苯二酚22％、二乙氨基丙胺8％、顺丁烯二酸酐14％、聚碳酸酯8％。

涂层的制备方法包括如下步骤：

(1)按质量百分比称取WC-10Ni粉末、CuMnCo粉末，并将其混合；

(2)将混合物装入自动搅拌设备器皿中，并加入有机硅树脂粘结剂，随后将器皿封闭，搅拌得均匀的混合体；

(3)将步骤(2)制得的混合金属粉末颗粒在自动轧辊设备进行轧制，首先初步调整轧辊与工作台距离，控制粘接布的厚度在3.0～5.0mm左右，进行初步轧辊30min成型；

(4)对粘接布再一次进行轧辊，再次调节轧辊与工作台之间的间距，控制高度为2.0～3.0mm，进行2～3次重复轧辊30min，对金属颗粒表面及金属颗粒之间的粘接剂产生挤压作用，粘接剂在挤压作用下形成纤维状；

(5)将轧辊与工作台之间的间距调节到所需“金属布”的厚度范围(厚度为0.5～2.0mm)，对其正反两面进行5～6次重复轧辊30min，金属纤维形成一个纵横交错的立体蛛网式结构，金属颗粒镶嵌或包裹在粘接剂中，使分散的合金金属粉形成一个相互联系的整体，纤维状各个区间的金属颗粒均匀分布，轧辊形成柔性金属布。

该铜合金表面耐磨涂层的制备方法包括如下步骤：

(1)准备阶段：剪切20×10×0.5mm的金属布，并准备50×30×3mm的黄铜基体。钎焊设备采用WZB-20真空钎焊炉，焊前，用砂纸研磨黄铜表面，用酒精清洗后放入超声波清洗器中，加入丙酮，清洗15min，随后用清洁布擦拭干净并常温干燥；将裁剪好的“金属布”材料紧贴于清洗后的黄铜表面上；

(2)钎焊连接：将装备好的试样整体平放于真空钎焊炉中，焊前设置炉子的真空度为1.0×10^-4Pa的真空钎焊设备中，首先以10℃/min的速率升温至350℃，保温30min，再以10℃/min的速率升温钎焊温度940℃，保温45min，再以6℃/min的速率冷却至700℃，保温10min，最后随炉冷却至室温，取出被焊试样，即可制得该耐磨涂层。

性能检测：有机硅树脂粘结剂在反复碾压后呈现出白色的棉絮状，这一条一条棉絮连起来整体形成一种纵横交错的立体蛛网式结构，表面圆滑、大小不一的球形颗粒便为WC-10Ni粉末及CuMnCo粉末，这两种粉末被蛛网式的结构镶嵌或包裹在其中，从而将原本分散的粉末材料联结成整体，形成涂层金属布。此外，通过观察可知，黄铜表面涂层成型佳，形成致密的界面结合，并对涂层材料表面进行多点测试可知，其硬度为399HRC，结合强度为149MPa。

实施例2

涂层原料包括如下原料：65％WC-10Ni粉末、30％CuMnCo粉末和5％有机硅树脂粘结剂。其中，CuMnCo粉中Co的质量分数可为11％，Mn的质量分数可为31％，余量为Cu。有机硅树脂粘结剂包括如下原料：聚四氟乙烯50％、间苯二酚20％、二乙氨基丙胺5％、顺丁烯二酸酐10％、聚碳酸酯15％。涂层的制备方法包括如下步骤：

(1)按质量百分比称取WC-10Ni粉末、CuMnCo粉末，并将其混合；

(2)将混合物装入自动搅拌设备器皿中，并加入有机硅树脂粘结剂，随后将器皿封闭，搅拌得均匀的混合体；

(3)将步骤(2)制得的混合金属粉末颗粒在自动轧辊设备进行轧制，首先初步调整轧辊与工作台距离，控制粘接布的厚度在3.0～5.0mm左右，进行初步轧辊30min成型；

(4)对粘接布再一次进行轧辊，再次调节轧辊与工作台之间的间距，控制高度为2.0～3.0mm，进行2～3次重复轧辊30min，对金属颗粒表面及金属颗粒之间的粘接剂产生挤压作用，粘接剂在挤压作用下形成纤维状；

(5)将轧辊与工作台之间的间距调节到所需“金属布”的厚度范围(厚度为0.5～2.0mm)，对其正反两面进行5～6次重复轧辊30min，金属纤维形成一个纵横交错的立体蛛网式结构，金属颗粒镶嵌或包裹在粘接剂中，使分散的合金金属粉形成一个相互联系的整体，纤维状各个区间的金属颗粒均匀分布，轧辊形成柔性金属布。

该铜合金表面耐磨涂层的制备方法包括如下步骤：

(1)准备阶段：剪切20×10×0.5mm的金属布，并准备50×30×3mm的黄铜基体。钎焊设备采用WZB-20真空钎焊炉，焊前，用砂纸研磨黄铜表面，用酒精清洗后放入超声波清洗器中，加入丙酮，清洗15min，随后用清洁布擦拭干净并常温干燥；将裁剪好的“金属布”材料紧贴于清洗后的黄铜表面上；

(2)钎焊连接：将装备好的试样整体平放于真空钎焊炉中，焊前设置炉子的真空度为1.0×10-4Pa的真空钎焊设备中，首先以10℃/min的速率升温至300℃，保温40min，再以10℃/min的速率升温钎焊温度1030℃，保温10min，再以6℃/min的速率冷却至800℃，保温40min，最后随炉冷却至室温，取出被焊试样，即可制得该耐磨涂层。

性能检测：通过观察可知，黄铜表面涂层成型佳，形成致密的界面结合，并对涂层材料表面进行多点测试可知，其硬度为431HRC，结合强度为140MPa。

实施例3

涂层原料包括如下原料：48％WC-10Ni粉末、48％CuMnCo粉末和4％有机硅树脂粘结剂。其中，CuMnCo粉中Co的质量分数可为11％，Mn的质量分数可为31％，余量为Cu。有机硅树脂粘结剂包括如下原料：聚四氟乙烯49％、间苯二酚21％、二乙氨基丙胺8％、顺丁烯二酸酐12％、聚碳酸酯10％。

涂层的制备方法包括如下步骤：

(1)按质量百分比称取WC-10Ni粉末、CuMnCo粉末，并将其混合；

(2)将混合物装入自动搅拌设备器皿中，并加入有机硅树脂粘结剂，随后将器皿封闭，搅拌得均匀的混合体；

(3)将步骤(2)制得的混合金属粉末颗粒在自动轧辊设备进行轧制，首先初步调整轧辊与工作台距离，控制粘接布的厚度在3.0～5.0mm左右，进行初步轧辊30min成型；

(4)对粘接布再一次进行轧辊，再次调节轧辊与工作台之间的间距，控制高度为2.0～3.0mm，进行2～3次重复轧辊30min，对金属颗粒表面及金属颗粒之间的粘接剂产生挤压作用，粘接剂在挤压作用下形成纤维状；

(5)将轧辊与工作台之间的间距调节到所需“金属布”的厚度范围(厚度为0.5～2.0mm)，对其正反两面进行5～6次重复轧辊30min，金属纤维形成一个纵横交错的立体蛛网式结构，金属颗粒镶嵌或包裹在粘接剂中，使分散的合金金属粉形成一个相互联系的整体，纤维状各个区间的金属颗粒均匀分布，轧辊形成柔性金属布。

该铜合金表面耐磨涂层的制备方法包括如下步骤：

(1)准备阶段：剪切20×10×0.5mm的金属布，并准备50×30×3mm的黄铜基体。钎焊设备采用WZB-20真空钎焊炉，焊前，用砂纸研磨黄铜表面，用酒精清洗后放入超声波清洗器中，加入丙酮，清洗15min，随后用清洁布擦拭干净并常温干燥；将裁剪好的“金属布”材料紧贴于清洗后的黄铜表面上；

(2)钎焊连接：将装备好的试样整体平放于真空钎焊炉中，焊前设置炉子的真空度为1.0×10^-4Pa的真空钎焊设备中，首先以10℃/min的速率升温至330℃，保温35min，再以10℃/min的速率升温钎焊温度980℃，保温30min，再以6℃/min的速率冷却至750℃，保温20min，最后随炉冷却至室温，取出被焊试样，即可制得该耐磨涂层。

性能检测：通过观察可知，黄铜表面涂层成型佳，形成致密的界面结合，并对涂层材料表面进行多点测试可知，其硬度为420HRC，结合强度为145MPa。

对比例1

基本步骤与实施例1相同，不同之处在于原料中不加入WC-10Ni粉末。具体如下：

涂层原料包括如下原料：98％CuMnCo粉末和2％有机硅树脂粘结剂。其中，有机硅树脂粘结剂与实施例1相同，CuMnCo粉末中各元素的质量分数与实施例1相同。

涂层的制备方法包括如下步骤：

(1)按质量百分比称取CuMnCo粉末；

(2)加入有机硅树脂粘结剂，随后将器皿封闭，搅拌得均匀的混合体；

(3)将步骤(2)制得的混合金属粉末颗粒在自动轧辊设备进行轧制，首先初步调整轧辊与工作台距离，控制粘接布的厚度在3.0～5.0mm左右，进行初步轧辊成型20min；

(4)对粘接布再一次进行轧辊，再次调节轧辊与工作台之间的间距，控制高度为2.0～3.0mm，给粘接布一个正压力，进行2～3次重复轧辊20min，对金属颗粒表面及金属颗粒之间的粘接剂产生挤压作用，粘接剂在挤压作用下形成纤维状；

(5)将轧辊与工作台之间的间距调节到所需“金属布”的厚度范围(厚度为0.5～2.0mm)，对其正反两面进行5～6次重复轧辊20min，金属纤维形成一个纵横交错的立体蛛网式结构，金属颗粒镶嵌或包裹在粘接剂中，使分散的合金金属粉形成一个相互联系的整体，纤维状各个区间的金属颗粒均匀分布，轧辊形成柔性金属布。

涂层的厚度为0.5～2.0mm。

该耐磨涂层的制备方法与实施例1相同。

性能检测：通过该对比例可知，涂层的原料中不添加WC-10Ni粉，则使得CuMnCo粉与基体直接相互作用，CuMnCo粉溶化后，在基体上直接润湿母材并铺展，其厚度不可设定，且涂层与基体的界面强度不发生变化。

对比例2

涂层原料组分与实施例1相同，不同之处在于制备涂层时只进行一次间隙调整轧制，具体步骤如下：

(1)按质量百分比称取WC-10Ni粉末、CuMnCo粉末，并将其混合；

(2)将混合物装入自动搅拌设备器皿中，并加入有机硅树脂粘结剂，随后将器皿封闭，搅拌得均匀的混合体；

(3)将步骤(2)制得的混合金属粉末颗粒在自动轧辊设备进行轧制，调整轧辊与工作台距离0.5～2.0mm，对其正反两面进行多次重复轧辊直至成型。

性能检测：通过观察可知，黄铜表面涂层成型差，界面结合差，产生了大量的气孔，大大降低了表面硬度及耐磨性。

对比例3

涂层原料组分与实施例1相同，不同之处在于制备涂层时只进行两次间隙调整轧制，具体步骤如下：

(1)按质量百分比称取WC-10Ni粉末、CuMnCo粉末，并将其混合；

(2)将混合物装入自动搅拌设备器皿中，并加入有机硅树脂粘结剂，随后将器皿封闭，搅拌得均匀的混合体；

(3)将步骤(2)制得的混合金属粉末颗粒在自动轧辊设备进行轧制，首先初步调整轧辊与工作台距离，控制粘接布的厚度在3.0～5.0mm左右，进行初步轧辊30min成型；

(4)对粘接布再一次进行轧辊，再次调节轧辊与工作台之间的间距，控制高度为0.5～2.0mm，对其正反两面进行5～6次重复轧辊30min。

性能检测：通过观察可知，黄铜表面涂层成型差，界面结合差，产生了大量的气孔，大大降低了表面硬度及耐磨性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用CuMnCo制备铜合金表面耐磨涂层，其特征在于：按质量分数包括如下原料：CuMnCo粉32～65％、WC-10Ni粉30～65％及有机硅树脂粘结剂3～5％。

2.根据权利要求1所述的用CuMnCo制备铜合金表面耐磨涂层，其特征在于：所述WC-10Ni粉由10～15目和30～45目的WC-10Ni粉组合而成，两者的质量比为0.3～0.5:1。

3.根据权利要求1所述的用CuMnCo制备铜合金表面耐磨涂层，其特征在于：所述有机硅树脂粘结剂包括如下原料：聚四氟乙烯48-50％、间苯二酚20-22％、二乙氨基丙胺5-8％、顺丁烯二酸酐10-14％、聚碳酸酯8-15％。

4.一种如要求1所述的用CuMnCo制备铜合金表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将WC-10Ni粉、CuMnCo粉混合后，加入有机硅树脂粘结剂混匀，随后多次调整轧棍与工作台间的间隙进行反复轧制，制得金属布；

(2)将轧制的金属布紧贴于预处理后的铜合金表面，先在300～350℃条件下保温反应30～40min后，随后在940～1030℃条件下进行真空钎焊反应10～40min，最后冷却至700～800℃，保温10～30min后冷却至室温，即可制得铜合金表面耐磨涂层。

5.根据权利要求4所述的用CuMnCo制备铜合金表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中轧制时调整轧棍与工作台间的初始间隙为3～5mm，随后依次调整至2～3.0mm及0.5～2.0mm，每种间隙轧制15～30min。