CN109807331A - 一种铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，将石墨粉末进行清洗、敏化、活化、还原、干燥处理；采用化学镀覆法，在石墨粉末表面镀覆银金属层；然后将石墨粉末与金属粉末倒入模具，进行冷压、烧结、复压和复烧处理，冷却脱模后得到铜基石墨自润滑道岔滑床板。本发明可以有效提高复合材料界面强度，同时提高了复合材料硬度，抗弯强度等力学性能和抗磨损性能，保证了使用寿命。

Description

一种铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法

技术领域

本发明属于自润滑复合材料制备技术领域，具体涉及一种铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法。

背景技术

道岔、曲线和接头并称为铁路轨道三大薄弱环节。我国是世界上铁路密度最大的国家之一，道岔的数量为平均1.1～1.8组/千米，目前全国道岔使用总量在1.5万组以上。因此，道岔作为铁路轨道的重要部件，是铁路顺利运输的基本保障。滑床板作为道岔的重要组成部分，它服役安全状态直接影响道岔转化的可靠性，关系到整个铁路的行车安全。铜基石墨自润滑道岔滑床板是通过粉末冶金直接进行成型，具有优秀的减摩性、耐磨损和耐腐蚀性能的新型材料。

铜基石墨自润滑复合材料兼具金属良好的塑性和韧性等优点，同时又具备石墨的自润滑性能。当与钢铁材料进行摩擦配副时，石墨可以形成润滑膜起到减摩作用，铜基体则对可以对润滑膜起到有效的支撑作用。

采用铜基石墨自润滑材料制备道岔滑床板具有其他复合材料无法比拟的许多优势：首先，石墨相对于其他固体润滑剂价格低廉，而且在大气环境下石墨作为固体润滑剂，减摩效果也要远远优于其他固体润滑剂；其次，铜基石墨复合材料作为道岔滑床板可以在摩擦过程中进行自润滑，免除人工定期涂油步骤，能迅速取代现今使用的钢板式滑床板，使我国铁路部门能极大的缩减人力物力，节省资源，更能确保道岔运行的稳定性与安全性，保证铁路的行车安全；另外，铜基石墨复合材料通过粉末冶金直接成型，其原料与生产成本远远小于其他正在开发或拟开发的高分子基道岔滑床板材料，性价比高。

但是，石墨与基体界面处存在大量孔隙，随着石墨含量增加，石墨和基体的界面增多，孔隙数量增加，当石墨含量过高时，石墨形成网状结构割裂基体，导致材料的力学性能急剧下降。在磨损过程中，被石墨割裂的基体随着磨损的进行大量剥落，使得复合材料表面粗糙度增加，增加了材料的摩擦系数，使得铜基石墨复合材料的摩擦磨损性能变差，使用寿命大大降低并影响行车安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，提高复合材料减摩性能和抗磨损性能，保证道岔滑床板的服役使用寿命。

本发明采用以下技术方案：

一种铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，将粒径40～48μm、粒度325目、纯度98.5～99.5％的石墨粉末进行清洗、敏化、活化、还原、干燥处理；采用化学镀覆法，在石墨粉末表面镀覆银金属层；然后将石墨粉末与金属粉末倒入模具，进行冷压、烧结、复压和复烧处理，冷却脱模后得到铜基石墨自润滑道岔滑床板。

具体的，化学镀液为银氨溶液，将石墨粉末加入化学镀液搅拌20～25min，然后将甲醛溶液加入银氨溶液中，银氨溶液和甲醛溶液的体积比为1:(0.5～1.5)，银氨溶液的浓度为36ml/L，甲醛溶液的浓度为24ml/L，在48～50℃水浴下缓慢搅拌50～60min，然后将所得产物抽滤、干燥得到镀银石墨粉末。

具体的，利用浓度15～25wt.％的NaOH溶液充分洗涤石墨粉末，再用蒸馏水将石墨粉末冲洗至中性。

具体的，敏化液为浓度8～12g/L的SnCl₂和浓度12～16ml/L的HCl，SnCl₂和HCl的质量比为1:(0.5～1.5)，石墨粉末加入敏化液后搅拌15～20min，待石墨粉末充分敏化后用蒸馏水将石墨粉末洗至中性。

具体的，活化液为浓度0.32～0.35g/L的PdCl₂和浓度12～16ml/L的HCl，PdCl₂和HCl的质量比为1:(0.5～1.5)。

进一步的，石墨粉末加入活化液后搅拌15～20min，然后将反应结束后的石墨粉末用蒸馏水将粉末洗至中性，放入真空干燥箱干燥。

具体的，将石墨粉末与浓度35～45g/L的NaH₂PO₂·H₂O溶液充分混合，用磁力搅拌器机械搅拌15～20分钟并用蒸馏水将粉末冲洗干净，放入真空高温干燥箱中进行干燥。

具体的，将镀覆后的石墨粉末与制备减摩材料用的铜基合金粉末混合球磨14～16小时，石墨粉末和铜基合金粉末的质量比为4:96，然后倒入模具里以400～600MPa压力进行冷压。

具体的，将冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以10～15℃/min的升温速度升温至380～450℃，然后以5～8℃/min的升温速度升温至800～850℃，在800～850℃保温1～1.5小时，然后随炉冷却。

具体的，将烧结完成的坯体放入模具中以400～600MPa压力进行复压，然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以10～15℃/min的升温速度升温至380～450℃，然后以5～8℃/min的升温速度升温至800～810℃，在800～810℃保温0.5～1小时，然后随炉冷却，脱模后得到铜基石墨自润滑道岔滑床板。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明中引入的银元素既可以有改善石墨与铜基体之间的界面结合性，在该粒径的石墨粉末粒度时可以有效保证粉末能够弥散分布在铜基体当中、高纯度石墨粉末保证了在烧结过程中无其他杂质生成，提高复合材料的力学性能；又能在复合材料中原位析出形成润滑相，提高复合材料减摩性能和抗磨损性能，保证道岔滑床板的服役使用寿命。

进一步的，通过NaOH溶液洗涤干燥可以有效去除鳞片石墨粉末表面污染物与氧化物，使金属元素沉积更加有效。

进一步的，敏化反应在石墨表面附着Sn²⁺，增加石墨表面活性，为后续活化过程和还原过程提供必要物质基础。

进一步的，活化反应在石墨表面附着PbO₂，增加石墨表面活性，为后续还原过程提供必要物质基础。

进一步的，还原、干燥处理使石墨表面附着大量Pb²⁺，使石墨表面具有极大的活性。

进一步的，化学镀可以高效、均匀的在石墨表面沉积致密的金属镀层。

进一步的，粉末与金属粉末球磨处理可以均匀分散粉末，使石墨粉末在烧结过程呈弥散分布，冷压工艺可以直接进行坯体成型。

进一步的，在以上烧结参数下成型，能使石墨表面的金属与铜基体之间扩散，有效提高界面结合强度。

进一步的，在以上复烧参数下成型，可以进一步使金属镀层在复合材料界面处充分扩散，同时降低烧结坯体的孔隙率，提高致密度。

综上所述，本发明可以有效提高复合材料界面强度，同时提高了复合材料硬度，抗弯强度等力学性能和抗磨损性能，保证了使用寿命。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为石墨表面镀覆银金属层扫描电子显微镜微观形貌；

图2为石墨表面镀覆银金属层透射电子显微镜微观形貌；

图3为银元素改性铜基石墨自润滑道岔滑床板微观组织形貌；

图4为银元素改性铜基石墨自润滑道岔滑床板的石墨-基体界面扫描电子显微镜微观组织低倍形貌；

图5为银元素改性铜基石墨自润滑道岔滑床板的石墨-基体界面扫描电子显微镜微观组织高倍形貌；

图6为银元素改性铜基石墨自润滑道岔滑床板力学性能；

图7为银元素改性铜基石墨自润滑道岔滑床板抗弯强度测试断口扫描电子显微镜低倍形貌；

图8为银元素改性铜基石墨自润滑道岔滑床板抗弯强度测试断口扫描电子显微镜高倍形貌。

具体实施方式

本发明提供了一种铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，将鳞片石墨粉末进行清洗、敏化、活化、还原、干燥等预处理；采用化学镀覆法，将石墨粉末置于镀液中，在表面镀覆银金属层；然后将配比好的石墨粉末与金属粉末倒入模具，进行冷压、烧结、复压和复烧处理，冷却脱模后得到铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法。本发明中引入的银元素既可以有改善石墨与铜基体之间的界面结合性，提高复合材料的力学性能；又能在复合材料中原位析出形成润滑相，提高复合材料减摩性能和抗磨损性能，保证道岔滑床板的服役使用寿命。

本发明一种铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，包括以下步骤：

S1、利用浓度15～25wt.％的NaOH溶液充分洗涤石墨粉末，再用蒸馏水将石墨粉末冲洗至中性；

石墨粉末为粒径40～48μm、粒度325目、纯度98.5～99.5％的鳞片石墨粉末。

S2、将石墨粉末加入敏化液，用磁力搅拌器机械搅拌15～20min，待石墨粉末充分敏化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

敏化液为浓度8～12g/L的SnCl₂和浓度12～16ml/L的HCl，SnCl₂和HCl的质量比为1:(0.5～1.5)。

S3、将石墨粉末加入活化液，并用磁力搅拌器机械搅拌15～20min，待石墨粉末充分活化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

活化液为浓度0.32～0.35g/L的PdCl₂和浓度12～16ml/L的HCl，PdCl₂和HCl的质量比为1:(0.5～1.5)。

S4、将石墨粉末与浓度35～45g/L的NaH₂PO₂·H₂O溶液充分混合，用磁力搅拌器机械搅拌15～20分钟并用蒸馏水将粉末冲洗干净，放入真空高温干燥箱中进行65℃真空干燥；

S5、将石墨粉末加入化学镀液，用磁力搅拌器机械进行搅拌20～25min，然后将还原剂加入到化学镀液中，在48～50℃水浴下缓慢搅拌50～60min，然后将所得产物抽滤、干燥得到镀银石墨粉末；

化学镀液为浓度30wt.％的银氨溶液，还原剂为甲醛溶液，36ml/L的银氨溶液和24ml/L的甲醛溶液的体积比为1:(0.5～1.5)。

S6、将镀覆后的石墨粉末与金属粉末进行球磨14～16小时，石墨粉末和金属粉末的质量比例为4:96，然后倒入模具里以400～600MPa压力进行冷压；

金属粉末为制备减摩材料的铜基合金。

S7、对冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以10～15℃/min的升温速度升温至380～450℃，然后以5～8℃/min的升温速度升温至800～850℃，在800～850℃保温1～1.5小时，然后随炉冷却；

S8、对烧结完成的坯体放入模具中以400～600MPa压力进行复压，然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以10～15℃/min的升温速度升温至380～450℃，然后以5～8℃/min的升温速度升温至800～810℃，在800～810℃保温0.5～1小时，然后随炉冷却，脱模后得到道岔滑床板。

请参阅图1，石墨颗粒表面沉积了组织致密、成分均匀的纳米银金属镀层。

请参阅图2，纳米银颗粒在石墨表面附着紧密，镀层黏着强度高。

请参阅图3，镀银石墨在铜基合金基体中弥散分布，分散性好，无团聚偏析现象。

请参阅图4，银元素在铜基合金基体中，铜-石墨界面处以及石墨中呈析出相弥散分布。

请参阅图5，通过银金属镀层沉积在石墨表面工艺，镀银石墨与铜基合金界面处产生大量银纳米线联结石墨与铜合金基体，提高界面扩散结合强度，并极大提高力学性能。

请参阅图6，相比于原始铜基石墨复合材料，采用银元素改性之后的复合材料其抗弯强度与硬度均有较大幅度提升。

请参阅图7，根据断面分析，铜基合金断裂以韧窝为主，石墨与铜基合金界面结合良好，石墨无拔出、剥落现象。

请参阅图8，根据断面分析，石墨断裂方式为穿晶断裂，银弥散相也分布在断口处，提高力学性能。

本发明制备得到的道岔滑床板的显微组织中，银元素以析出相形式弥散在金属基体中，同时以银纳米颗粒和纳米线形式分布在石墨中，同时在界面处，以银纳米线的形式连接石墨和铜基体，从而有效增强了复合材料基体与界面的强度，提高了力学性能。在摩擦过程中，银元素作为润滑相与石墨协同润滑，极大地降低了摩擦系数，改善了复合材料的减摩性能，也提高了道岔滑床板的服役期限。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

高速铁路道岔滑床板

S1、利用浓度15wt.％的NaOH溶液充分洗涤石墨粉末，再用蒸馏水将石墨粉末冲洗至中性；

石墨粉末为粒径40μm、粒度325目、纯度98.5％的鳞片石墨粉末。

S2、将石墨粉末加入敏化液，用磁力搅拌器机械搅拌15分钟，待石墨粉末充分敏化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

敏化液为浓度8g/L的SnCl₂和浓度12ml/L的HCl。SnCl₂和HCl的质量比例为1:0.5。

S3、将石墨粉末加入活化液，并用磁力搅拌器机械搅拌15分钟，待石墨粉末充分活化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

活化液浓度0.32g/L的PdCl₂和浓度12ml/L的HCl，PdCl₂和HCl的质量比例为1:0.5。

S4、将石墨粉末与浓度35g/L的NaH₂PO₂·H₂O溶液充分混合，用磁力搅拌器机械搅拌15分钟并用蒸馏水将粉末冲洗干净，放入真空高温干燥箱中进行65℃真空干燥。

S5、将石墨粉末加入化学镀液，用磁力搅拌器机械进行搅拌20min，然后将还原剂加入到化学镀液中，在48℃水浴下缓慢搅拌50～60min，然后将所得产物抽滤、干燥得到镀银石墨粉末；

化学镀液为银氨溶液，还原剂为甲醛溶液。36ml/L银氨溶液和24gml/L甲醛溶液体积比例为1:0.5。

S6、将镀覆后的石墨粉末与金属粉末进行球磨14小时，石墨粉末和铜基合金粉末的质量比例为4:96，然后倒入模具里以400MPa压力进行冷压。

S7、对冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以10℃/min的升温速度升温至380℃，然后以5℃/min的升温速度升温至800℃，在800℃保温1.5小时，然后随炉冷却；

S8、对烧结完成的坯体放入模具中以400MPa压力进行复压，然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以10℃/min的升温速度升温至380℃，然后以5℃/min的升温速度升温至800℃，在800℃保温0.5小时，然后随炉冷却，脱模后得到高速铁路道岔滑床板。

实施例2

重载货运铁路道岔滑床板

S1、利用浓度25wt.％的NaOH溶液充分洗涤石墨粉末，再用蒸馏水将石墨粉末冲洗至中性；

石墨粉末为粒径48μm、粒度325目、纯度99.5％的鳞片石墨粉末。

S2、将石墨粉末加入敏化液，用磁力搅拌器机械搅拌20分钟，待石墨粉末充分敏化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

敏化液为浓度12g/L的SnCl₂和浓度16ml/L的HCl。SnCl₂和HCl的质量比例为1:1.5。

S3、将石墨粉末加入活化液，并用磁力搅拌器机械搅拌20分钟，待石墨粉末充分活化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

活化液浓度0.35g/L的PdCl₂和浓度16ml/L的HCl，PdCl₂和HCl的质量比例为1:1.5。

S4、将石墨粉末与浓度45g/L的NaH₂PO₂·H₂O溶液充分混合，用磁力搅拌器机械搅拌20分钟并用蒸馏水将粉末冲洗干净，放入真空高温干燥箱中进行65℃真空干燥。

S5、将石墨粉末加入化学镀液，用磁力搅拌器机械进行搅拌25min，然后将还原剂加入到化学镀液中，在50℃水浴下缓慢搅拌50～60min，然后将所得产物抽滤、干燥得到镀银石墨粉末；

化学镀液为银氨溶液，还原剂为甲醛溶液。36ml/L银氨溶液和24ml/L甲醛溶液体积比例为1:1.5

S6、将镀覆后的石墨粉末与金属粉末进行球磨16小时，石墨粉末和铜基合金粉末的质量比例为4:96，然后倒入模具里以600MPa压力进行冷压；

S7、对冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以15℃/min的升温速度升温至450℃，然后5～8℃/min的升温速度升温至850℃，在850℃保温1小时，然后随炉冷却；

S8、对烧结完成的坯体放入模具中以600MPa压力进行复压，然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以15℃/min的升温速度升温至450℃，然后以8℃/min的升温速度升温至810℃，在810℃保温1小时，然后随炉冷却，脱模后得到重载货运铁路道岔滑床板。

实施例3

地铁道岔滑床板

S1、利用浓度20wt.％的NaOH溶液充分洗涤石墨粉末，再用蒸馏水将石墨粉末冲洗至中性；

石墨粉末为粒径45μm、粒度325目、纯度99％的鳞片石墨粉末。

S2、将石墨粉末加入敏化液，用磁力搅拌器机械搅拌18分钟，待石墨粉末充分敏化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

敏化液为浓度10/L的SnCl₂和浓度14ml/L的HCl。SnCl₂和HCl的质量比例为1:1。

S3、将石墨粉末加入活化液，并用磁力搅拌器机械搅拌18分钟，待石墨粉末充分活化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

活化液浓度0.34g/L的PdCl₂和浓度14ml/L的HCl，PdCl₂和HCl的质量比例为1:1。

S4、将石墨粉末与浓度40g/L的NaH₂PO₂·H₂O溶液充分混合，用磁力搅拌器机械搅拌18分钟并用蒸馏水将粉末冲洗干净，放入真空高温干燥箱中进行65℃真空干燥。

S5、将石墨粉末加入化学镀液，用磁力搅拌器机械进行搅拌22min，然后将还原剂加入到化学镀液中，在49℃水浴下缓慢搅拌55min，然后将所得产物抽滤、干燥得到镀银石墨粉末；

化学镀液为银氨溶液，还原剂为甲醛溶液。36ml/L银氨溶液和24ml/L甲醛溶液体积比例为1:1。

S6、将镀覆后的石墨粉末与金属粉末进行球磨15小时，石墨粉末和铜基合金粉末的质量比例为4:96，然后倒入模具里以500MPa压力进行冷压；

S7、对冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以12℃/min的升温速度升温至420℃，然后以6℃/min的升温速度升温至830℃，在830℃保温1小时，然后随炉冷却；

S8、对烧结完成的坯体放入模具中以400～600MPa压力进行复压，然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以10～15℃/min的升温速度升温至420℃，然后以6℃/min的升温速度升温至805℃，在805℃保温0.5小时，然后随炉冷却，脱模后得到地铁道岔滑床板。

本发明工艺参数控制简单，适应性广泛，通过金属镀层沉积石墨方法，能够有效提高铜基体与石墨界面结合性，提高铜基石墨复合材料的性能，并广泛应用于各类型发动机轴瓦，并极大提升材料使用寿命。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，其特征在于，将粒径40～48μm、纯度98.5～99.5％的石墨粉末进行清洗、敏化、活化、还原和干燥处理；采用化学镀覆法，在石墨粉末表面镀覆银金属层；然后将石墨粉末与金属粉末倒入模具，进行冷压、烧结、复压和复烧处理，冷却脱模后得到铜基石墨自润滑道岔滑床板。

2.根据权利要求1所述的铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，其特征在于，化学镀液为银氨溶液，将石墨粉末加入化学镀液搅拌20～25min，然后将甲醛溶液加入银氨溶液中，银氨溶液和甲醛溶液的体积比为1:(0.5～1.5)，银氨溶液的浓度为36ml/L，甲醛溶液的浓度为24ml/L，在48～50℃水浴下缓慢搅拌50～60min，然后将所得产物抽滤、干燥得到镀银石墨粉末。

3.根据权利要求1所述的铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，其特征在于，利用浓度15～25wt.％的NaOH溶液充分洗涤石墨粉末，再用蒸馏水将石墨粉末冲洗至中性。

4.根据权利要求1所述的铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，其特征在于，敏化液为浓度8～12g/L的SnCl₂和浓度12～16ml/L的HCl，SnCl₂和HCl的质量比为1:(0.5～1.5)，石墨粉末加入敏化液后搅拌15～20min，待石墨粉末充分敏化后用蒸馏水将石墨粉末洗至中性。

5.根据权利要求1所述的铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，其特征在于，活化液为浓度0.32～0.35g/L的PdCl₂和浓度12～16ml/L的HCl，PdCl₂和HCl的质量比为1:(0.5～1.5)。

6.根据权利要求5所述的铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，其特征在于，石墨粉末加入活化液后搅拌15～20min，然后将反应结束后的石墨粉末用蒸馏水将粉末洗至中性，放入真空干燥箱干燥。

7.根据权利要求1所述的铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，其特征在于，将石墨粉末与浓度35～45g/L的NaH₂PO₂·H₂O溶液充分混合，用磁力搅拌器机械搅拌15～20分钟并用蒸馏水将粉末冲洗干净，放入真空高温干燥箱中进行干燥。

8.根据权利要求1所述的铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，其特征在于，将镀覆后的石墨粉末与制备减摩材料用的铜基合金粉末混合球磨14～16小时，石墨粉末和铜基合金粉末的质量比为4:96，然后倒入模具里以400～600MPa压力进行冷压。

9.根据权利要求1所述的铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，其特征在于，将冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以10～15℃/min的升温速度升温至380～450℃，然后以5～8℃/min的升温速度升温至800～850℃，在800～850℃保温1～1.5小时，然后随炉冷却。

10.根据权利要求1所述的铜基石墨自润滑道岔滑床板的制备方法，其特征在于，将烧结完成的坯体放入模具中以400～600MPa压力进行复压，然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以10～15℃/min的升温速度升温至380～450℃，然后以5～8℃/min的升温速度升温至800～810℃，在800～810℃保温0.5～1小时，然后随炉冷却，脱模后得到铜基石墨自润滑道岔滑床板。