CN110791677A - 一种高性能耐磨青铜基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能耐磨青铜基复合材料及其制备方法和应用。所述高性能耐磨青铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：a)称取钛粉和石墨粉，球磨使混合均匀，制得原料粉体；b)将步骤a）所得原料粉体进行高温自蔓延烧结，得到碳化钛包覆的石墨复合粉末；c)将碳化钛包覆的石墨复合粉末与青铜粉二次球磨均匀混合，烘干过筛，得到混合粉体；d)将步骤c）所得混合粉体进行热压烧结得到所述青铜基复合材料。

Description

一种高性能耐磨青铜基复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于金属基复合材料领域，涉及一种高性能耐磨青铜基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
磨损是材料失效的一种主要形式，由此产生的经济损失巨大，随着科学技术的发展，工程领域对材料提出了更高的要求，研发高性能耐磨材料在减小磨损和延长机械使用寿命中有着重要的现实意义。青铜/石墨作为一种自润滑复合材料，广泛应用于航空航天，船舶机械和轨道交通等领域。它同时具有青铜高强、化学稳定、耐腐抗磨，以及石墨润滑减磨的优良特性。但是，作为金属与非金属结合而成的复合材料，青铜与石墨之间的润湿性不好，界面结合状态不佳，由此产生的孔隙和裂纹会对材料的性能产生不利的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时具有良好摩擦及力学性能，且工艺流程便捷的高性能耐磨青铜基复合材料及其制备方法和应用。
第一方面，本发明提供一种高性能耐磨青铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
a)称取钛粉和石墨粉，球磨使混合均匀，制得原料粉体；
b)将步骤a)所得原料粉体进行高温自蔓延烧结，得到碳化钛包覆的石墨复合粉末；
c)将碳化钛包覆的石墨复合粉末青铜粉二次球磨均匀混合，烘干过筛，得到混合粉体；
d)将步骤c)所得混合粉体进行热压烧结得到所述青铜基复合材料。
较佳地，以质量百分比计，所述青铜基复合材料的原料包括2～20％的钛粉、2～20％的石墨粉、以及60～96％的青铜粉。
较佳地，所述钛粉、石墨粉、青铜粉的平均粒径分别为5～100μm、5～200μm、5～200μm。
较佳地，所述钛粉和石墨粉的质量比是(1～3)：1，优选为2：1。
较佳地，步骤b)中所述高温自蔓延烧结的烧结温度为1000～1500℃。
较佳地，步骤d)中所述热压烧结的工艺参数是：烧结温度为700～900℃，烧结压力为10～30MPa，保温时间为0.5～3h，烧结气氛为真空或氩气。
本发明采用高温自蔓延对润滑相石墨进行表面碳化钛包覆处理，由于碳化钛是在石墨表面原位生成的，所以它与石墨的结合是化学键合，而另一方面碳化钛具有金属性，与基体青铜的润湿性良好，故它能在石墨与青铜之间起到一个媒介的作用，使两相的界面结合由原来弱的机械结合转变成强的化学及金属键合，改善了石墨与基体青铜的界面结合。另外，本发明通过调节自蔓延过程中钛和石墨的质量比，可以在保证良好摩擦性能的同时提高复合材料的力学性能。
第二方面，本发明提供一种上述制备方法获得的高性能耐磨青铜基复合材料，金属基体为青铜，润滑相为石墨，所述润滑相石墨经过碳化钛包覆处理，其中碳化钛充当硬质相。
第三方面，本发明提供了上述高性能耐磨青铜基复合材料在制备机械系统部件中的应用，包括在轴承、齿轮、闸片等可广泛应用于飞机、船舶、高铁等的机械系统中的应用。
附图说明
图1为本发明一实施方式所得试样的磨损率测试图。
图2为本发明一实施方式所得试样的截面微观形貌图，其中图2(a)是对照例的扫描电镜图片，图2(b)是实施例2的扫描电镜图片，图2(c)是实施例3的扫描电镜图片。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
以下示例性地说明高性能耐磨青铜基复合材料的制备方法。
首先，按照配比称取钛粉和石墨粉。其中，钛粉的平均粒径可为5～100μm，优选为30～60μm。石墨粉的平均粒径可为5～200μm，优选为50～80μm。一些实施方式中，所述钛粉和石墨粉的质量比是(1～3)：1。根据碳化钛生成反应式，上述质量比的钛粉同石墨粉反应后可以避免石墨的完全消耗，从而达到在其表面包覆的目的。优选地，钛粉和石墨粉的质量比为2：1。当钛粉和石墨粉的质量比在上述范围时，石墨经自蔓延反应后可在表面生成适量的碳化钛包覆颗粒，改善了石墨与基体青铜的界面结合，同时提高了材料的力学和摩擦学性能。
随后，以钛粉和石墨粉为原料，球磨使钛粉和石墨粉混合均匀，制得原料粉体。一些实施方式中，球磨时，钛粉与石墨粉末按质量比在行星球磨仪中球磨1小时，添加无水乙醇作为球磨介质，球/料质量比为1:1。
然后，将所得原料粉体进行自蔓延烧结，得到预处理的石墨粉。所述高温自蔓延烧结的工艺参数为：烧结温度可为1000～1500℃自蔓延温度非人为可控。所述预处理的石墨粉是碳化钛包覆的石墨复合粉体。通过采用高温自蔓延对钛和石墨的混合粉进行合成，在石墨表面原位生成碳化钛包覆颗粒，其作为润滑相，其中碳化钛充当硬质相，改善了石墨与基体青铜的界面结合。一些实施方式中，自蔓延烧结可在自蔓延反应炉中进行。
接着，将预处理的石墨粉与青铜粉经二次机械球磨混合均匀后，烘干过筛，得到混合粉体。青铜粉的平均粒径可为5～200μm，优选为50～80μm。一些实施方式中，球磨工艺为：以无水乙醇为介质，球/料质量比可为1～5:1，球磨时间1～5h。
最后，将混合粉体进行热压烧结0.5～3h得到所需青铜基复合材料。一些实施方式中，烧结温度可为700～900℃，烧结压力可为10～30MPa。所述烧结气氛可为真空或氩气。
与现有的石墨表面改性方法(如化学镀)相比，本发明提供了一种高效环保的工艺方法，生成的碳化钛作为一种高强高硬的陶瓷，在改善石墨与青铜界面结合的同时，还对基体起到了一定的增强作用，而且可以提高摩擦过程的稳定性。该制备方法简捷高效，使材料在保证良好摩擦性能的同时提高了力学性能，制得的青铜基复合材料在轴承、齿轮、闸片等机械系统中具有很好的应用前景。
一些实施方式中，以质量百分比计，所述青铜基复合材料的原料包括2～20％的钛粉、2～20％的石墨粉、以及60～96％的青铜粉。根据非连续增强金属基复合材料第二相添加比例原则，上述范围在保证基体特性的同时，可较好发挥增强相的作用。
本发明制备的青铜基复合材料，金属基体为青铜，润滑相为石墨，所述润滑相石墨经过碳化钛包覆处理。其中，碳化钛在充当硬质相的同时，改善了石墨与基体青铜的界面结合。中国专利中201510236852.5中铜基复合材料采用浇铸成型，属于液相成型工艺，自蔓延反应仅仅为了引入增强相，反应后体系中不存在石墨，主要是为了提高材料的力学性能。而本发明中铜基复合材料采用粉末冶金法制备，属于固相成型工艺，自蔓延反应主要是为了对石墨进行表面碳化钛包覆处理，进而改善石墨与基体青铜的界面结合，所以原料中钛和石墨的质量比需小于4:1，因为要保证反应后体系中作为润滑相的石墨依然存在，制得的复合材料在保证良好摩擦性能的同时提高了力学性能。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
首先称取6g中位粒径29.2μm的钛粉、6g中位粒径28.3μm的石墨粉，在行星球磨仪中球磨1h，混合均匀之后放入半开式反应釜，在自蔓延烧结炉中进行自蔓延烧结制备表面碳化钛包覆的石墨粉。自蔓延反应是瞬时的自发反应，过程参数无需人为调控。
将经自蔓延预处理后的石墨粉和288g中位粒径37.4μm的青铜粉一同加入到球磨罐中，以30g无水乙醇作为球磨介质，球/料质量比为1:1，行星球磨仪球磨3h，制得均匀稳定的浆料。接着，将此浆料在60℃烘箱内下干燥24h。然后，将干燥后的混合粉末过100目筛。
最后，将混合物粉末置于石墨模具内，在850℃氩气气氛中烧结2h，热压压力25MPa，随炉自然冷却至室温得到复合材料，经后处理制备所需尺寸样品。
实施例2
首先称取22g中位粒径29.2μm的钛粉、11g中位粒径28.3μm的石墨粉，在行星球磨仪中球磨1h，混合均匀之后放入半开式反应釜，在自蔓延烧结炉中进行自蔓延烧结制备表面碳化钛包覆的石墨粉。
将经自蔓延预处理后的石墨粉和209g中位粒径37.4μm的青铜粉一同加入到球磨罐中，以30g无水乙醇作为球磨介质，球/料质量比为1:1，行星球磨仪球磨3h，制得均匀稳定的浆料。接着，将此浆料在60℃烘箱内下干燥24h。然后，将干燥后的混合粉末过100目筛。
最后，将混合物粉末置于石墨模具内，在850℃氩气气氛中烧结2h，热压压力25MPa，随炉自然冷却至室温得到复合材料，经后处理制备所需尺寸样品。
实施例3
首先称取33g中位粒径29.2μm的钛粉、11g中位粒径28.3μm的石墨粉，在行星球磨仪中球磨1h，混合均匀之后放入半开式反应釜，在自蔓延烧结炉中进行自蔓延烧结制备表面碳化钛包覆的石墨粉。
将经自蔓延预处理后的石墨粉和187g中位粒径37.4μm的青铜粉一同加入到球磨罐中，以30g无水乙醇作为球磨介质，球/料质量比为1:1，行星球磨仪球磨3h，制得均匀稳定的浆料。接着，将此浆料在60℃烘箱内下干燥24h。然后，将干燥后的混合粉末过100目筛。
最后，将混合物粉末置于石墨模具内，在850℃氩气气氛中烧结2h，热压压力25MPa，随炉自然冷却至室温得到复合材料，经后处理制备所需尺寸样品。
实施例4
首先称取60g中位粒径29.2μm的钛粉、60g中位粒径28.3μm的石墨粉，在行星球磨仪中球磨1h，混合均匀之后放入半开式反应釜，在自蔓延烧结炉中于进行自蔓延烧结制备表面碳化钛包覆的石墨粉。
将经自蔓延预处理后的石墨粉和180g中位粒径37.4μm的青铜粉一同加入到球磨罐中，以30g无水乙醇作为球磨介质，球/料质量比为1:1，行星球磨仪球磨3h，制得均匀稳定的浆料。接着，将此浆料在60℃烘箱内下干燥24h。然后，将干燥后的混合粉末过100目筛。
最后，将混合物粉末置于石墨模具内，在850℃氩气气氛中烧结2h，热压压力25MPa，随炉自然冷却至室温得到复合材料，经后处理制备所需尺寸样品。
对照例
首先称取11g中位粒径28.3μm的石墨粉，在行星球磨仪中球磨1h。
将经球磨后的石墨粉和252g中位粒径37.4μm的青铜粉一同加入到球磨罐中，以30g无水乙醇作为球磨介质，球/料质量比为1:1，行星球磨仪球磨3h，制得均匀稳定的浆料。接着，将此浆料在60℃烘箱内下干燥24h。然后，将干燥后的混合粉末过100目筛。
最后，将混合物粉末置于石墨模具内，在850℃氩气气氛中烧结2h，热压压力25MPa，随炉自然冷却至室温得到复合材料，经后处理制备所需尺寸样品。
对制得的试样分别进行了力学及摩擦性能的测试。摩擦性能的测试条件为：在立式通用摩擦磨损试验机(济南易华摩擦学检测技术有限公司MMW-1A)上进行摩擦磨损试验，滑动速度0.1m/s，单次试验持续30分钟，试验全部进行三次，以保证数据的可靠性。试验中使用的摩擦副由直径为28mm的45号钢制成，洛氏硬度为50HRC，表面粗糙度为0.4Ra。磨损率计算公式为：W＝ΔV/(N·L)。其中ΔV为磨损体积，N为施加在磨损表面的法向载荷，L为磨损试验过程中的滑动距离。表1为试样的力学试验结果。
表1试样力学性能
注：对照组为含有相同体积分数、未经表面处理石墨的青铜基复合材料。
从表1数据可以看出，与添加未经表面处理石墨的对照组相比，碳化钛的生成提高了复合材料的各项力学性能。
图1为20N,0.1m/s工况下的磨损率情况。从图1可以发现，与纯青铜相比，复合材料的磨损率明显减小，石墨表面碳化钛的生成对基体起到了保护作用，使复合材料表现出了良好的耐磨性能。值得注意的是，钛粉和石墨粉的质量比决定了石墨表面碳化钛生成的含量，碳化钛生成的越多，材料的力学性能越好，但材料的摩擦性能受软硬两相相对含量的影响，并不是一味地随着硬质相碳化钛的增多而提高，只有当体系中软硬两相的配比合适时，才能在保证复合材料良好摩擦性能的同时提高力学性能。
从图2中可以看出在对照例中石墨表面光滑整齐，与基体之间存在大量间隙，破坏了基体的连续性和应力传递能力。在试验过程中，间隙容易引起应力集中，成为主要的裂纹源，使得本已敏感的界面变得更加脆弱。此外，考虑到石墨本身圆盘状的形状，应力传递的能力在垂直和平行于圆盘平面方向存在着差异。换句话说，载荷更倾向于沿平行于石墨圆盘平面方向传递，从而导致石墨从基体中拔出，并在基体中留下残余孔洞。对于实施例2来说，颗粒状的TiC开始在石墨表面出现，而TiC凭借着与基体之间较好的润湿性，可以作为石墨与基体之间的桥梁，并有效地加固界面。特别是在实施例3的放大图像中，石墨表面的白色颗粒增多，石墨与基体结合的现象更加明显。形象的说，石墨有一种镶嵌于基体当中的感觉。因此，经预处理后，附着在石墨表面的TiC颗粒由于其优异的力学性能，在巩固界面结合，提高承载能力及传递载荷方面发挥着重要作用。综上所述，TiC不仅是改善石墨与基体之间界面结合的媒介，而且作为一外加的增强相，对基体还能够起到一个补强的作用。

Claims (8)

1.一种高性能耐磨青铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)称取钛粉和石墨粉，球磨使混合均匀，制得原料粉体；
b) 将步骤a）所得原料粉体进行高温自蔓延烧结，得到碳化钛包覆的石墨复合粉末；
c) 将碳化钛包覆的石墨复合粉末与青铜粉二次球磨均匀混合，烘干过筛，得到混合粉体；
d) 将步骤c）所得混合粉体进行热压烧结得到所述青铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以质量百分比计，所述青铜基复合材料的原料包括2～20%的钛粉、2～20%的石墨粉、以及60～96%的青铜粉。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述钛粉、石墨粉、青铜粉的平均粒径分别为5～100 μm、5～200 μm、5～200 μm。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤a）中，所述钛粉和石墨粉的质量比是（1～3）：1，优选为2：1。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤b）中所述高温自蔓延烧结的烧结温度为1000～1500℃。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤d）中所述热压烧结的工艺参数是：烧结温度为700～900℃，烧结压力为10～30 MPa，保温时间为0.5～3 h，烧结气氛为真空或氩气。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的制备方法获得的高性能耐磨青铜基复合材料，其特征在于：金属基体为青铜，润滑相为石墨，所述润滑相石墨经过碳化钛包覆处理，其中碳化钛充当硬质相。
8.权利要求7所述的高性能耐磨青铜基复合材料在制备机械系统部件中的应用。
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