CN110952044A - 一种增强型铜基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种增强型铜基复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种增强型铜基复合材料及其制备方法和应用，具体涉及一种β‑Sialon晶须增强铜基复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料以铜或铜基合金为基体相，以β‑Sialon晶须作为增强相，所述β‑Sialon晶须分布在基体相中；所述β‑Sialon晶须的体积分数为3～30%。

Description

一种增强型铜基复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种增强型铜基复合材料及其制备方法和应用，具体涉及一种β-Sialon晶须增强铜基复合材料及其制备方法和应用，属于高导热、高导电以及摩擦材料领域。
背景技术
铜及铜基合金是重要的导电、导热和摩擦材料。现代航空、航天、电子、汽车、以及新能源产业等的迅速发展，对材料的性能提出更高的要求，传统单一的铜及铜合金材料难以满足日益苛刻的轻质、高强的需求，复合化成为此类材料发展的一个重要方向。发展具有高强度、高模量、良好耐磨性能、良好的抗疲劳性能、热膨胀系数小、密度低的铜基复合材料变得尤为迫切。
目前对铜基材料的增强主要以加入TiB2、TiC、SiC等颗粒增强为主。陶瓷颗粒或晶须的加入，可以强化基体，减少摩擦过程中抵抗对偶微凸体的犁削磨损。当材料表面受到摩擦而产生裂纹时，金属相由于强度较低因而裂纹较容易扩展，而当裂纹扩展至陶瓷相时，由于陶瓷相具有很高的强度，因此裂纹沿着相界面产生偏折或者需要更大的作用力使陶瓷相破裂，以上情况可以有效提高材料的断裂功，减少表面材料的脱落，从而提高其抗摩擦性能。同时，由于陶瓷相的加入，金属材料失去光滑的表面，提高了材料的摩擦系数。中南大学孟康龙等人[1]运用SiO2颗粒结合α-SiC晶须增强铜基复合材料，使材料的平均动摩擦系数提高到了0.31，基体的显微硬度提高到840.9HV。杜建华等人[2]采用纳米SiC晶须作为增强相，制备了Cu基复合材料，添加一定量的晶须，材料的耐磨性得到明显改善，当晶须添加量为0.3％时，材料的耐磨性能最高，相比纯铜材料降低幅度达到58％。相比于常用的颗粒增强机制，晶须增强容易获得更高的机械强度，有利于减少摩擦过程中的磨损量。专利1(中国公开号CN104451476A)公开了一种一种表面改性晶须增强铜基复合材料及其制备方法，这种方法制备的材料具有良好的力学和导热性能，但所采用的β-Si3N4晶须成本较高。
参考文献：
[1]孟康龙,姚萍屏.α-SiC的粒度对铜基摩擦材料摩擦磨损性能的影响[J].粉末冶金材料科学与工程,2010,15(03):294-299.
[2]杜建华,刘贵民,宋娅玲,邓智昌,谢凤宽.纳米SiC晶须增强铜基纳米复合材料摩擦学性能研究[J].装甲兵工程学院学报,2009,23(01):77-80.。
发明内容
本发明中，首次利用β-Sialon晶须作为增强体制备了一种β-Sialon晶须增强铜基复合材料，该复合材料以铜或铜基合金为基体相，以β-Sialon晶须作为增强相，所述β-Sialon晶须分布在基体相中；所述β-Sialon晶须的体积分数为3～30％。
在本公开中，β-Sialon晶须是一类具有特殊结构的微小棒状材料，其具有一定的长径比。以之为增强体制备铜基复合材料，一方面可以利用β-Sialon晶须高强度、高耐磨的特点，提高摩擦材料的耐久度，另一方面保留了铜基体高导热、高导电的特点，保证了其在传热、导电等方面的应用。所得β-Sialon晶须增强铜基复合材料的热导率高、强度高、硬度高、摩擦系数高、抗磨损性能好。相比而言，β-Sialon晶须具有较优异的力学性能，同时其制备成本低，作为铜基复合材料的增强相，具有良好的应用前景。
较佳的，所述β-Sialon晶须的形状为长棒状，晶须直径介于0.2～5μm之间，长度介于0.6～50μm之间，晶须长径比介于3～100之间。
另一方面，本发明提供了一种上述的β-Sialon晶须增强铜基复合材料的制备方法，选用铜粉、铜基合金粉中至少一种，以及β-Sialon晶须作为原料粉体，采用热压烧结技术制备得到所述β-Sialon晶须增强铜基复合材料。
较佳的，所述热压烧结技术包括：将原料粉体混合后置于石墨模具中，在真空中、压力20MPa～40MPa、700～1100℃下，保温时间0.5～2小时，得到所述β-Sialon晶须增强铜基复合材料。
较佳的，所述铜粉的平均粒径为1～100μm；所述铜基合金粉的平均粒径为1～100μm。
较佳的，在制备β-Sialon晶须增强铜基复合材料之前，将β-Sialon晶须进行预处理；所述预处理为将β-Sialon晶须置于腐蚀液中处理12～36小时，得到表面光滑、杂质含量少的β-Sialon晶须。其中，腐蚀液可为酸性腐蚀液或碱性腐蚀液，例如HF、H2SO4、NaOH、KOH等腐蚀液中的一种，或者选取几种进行多步腐蚀。
再一方面，本发明提供了一种上述的β-Sialon晶须增强铜基复合材料的制备方法，选用铜锭、铜基合金锭中至少一种，以及β-Sialon晶须作为原料，采用熔融铸造技术制备得到所述β-Sialon晶须增强铜基复合材料。
较佳的，所述熔融铸造技术包括：
(1)将铜锭或者铜合金锭加热至1100～1400℃，直至熔融状态后，再加入β-Sialon晶须并搅拌，得到混合液；
(2)将所得混合液倒入模具中，冷却至室温，得到所述β-Sialon晶须增强铜基复合材料。
较佳的，所述加热的时间为0.5～2小时。
较佳的，所述搅拌的速率为30转/分钟～300转/分钟，时间为0.5～2小时。
较佳的，在制备β-Sialon晶须增强铜基复合材料之前，将β-Sialon晶须进行预处理；所述预处理为将β-Sialon晶须置于腐蚀液中，处理12～36小时，得到表面光滑、杂质含量少的β-Sialon晶须。其中，腐蚀液可为酸性腐蚀液或碱性腐蚀液，例如HF、H2SO4、NaOH、KOH等腐蚀液中的一种，或者选取几种进行多步腐蚀。
第四方面，本发明还提供了一种上述的β-Sialon晶须增强铜基复合材料制备的闸片、齿轮、蜗轮或电机电刷。
有益效果：
在本发明中，以铜或铜基合金为基体相，以β-Sialon晶须为增强相，采用热压烧结技术或熔融铸造技术制备出，β-Sialon晶须增强铜基复合材料，其性能明显优于纯铜及其合金。实验结果表明，本方法制备的Cu基复合材料抗弯强度可达到350MPa以上，硬度大于95HRF。该方法改善了材料的力学、摩擦学性能，可在对材料力学、耐磨性要求较高的领域实现对传统Cu或Cu合金的替代应用。
附图说明
图1为采用20％的HF溶液清洗后的β-Sialon晶须的微观形貌图；
图2为采用热压烧结技术制备的β-Sialon晶须增强Cu基复合材料的宏观照片；
图3为采用熔融铸造技术制备的β-Sialon晶须增强Cu基复合材料的宏观照片。
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。
在本公开中，β-Sialon晶须增强铜基复合材料中以β-Sialon晶须为增强体，Cu或Cu合金为基体。在本发明中，主要利用β-Sialon晶须的高硬度、高强度、高弹性模量等性能提高Cu基材料的强度、硬度，改善材料的摩擦性能。
在可选的实施方式中，β-Sialon晶须增强铜基复合材料是由体积分数为3％～30％的β-Sialon晶须以及体积分数为70％～97％的Cu及Cu基合金制备而成。若是β-Sialon晶须含量过量，会由于晶须团聚造成材料内部出现堆积孔缺陷，造成力学性能的降低。若是β-Sialon晶须含量较低，则增强效果不显著。在可选的实施方式中，β-Sialon晶须的形状为长棒状，晶须直径介于0.2～5μm之间，长度介于0.6～50μm之间，晶须长径比介于3～100。
本发明一实施方式中，以铜或铜基合金为基体相，以β-Sialon晶须为增强相，采用热压烧结技术或熔融铸造技术制备出β-Sialon晶须增强铜基复合材料。以下示例性地说明β-Sialon晶须增强铜基复合材料的制备方法。
β-Sialon晶须的原处理。将β-Sialon晶须在腐蚀液中混合12h～36h，得到表面光滑，杂质含量少的β-Sialon晶须。其中腐蚀液可为碱性腐蚀液(例如，KOH、NaOH等)或酸性腐蚀液(例如，H2SO4、HF酸溶液)。混合的方式可为球磨，转速为200～400转/分钟。
将β-Sialon晶须与铜粉(或/和铜基合金粉末)通过滚动球磨的方式进行混合，得到均匀稳定的混合粉体。球磨的转速科为200～400转/分钟，时间为2～8小时。Cu及Cu基合金原料可采用粉末颗粒，平均粒径为1～100μm。
将混合粉体装入石墨模具进行真空热压烧结，烧结温度为700～1100℃，压力为20MPa～40MPa，保温时间0.5h～2h，制备出具有较高致密度的β-Sialon晶须增强铜基复合材料。该烧结的气氛为真空或保护气氛。
将铜锭或铜基合金锭作为原料，加热到1100℃～1400℃直至熔融状态，得到熔融熔体。Cu及Cu基合金原料可采用相应金属锭。其中加热的时间一般可为0.5～2h。
将β-Sialon晶须和熔融溶液(熔融铜液、或铜基合金液))混合，并进行搅拌，得到均匀稳定的混合液。其中，搅拌的速率可为30转/分钟～300转/分钟，时间可为0.5～2小时。
将混合液倒入指定形状模具，冷却至室温，即制备出β-Sialon晶须增强铜基复合材料。
本发明中，通过使用预处理后的β-Sialon晶须，以及改变晶须含量、烧结制度等提高材料的强度、硬度、摩擦系数和耐磨性，同时使材料保持较高的热导率，可用于制作的闸片、齿轮、蜗轮或电机电刷等。
在本发明中，采用三点弯曲法测得所述β-Sialon晶须增强铜基复合材料的强度可为224～375MPa。采用洛氏硬度计测得所述β-Sialon晶须增强铜基复合材料的硬度可为47～97HRF。采用立式万能摩擦磨损试验机测得所述β-Sialon晶须增强铜基复合材料的摩擦系数可为0.65～0.83。采用激光热导仪测得所述β-Sialon晶须增强铜基复合材料的热导率可为36～320W·m-1·K-1。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1：
配备浓度为20％的HF溶液，加入β-Sialon晶须，球磨24h，转速设定为300转/分钟。然后除去表面酸液，并用去离子水清洗，直至浆料呈中性，干燥，过筛，得到表面光滑，杂质含量少的晶须；
取处理过质量为9.6g的β-Sialon晶须和863g中位粒径为1μm的纯铜粉混合，加入120g无水乙醇，球磨3h，转速设定为300转/分钟，得到均匀稳定的浆料。在50℃条件下干燥2h，过筛，得到混合原料粉体。将混合原料粉体倒入石墨模具中，进行真空热压烧结，烧结温度为900℃，保温时间1h，压力25MPa，制备出晶须体积分数为3％的β-Sialon晶须增强铜基复合材料。β-Sialon晶须增强铜基复合材料的抗弯强度、洛氏硬度见附表1。
实施例2：
配备浓度为20％的HF溶液，加入β-Sialon晶须，球磨24h，转速设定为300转/分钟。然后除去表面酸液，并用去离子水清洗，直至浆料呈中性，干燥，过筛，得到表面光滑，杂质含量少的晶须；
取处理过质量为96g的β-Sialon晶须和623g中位粒径为40μm的纯铜粉混合，加入150g无水乙醇，球磨3h，得到均匀稳定的前驱体浆料。在50～80℃条件下干燥2h，过筛，得到复合物前驱体粉末。将粉末倒入石墨模具中，进行真空热压烧结，烧结温度为980℃，保温时间1h，压力25MPa，制备出β-Sialon晶须体积分数为30％的β-Sialon晶须增强铜基复合材料。β-Sialon晶须增强铜基复合材料样件见附图2，抗弯强度、洛氏硬度见附表1。
实施例3：
配备浓度为20％的HF溶液，加入β-Sialon晶须，球磨24h，转速设定为300转/分钟。然后除去表面酸液，并用去离子水清洗，直至浆料呈中性，干燥，过筛，得到表面光滑，杂质含量少的晶须；
将质量为623g的锡青铜锭加热至1200℃至熔融状态，加入处理过质量为96g的β-Sialon晶须，并进行机械搅拌，搅拌速率为200转/分钟，搅拌时间2h，形成均匀未定的高温混合液。将高温混合液倒入模具中，并冷却至室温，即得到所需的晶须体积分数为30％的β-Sialon晶须增强铜基复合材料。β-Sialon晶须增强铜基复合材料的抗弯强度、洛氏硬度见附表1。
实施例4：
配备浓度为20％的HF溶液，加入β-Sialon晶须，球磨24h，转速设定为300转/分钟。然后除去表面酸液，并用去离子水清洗，直至浆料呈中性，干燥，过筛，得到表面光滑，杂质含量少的晶须；
将质量为863g的锡青铜锭加热至1300℃至熔融状态，加入处理过质量为9.6g的β-Sialon晶须，并进行机械搅拌，搅拌速率为150转/分钟，搅拌时间0.5h，形成均匀未定的高温混合液。将高温混合液倒入模具中，并冷却至室温，即得到所需的晶须体积分数为3％β-Sialon晶须增强铜基复合材料。β-Sialon晶须增强铜基复合材料样件见附图3，抗弯强度、洛氏硬度见附表1。
实施例5：
参见实施例1制备β-Sialon晶须增强铜基复合材料，区别在于：β-Sialon晶须含量为10vol％。
实施例6：
参见实施例1制备β-Sialon晶须增强铜基复合材料，区别在于：β-Sialon晶须含量为20vol％。
对比例1：
参见实施例1制备β-Sialon晶须增强铜基复合材料，区别在于：β-Sialon晶须含量为40vol％。
对比例2：
参见实施例1制备β-Sialon晶须增强铜基复合材料，区别在于：β-Sialon晶须含量为0vol％。
表1为各实施例制备的β-Sialon晶须增强铜基复合材料的烧结制度、组分含量、抗弯强度、洛氏硬度等性能参数：
Figure BDA0002267789950000061
Figure BDA0002267789950000071

Claims (11)

1.一种β-Sialon晶须增强铜基复合材料，其特征在于，所述复合材料以铜或铜基合金为基体相，以β-Sialon晶须作为增强相，所述β-Sialon晶须分布在基体相中；所述β-Sialon晶须的体积分数为3～30%。
2.根据权利要求1所述的β-Sialon晶须增强铜基复合材料，其特征在于，所述β-Sialon晶须的形状为长棒状，晶须直径介于 0.2～5μm之间，长度介于0.6～50μm之间，晶须长径比介于3～100之间。
3.一种如权利要求1或2所述的β-Sialon晶须增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，选用铜粉、铜基合金粉中至少一种，以及β-Sialon晶须作为原料粉体，采用热压烧结技术制备得到所述β-Sialon晶须增强铜基复合材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述热压烧结技术包括：将原料粉体混合后置于石墨模具中，在真空中、压力20MPa～40MPa、700～1100℃下，保温时间0.5～2小时，得到所述β-Sialon晶须增强铜基复合材料。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述铜粉的平均粒径为1～100μm；所述铜基合金粉的平均粒径为1～100μm。
6.一种如权利要求1或2所述的β-Sialon晶须增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，选用铜锭、铜基合金锭中至少一种，以及β-Sialon晶须作为原料，采用熔融铸造技术制备得到所述β-Sialon晶须增强铜基复合材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述熔融铸造技术包括：
（1）将铜锭或者铜合金锭加热至1100～1400℃，直至熔融状态后，再加入β-Sialon晶须并搅拌，得到混合液；
（2）将所得混合液倒入模具中，冷却至室温，得到所述β-Sialon晶须增强铜基复合材料。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述加热的时间为0.5～2小时。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌的速率为30转/分钟～300转/分钟，时间为0.5～2小时。
10.根据权利要求3-9中任一项所述的制备方法，其特征在于，在制备β-Sialon晶须增强铜基复合材料之前，将β-Sialon晶须进行预处理；所述预处理为将β-Sialon晶须置于腐蚀液中，处理12～36小时，得到表面光滑、杂质含量少的β-Sialon晶须。
11.一种权利要求1或2所述的β-Sialon晶须增强铜基复合材料制备的闸片、齿轮、蜗轮或电机电刷。
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