CN111906301A - 一种铜基石墨自润滑梯度功能材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜基石墨自润滑梯度功能材料及其制备方法，是将铜粉作为基体材料、石墨粉作为润滑相，混合均匀并通过电磁振动获得梯度粉末，再经压制、烧结，从而获得铜基石墨自润滑梯度功能材料。本发明所获得的铜基石墨自润滑梯度功能材料，从上至下石墨粉含量逐渐均匀降低、铜粉含量逐渐均匀升高，使其上层具有优异的润滑作用、下层具有铜本身的强度和硬度，拓宽了其应用范围；且本发明的制备方法简单、产品性能稳定，可实现工业生产。

Description

一种铜基石墨自润滑梯度功能材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铜基石墨复合材料领域，具体涉及一种铜基石墨自润滑梯度功能材料的制备方法。
背景技术
铜是一种高导电、导热材料，具有很好的延展性、耐腐蚀、耐磨损等性能。石墨呈灰黑色，具有很多优良的特性，如化学稳定性、耐高温性、导电导热性、润滑性等。许多学者将石墨作为润滑相添加在铜基体中，制备出铜基石墨复合材料，以发挥其优良的性能。铜基石墨作为一种耐磨、润滑材料被广泛应用，如已广泛应用在电气(电刷、电触头等)、机械制造行业(仪器仪表中零部件的使用、滑动轴承等)、交通运输(发动机中的导向套、轴套等)，以及一些涉及到摩擦(电摩擦)应用的场合，如轨道列车中的机车闸瓦、制动闸片、受电弓滑板等。
但是目前随着高铁、航空航天等行业的发展，对于材料的耐磨、润滑性等性能有了更高的要求，因此需要发展一种更加耐磨以及润滑性能更加优良的材料，来满足这种应用场合的需求。
发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供了一种铜基石墨自润滑梯度功能材料的制备方法，旨在通过梯度成分的合理设计，获得具有更优耐磨性和润滑性的铜基石墨复合材料。
本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：
一种铜基石墨自润滑梯度功能材料的制备方法，其特点在于：将铜粉作为基体材料、石墨粉作为润滑相，混合均匀并通过电磁振动获得梯度粉末，再经压制、烧结，从而获得铜基石墨自润滑梯度功能材料。
进一步地，所述铜粉与所述石墨粉混合的体积百分比为80％-98％：20％-2％。
进一步地：所述石墨为鳞片状石墨、球形石墨或石墨纤维；所述石墨粉的尺寸为150-5000目。
进一步地：所述铜粉为球形铜粉、片状铜粉或电解铜粉；所述铜粉的尺寸为200-500目。
进一步地，本发明铜基石墨自润滑梯度功能材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、按配比称取石墨粉和铜粉，利用轴式辊磨机混合均匀，获得混合粉末；
步骤2、将所述混合粉末倒入压制模具中，通过带动模具电磁振动，获得梯度粉末；
步骤3、将所述梯度粉末压制成型；
步骤4、用氨分解气体(N2、H2)为保护气氛，对成型后样品进行烧结，即获得铜基石墨自润滑梯度功能材料。
进一步地，步骤1中，轴式辊磨机的转速为300-800r/min，混合时间为30min-2h。具体的时间和转速根据石墨粉和铜粉不同的体积百分比来确定。
进一步地，步骤2中，振动时间为10-15s，振动频率为20-50Hz，振动强度为无量纲加速度Γ＝4π2f2A/g，且Γ为4-5，其中：f为振动频率、A为振幅、g为重力加速度。
进一步地，步骤3中，所述压制成型的压力为400-600MPa，保压时间为5-10min。具体压制压力根据产品性能的要求进行选择。
进一步地，步骤4中，所述烧结的温度为800-960℃、保温时间为1-3h。优选的，所述保温烧结的工艺条件为：先由室温以3℃/min的升温速率加热到300℃，保温30min～1h；然后以4℃/min的升温速率加热到800-960℃，保温1-3h；再以5℃/min的降温速率降至500℃；最后自然冷却到室温。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明所获得的铜基石墨自润滑梯度功能材料，从上至下石墨粉含量逐渐均匀降低、铜粉含量逐渐均匀升高，使其上层具有优异的润滑作用、下层具有铜本身的强度和硬度，拓宽了其应用范围；且本发明的制备方法简单、产品性能稳定，可实现工业生产。
附图说明
图1为本发明铜基石墨自润滑梯度功能材料的制备流程图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本发明进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例所用铜粉为尺寸325目的球形铜粉，所用石墨粉为尺寸500目的鳞片状石墨。
实施例1
本实施例的铜基石墨自润滑梯度功能材料按如下步骤制得：
步骤1、按照铜粉与石墨粉混合的体积百分比为98％：2％，称取石墨粉和铜粉，利用轴式辊磨机混合均匀，轴式辊磨机的转速为800r/min，混合时间为30min，获得混合粉末。
步骤2、将混合粉末倒入压制模具中，通过带动模具电磁振动，振动时间为10s、振动频率为30Hz，振动强度为无量纲加速度Γ＝4π2f2A/g，且Γ＝4，获得梯度粉末。
步骤3、将梯度粉末压制成型，压制成型的压力为400MPa，保压时间为5min。
步骤4、将成型后的压块在烧结炉中烧结，氨分解气体为保护气氛，先由室温以3℃/min的升温速率加热到300℃，保温30min；然后以4℃/min的升温速率加热到800℃，保温1h；再以5℃/min的降温速率降至500℃；最后自然冷却到室温。取出样品，制得铜基石墨自润滑梯度功能材料。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于：不进行步骤2梯度粉末的制备，直接将步骤1获得的混合粉末进行压制和烧结，获得非梯度的对比样品。
实施例2
本实施例的铜基石墨自润滑梯度功能材料按如下步骤制得：
步骤1、按照铜粉与石墨粉混合的体积百分比为80％：20％，称取石墨粉和铜粉，利用轴式辊磨机混合均匀，轴式辊磨机的转速为300r/min，混合时间为2h，获得混合粉末。
步骤2、将混合粉末倒入压制模具中，通过带动模具电磁振动，振动时间为15s、振动频率为50Hz，振动强度为无量纲加速度Γ＝4π2f2A/g，且Γ＝5，获得梯度粉末。
步骤3、将梯度粉末压制成型，压制成型的压力为600MPa，保压时间为10min。
步骤4、将成型后的压块在烧结炉中烧结，氨分解气体为保护气氛，先由室温以3℃/min的升温速率加热到300℃，保温30min；然后以4℃/min的升温速率加热到960℃，保温3h；再以5℃/min的降温速率降至500℃；最后自然冷却到室温。取出样品，制得铜基石墨自润滑梯度功能材料。
对比例2
本对比例与实施例2的区别在于：不进行步骤2梯度粉末的制备，直接将步骤1获得的混合粉末进行压制和烧结，获得非梯度的对比样品。
将所制得的各样品在改进后的M-200摩擦磨损试验机上进行实验，实验载荷为50N、实验速度为200r/min、实验时间为30min。所测得的各样品的性能参数如表1所示：
表1实施例与对比例各样品的性能参数对照
实施例1 对比例1 实施例2 对比例2
摩擦系数(μ) 0.2 0.39 0.13 0.18
磨损量(g) 1.03 1.8 0.26 0.92
布氏硬度(HB) 30-46 40 20-45 30
表1中，实施例1、2所得样品两侧的布氏硬度因成分的不同而不同，铜含量高的一侧硬度高、石墨含量高的一侧硬度低。
由该结果可知，本发明方法所获得的铜基石墨自润滑梯度功能材料具有更好的耐磨润滑性能。
以上所述仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铜基石墨自润滑梯度功能材料的制备方法，其特征在于：将铜粉作为基体材料、石墨粉作为润滑相，混合均匀并通过电磁振动获得梯度粉末，再经压制、烧结，从而获得铜基石墨自润滑梯度功能材料。
2.根据权利要求1所述的一种铜基石墨自润滑梯度功能材料的制备方法，其特征在于：所述铜粉与所述石墨粉混合的体积百分比为80％-98％：20％-2％。
3.根据权利要求1所述的一种铜基石墨自润滑梯度功能材料的制备方法，其特征在于：所述石墨为鳞片状石墨、球形石墨或石墨纤维；所述石墨粉的尺寸为150-5000目。
4.根据权利要求1所述的一种铜基石墨自润滑梯度功能材料的制备方法，其特征在于：所述铜粉为球形铜粉、片状铜粉或电解铜粉；所述铜粉的尺寸为200-500目。
5.根据权利要求1所述的一种铜基石墨自润滑梯度功能材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、按配比称取石墨粉和铜粉，利用轴式辊磨机混合均匀，获得混合粉末；
步骤2、将所述混合粉末倒入压制模具中，通过带动模具电磁振动，获得梯度粉末；
步骤3、将所述梯度粉末压制成型；
步骤4、用氨分解气体为保护气氛，对成型后样品进行烧结，即获得铜基石墨自润滑梯度功能材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤1中，轴式辊磨机的转速为300-800r/min，混合时间为30min-2h。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤2中，振动时间为10-15s，振动频率为20-50Hz，振动强度为无量纲加速度Γ＝4π2f2A/g，且Γ为4-5，其中：f为振动频率、A为振幅、g为重力加速度。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述压制成型的压力为400-600MPa，保压时间为5-10min。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤4中，所述烧结的温度为800-960℃、保温时间为1-3h。
10.一种权利要求1～9中任意一项所述制备方法所获得的铜基石墨自润滑梯度功能材料。
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