CN112342427A - 一种钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料及其制备方法、受电弓滑板 - Google Patents

一种钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料及其制备方法、受电弓滑板 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料及其制备方法、受电弓滑板，属于铜基合金技术领域。本发明的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料，由铜合金基体和分散在铜合金基体中的钼铝硼陶瓷颗粒组成；铜合金基体和钼铝硼陶瓷颗粒的质量比为70～90:10～30。本发明的铜基复合材料，钼铝硼陶瓷颗粒以及锡、铝、铁之间协同作用，不仅使铜基复合材料保持较高的电导性，还能使铜基复合材料的硬度适中并保持稳定的摩擦系数，作为受电弓滑板材料，对配副导线的滑动损伤程度较小，可以解决高速铁路用受电弓滑板导电性能差，润滑性能不足且易起弧等问题。

Description

一种钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料及其制备方法、受电 弓滑板
技术领域
本发明涉及一种钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料及其制备方法、受电弓滑板，属于铜基合金技术领域。
背景技术
随着我国航空航天、轨道交通和新能源技术的迅猛发展，在各种工况下服役的载流摩擦副材料面临着更为严峻的挑战。与常规的导电材料工况相比，载流摩擦材料需要在进行电力传导的同时承受一定的机械摩擦作用，在电流传输和机械摩擦交互作用下材料的使役性能直接影响到系统的耐久性、稳定性和可靠性。如风力发电电力传导摩擦系统、高速电动机车受电弓滑板、航天卫星太阳能帆板集电环以及大功率新能源汽车充电拔插组件等，均需要兼具优异力学性能和载流摩擦学性能的摩擦副材料。
铜材料具有优良的导电性、导热性以及加工性能，可作为载流摩擦材料的基体材料，但其硬度较低、基体强度较差和抗磨损性能不足等缺点极大的限制了其在某些特定领域的应用。通过在铜基体中直接加入或通过一定的工艺原位生成弥散分布的第二相颗粒能够显著增加铜基体材料的力学性能和抗磨减摩性能。常用作增强铜基体的第二相颗粒为Al2O3陶瓷颗粒。尽管Al2O3陶瓷颗粒能够在一定程度上增强铜基体的力学性能和抗磨减磨新能性能，但Al2O3陶瓷颗粒不导电且硬度大，使得Al2O3陶瓷颗粒强化的铜基体备材料在载流摩擦过程中并不能有效的进行电传导作用，且容易造成材料载流起弧损伤。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时具有优良导电性和润滑性的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料。
本发明的目的还在于提供一种钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的制备方法。
本发明还提供了一种采用上述钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料制备的受电弓滑板。
为了实现以上目的，本发明的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料所采用的技术方案是：
一种钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料，由铜合金基体和分散在铜合金基体中的钼铝硼陶瓷颗粒组成，所述铜合金基体和钼铝硼陶瓷颗粒的质量比为70～90:10～30。
本发明的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的铜合金基体中分散有一定量的钼铝硼(MoAlB，原子比Mo:Al:B＝1:1:1)陶瓷颗粒，由于钼铝硼陶瓷颗粒相较于Al2O3等陶瓷颗粒，不仅质软而且具有导电性，因而能够在较小程度地降低铜合金基体导电率的同时，大幅提高材料力学性能并降低材料的摩擦系数。同时钼铝硼陶瓷具有由MoB原子层和Al原子层交替排列而成的纳米层状结构，不仅易于机械加工并且具有润滑作用，可进一步降低材料的摩擦系数，从而减小配副导线的滑动损伤，提高铜基复合材料的摩擦系数稳定性。
本发明的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料具有电导率高而且摩擦系数十分稳定的特点，将其作为受电弓滑板材料，对配副导线的滑动损伤程度较小，可以解决高速铁路用受电弓滑板导电性能差，润滑性能不足且易起弧等问题。
为了提高的铜基复合材料的硬度和力学性能，优选的，所述铜合金基体由以下重量份数的组分组成：铜57～65份、锡4～8份、铁5～9份和铝4～8份。锡原子和铝原子能够固溶在铜基体中形成固溶体，对铜合金基体固溶强化，增强铜合金基体的耐磨性；铁原子分布在铜合金基体中晶体之间的晶界处，阻断晶界处裂纹扩展，增强铜合金基体的力学性能；钼铝硼陶瓷颗粒以及锡、铝、铁之间协同作用，不仅使铜基复合材料保持较高的电导性，还能使铜基复合材料的硬度适中。
所述钼铝硼陶瓷颗粒的中值粒径D50优选为≤38μm。控制钼铝硼陶瓷颗粒的粒径在上述范围使得钼铝硼陶瓷能够有效抑制铜基体的变形，使材料组织更容易均匀一致，能够产生钉扎效应，并尽可能保证导材料导电性能。
本发明的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的制备方法采用的技术方案为：
一种钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：将原料混合粉体进行热压烧结或压制成型后烧结，冷却即得；所述原料混合粉体由钼铝硼粉体和铜合金基体原料粉体组成。
本发明的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的制备方法，工艺简单，低成本、产率高，并且能够实现较大产品的制备，适合工业化生产。
优选的，所述热压烧结的温度为900～1000℃。所述热压烧结的压力为30～40MPa。所述热压烧结的时间为30～50min。所述热压烧结在真空条件下进行。在真空条件下热压烧结产生的技术效果为真空条件相较于其他无氧条件是不仅能够减少氧化物的生产，而且能够促进材料致密化。如所述真空条件的真空度为10-2～1Pa。
优选的，热压烧结前，在加压条件下以10～20℃/min的升温速率升温至热压烧结的温度。进一步的，热压烧结前的加压条件施加的压力等同于热压烧结的压力。
优选的，所述铜合金基体原料粉体包括铜粉、锡粉、铁粉和铝粉；所述铜粉、锡粉、铁粉和铝粉的中值粒径D50均≤100μm。进一步优选的，所述铜合金基体原料粉体的中值粒径D50为38μm。所采用的钼铝硼粉可以通过购买获得，也可以按照的现有钼铝硼粉体的制备方法进行制备。所述钼铝硼粉的中值粒径D50优选≤38μm。进一步的，所述原料混合粉体是将铜粉、锡粉、铁粉、铝粉和钼铝硼粉体进行球磨混料得到。优选的，所述球磨的转速为300～400r/min，球料比为4～6:1，球磨时间为10～20h。
优选的，所述冷却为随炉冷却。
本发明受电弓滑板采用技术方案为：
一种受电弓滑板，所述受电弓滑板的材料为上述钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料。
本发明的受电弓滑板的材料为本发明的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料，硬度适中、电导率高并且摩擦系数十分稳定，能有效起到抗磨减摩作用并缓解起弧问题。本发明的受电弓滑板可以采用现有受电弓滑板的制备方法制成各种结构的受电弓滑板。
附图说明
图1为实验例1中制得的实施例1的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的X射线衍射图；
图2为实验例1中制得的实施例2的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的X射线衍射图；
图3为实验例1中制得的实施例3的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的X射线衍射图；
图4为实验例1中制得的实施例1的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的腐蚀金相图；
图5为实验例2中制得的实施例2和3的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料与对比例的铜合金材料的摩擦振动曲线对比图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式本发明的技术方案作进一步的说明。
钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的实施例
实施例1
本实施例的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料，由铜合金基体和分散在铜合金基体中的钼铝硼陶瓷颗粒组成；铜合金基体由以下总量分数的组分组成：铜65份、锡8份、铁9份、铝8份；铜合金基体与钼铝硼陶瓷颗粒的质量比为90:10；钼铝硼陶瓷颗粒的中值粒径D50≤38μm。
实施例2
本实施例的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料，由铜合金基体和分散在铜合金基体中的钼铝硼陶瓷颗粒组成；铜合金基体由以下重量份数的组分组成：铜61份、锡6份、铁7份、铝6份；铜合金基体与钼铝硼陶瓷颗粒的质量比为80:20；钼铝硼陶瓷颗粒的中值粒径D50≤38μm。
实施例3
本实施例的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料，由铜合金基体和分散在铜合金基体中的钼铝硼陶瓷颗粒组成；铜合金基体由以下重量份数的组分组成：铜57份、锡4份、铁5份、铝4份；铜合金基体与钼铝硼陶瓷颗粒的质量比为70:30；钼铝硼陶瓷颗粒的中值粒径D50≤38μm。
钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的制备方法的实施例
实施例4
本实施例的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的制备方法，以实施例1的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料为例，包括以下步骤：
1)取配方量的铜粉、锡粉、铁粉、铝粉和钼铝硼粉进行干燥处理后，利用行星式球磨机进行球磨混匀得到原料混合粉，其中转速为400r/min，球料比为5:1，球磨时间为10h，磨球为钨钢球；所采用的铜粉、锡粉、铁粉和铝粉的中值粒径D50均为38μm，钼铝硼粉的中值粒径D50≤38μm；
2)将所得原料混合粉放入石墨模具中，在真空度为10-2～1Pa条件下，以10℃/min升温速率进行升温并同时加载40MPa的载荷，当温度升至热压烧结的温度时保温保压，即得；热压烧结的温度为1000℃，保温保压的压力为40MPa，保温保压的时间为50min。
实施例5
本实施例的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的制备方法，以实施例2的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料为例，包括以下步骤：
1)取配方量的铜粉、锡粉、铁粉、铝粉和钼铝硼粉进行干燥处理后，利用行星式球磨机进行球磨混匀得到原料混合粉，其中转速为350r/min，球料比为5:1，球磨时间为15h，磨球为钨钢球；所采用的铜粉、锡粉、铁粉和铝粉的中值粒径D50均为38μm，钼铝硼粉的中值粒径D50≤38μm；
2)将所得原料混合粉放入石墨模具中，在真空度为10-2～1Pa条件下，以15℃/min升温速率进行升温并同时加载35MPa的载荷，当温度升至热压烧结的温度时保温保压，即得；热压烧结的温度为950℃，保温保压的压力为35MPa，保温保压的时间为40min。
实施例6
本实施例的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的制备方法，以实施例3的钼铝硼陶瓷颗粒增强复合材料为例，包括以下步骤：
1)取配方量的铜粉、锡粉、铁粉、铝粉和钼铝硼粉进行干燥处理后，利用行星式球磨机进行球磨混匀得到原料混合粉，其中转速为300r/min，球料比为5:1，球磨时间为20h，磨球为钨钢球；所采用的铜粉、锡粉、铁粉和铝粉的中值粒径D50均为38μm，钼铝硼粉的中值粒径D50≤38μm；
2)将所得原料混合粉放入石墨模具中，在真空度为10-2～1Pa条件下，以20℃/min升温速率进行升温并同时加载30MPa的载荷，当温度升至热压烧结的温度时保温保压，即得；热压烧结的温度为900℃，保温保压的压力为30MPa，保温保压的时间为30min。
受电弓滑板的实施例
实施例7
本实施例的受电弓滑板的材料为实施例1～3中任意一种钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料作为受电弓滑板材料。受电弓滑板在制备时，选择具有与受电弓形状一致的腔体的石墨模具，按照实施例4～6中的方法进行制备，即得。
对比例
对比例的铜合金材料由以下重量份数的组分组成：铜57份、锡4份、铁5份、铝4份。对比例的铜基复合材料在制备时与实施例4的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的制备方法的区别仅在于省去钼铝硼粉。
实验例1
分别采用实施例4的制备方法制备的实施例1的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料、采用实施例5的制备方法制备的施例2的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料、采用实施例6的制备方法制备的施例3的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料；将各制得的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料进行表面打磨、抛光处理，然后进行X射线衍射测试和金相检测，X射线衍射测试所得的X射线衍射图谱见图1～3，对实施例1的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料进行金相检测所得腐蚀金相图见图4。
由X射线衍射图1～3可知，所制备复合材料均由铜合金和MoAlB两种物相组成，随着MoAlB陶瓷含量的增加，谱图中MoAlB衍射峰逐渐增强。由腐蚀金相图4可知，MoAlB陶瓷颗粒呈现层状结构，均匀分布在铜合金基体中。
实验例2
分别对实施例1～3的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料以及对比例的铜合金材料进行如下的性能测试：
1)硬度测试：根据GB/T 4340.1-2009(金属材料维氏硬度试验，第1部分：试验方法)进行维氏硬度测试；
2)电导率：根据GB/T 11007-2008(电导率仪试验方法)进行复合材料的电导率测试表征；
3)载流摩擦性能测试
测试方法为：在销-盘载流摩擦实验机上进行载流摩擦磨损实验测试，载荷为5N，转速为10m/s，电流为10A，配副材料为GCr 15轴承钢，测试时间为30min。
性能测试结果如表1所示，其中实施例2和实施例3的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料和对比例进行载流摩擦性能测试得到的振动摩擦曲线，见图5。
表1性能测试结果
Figure BDA0002763593970000061
由上述性能测试结果可知：与铜合金相比，硬度值提高了2倍以上，电导率有所降低，但载流摩擦系数明显改善，抗磨损性能有显著提升，表现出优异的载流摩擦学性能，这归结于：导电MoAlB陶瓷颗粒的添加，能够显著提高铜基体的强度和硬度，改善了铜基体材料在载流摩擦过程中的粘附作用，起到了明显了载流抗磨减摩作用。
由图5可知，对比例样品在摩擦过程中曲线振动较大，而本发明的铜基复合材料添加有MoAlB陶瓷颗粒，在摩擦过程中摩擦曲线较为平滑，振动明显减小，摩擦性能更为稳定。

Claims (9)

1.一种钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料，其特征在于：由铜合金基体和分散在铜合金基体中的钼铝硼陶瓷颗粒组成，所述铜合金基体和钼铝硼陶瓷颗粒的质量比为70～90:10～30。
2.根据权利要求1所述的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料，其特征在于：所述铜合金基体由以下重量份数的组分组成：铜57～65份、锡4～8份、铁5～9份和铝4～8份。
3.根据权利要求1或2所述的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料，其特征在于：所述钼铝硼陶瓷颗粒的中值粒径D50≤38μm。
4.一种如权利要求1所述的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将原料混合粉体进行热压烧结或压制成型后烧结，冷却即得；所述原料混合粉体由钼铝硼粉体和铜合金基体原料粉体组成。
5.根据权利要求4所述的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述铜合金基体原料粉体包括铜粉、锡粉、铁粉和铝粉；所述铜粉、锡粉、铁粉和铝粉的中值粒径D50均≤100μm。
6.根据权利要求4所述的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述热压烧结的温度为900～1000℃，热压烧结的压力为30～40MPa，热压烧结的时间为30～50min。
7.根据权利要求4所述的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：热压烧结前，在加压条件下以10～20℃/min的升温速率升温至热压烧结的温度。
8.根据权利要求4所述的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述热压烧结在真空条件下进行；所述真空条件的真空度为10-2～1Pa。
9.一种受电弓滑板，其特征在于：所述受电弓滑板的材料为权利要求1～3中任意一项所述的钼铝硼陶瓷颗粒增强铜基复合材料。
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