CN112458333A - 一种双相陶瓷减磨铜合金及其制备方法 - Google Patents

一种双相陶瓷减磨铜合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双相陶瓷减磨铜合金及其制备方法，该减磨铜合金包括铜合金基体，所述铜合金基体上分布有Al2O3陶瓷相及Si3N4陶瓷相。该方法为以铝粉、硅粉与氧化铜粉末为原料，借助于高能激光束热源，在氮气与氩气复合保护气氛中，铝与氧化铜间的铝热反应形成原位减磨Al2O3陶瓷相，同时硅与氮气作用形成润滑Si3N4陶瓷相。该方法形成的原位减磨陶瓷相与基体界面结合强，能有效降低铜合金在服役过程中的磨损率，进而提高其服役寿命。

Description

一种双相陶瓷减磨铜合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铜合金及其制备方法，尤其涉及一种双相陶瓷减磨铜合金及其制备方法。
背景技术
随着现代交通运输行业的不断发展，对车辆部件材料的性能需求也相应提高。摩擦材料是制造离合器的重要材料，其力学性能和耐磨性对车辆的安全平稳运行至关重要。铜以其优异的导电导热性和良好的成型性能而被广泛应用于制造车辆离合器的重要材料之一。铜的导热性好，摩擦表面温度上升缓慢，不易与对偶材料发生粘着，延长了摩擦副的使用寿命，且相对于铁基粉末冶金摩擦材料具有较好的抗腐蚀能力。但铜的机械强度相对低于铁，导致铜基粉末冶金摩擦片在重载条件下的应用收到限制。因此，提高铜合金耐磨性对提高离合器使用寿命至关重要。
传统的合金化法是向铜基体中加入Ag、Sn、Cr、Zr、Ni等合金元素，合金元素固溶到Cu基体中或与Cu生成金属化合物进而强化铜合金，但合金元素对铜合金基体的力学性能与耐磨性的强化作用有限。颗粒增强金属基复合材料兼具了金属基体的良好的延展性、导电导热性和陶瓷颗粒的高强度、高耐磨性和高温稳定性，与固溶强化元素相比，基体中的第二相对电子的散射作用要小很多。因此，陶瓷相的加入，不仅可显著提高铜基体的强度，且能促使铜合金的耐磨性得到提升。增强相颗粒的加入方式可分为外加法和原位法。相比于外加法，原位法是通过基体内的组元之间发生化学反应生成增强相颗粒，通过这些内生的弥散颗粒，提高基体的力学性能。目前，通过燃烧合成和热压复合工艺成形Cu-Ti-C复合粉末，形成原位TiC陶瓷增强铜合金，一定程度上提高了铜的耐磨性。Al2O3 具有高强度、高耐磨性、耐腐蚀等优点，并且经常作为摩擦组元加入铜基粉末冶金摩擦材料。故众多研究聚焦基于铝热反应在铜合金基体上形成Al2O3陶瓷相以增强其耐磨性。但目前多以单一原位陶瓷相增强铜合金，其对提高铜的耐磨性贡献度有限。故基于原位陶瓷相强化的铜合金耐磨性是当前亟需解决的难题。
发明内容
发明目的：本发明的第一个目的是提供一种减磨相与基体界面结合强、能有效降低铜合金在服役过程中的磨损率，进而提高其服役寿命的双相陶瓷减磨铜合金；
本发明的第二个目的是提供一种双相陶瓷减磨铜合金的制备方法。
技术方案：本发明所述的双相陶瓷减磨铜合金，包括铜合金基体，所述铜合金基体上分布有Al2O3陶瓷相及Si3N4陶瓷相。
优选的，所述Si3N4陶瓷相由硅与氮气在铜合金基体表面原位形成。
上述双相陶瓷减磨铜合金的制备方法，包括下述步骤：
(1)将铝粉与氧化铜粉末经球磨后获得Al/CuO粉末；
(2)向Al/CuO粉末中加入硅粉，继续球磨混合，获得复合材料粉末；
(3)在保护气氛下，采用激光束将复合材料粉末进行扫描烧结成形，在铜合金基体上原位形成Al2O3陶瓷与Si3N4陶瓷相。
优选的，步骤(1)中，所述铝粉和氧化铜粉末的摩尔比为2:3。
优选的，步骤(1)中，所述硅粉占复合材料粉末的质量比为3wt％～8wt％。
优选的，所述保护气氛为氩气与氮气。
优选的，所述氩气与氮气的流量比为99:1～90:10。
优选的，所述激光束功率为150～350W。
优选的，步骤(1)中，所述球磨在真空条件下进行。
优选的，步骤(1)中，所述球磨的转速为150～250rpm，球磨的时间为4～ 8h。
发明原理：本发明基于铜合金耐磨性能需求及复合材料设计学原理，采用高能球磨工艺，先将铝粉与氧化铜粉末在真空条件下球磨混合，在此基础上加入一定质量分数的硅粉，形成复合材料粉末。在高能激光束热源的激励作用下，铝与氧化铜粉末发生铝热反应2Al+3CuO→3Cu+Al2O3，形成原位减磨Al2O3陶瓷；同时硅粉和氮气在激光束的诱导下3Si+2N2→Si3N4反应形成原位润滑Si3N4陶瓷，在双相陶瓷的强化作用下，促使铜合金的耐磨性得到显著提升。另外，为避免纯铜粉末对激光的强反射作用，本发明采用廉价的氧化铜粉末作为原料，获得较好的激光吸收率，降低冶金缺陷，且能有效提高成形效率。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下突出的效果：
(1)本发明依据材料原位反应机理，创新设计了Al-CuO-Si-N材料体系，借助于高能激光束的诱导激励，原位反应形成具有减磨功能的Al2O3与润滑Si3N4双相陶瓷。相比于原位单相陶瓷增强铜合金，铜合金基体上分布原位双相陶瓷分散的强化作用更显著，有益于提高耐磨性。另一方面，Al2O3与Si3N4陶瓷相分别具有减磨与润滑功能，且与铜合金基体具有良好的界面结合能力，受载应力较大，从而提高铜合金的耐磨性。
(2)本发明以廉价的氧化铜作为铜合金的基体材料，一方面原材料来源广、价格低廉，显著提高了本发明的工艺的经济性；另一方面，以氧化铜为原材料，可避免纯铜粉末对激光的强反射作用，减小粉末冶金缺陷，既可提高合金的性能，也可降低激光能耗。
附图说明
图1为实施例1成形的原位双相陶瓷减磨铜合金的组织形貌。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明技术方案做进一步说明。
实施例1
(1)将铝粉与氧化铜粉末按摩尔比为2:3称量后，放入真空球磨罐中，采用高能球磨工艺混合，球磨转速为150rpm，球磨的时间为4h，获得均匀混合的 Al/CuO粉末；
(2)将上述步骤(1)中的Al/CuO粉末中加入质量分数3wt％的硅粉，继续球磨混合，获得混合均匀的复合材料粉末；
(3)在流量比99:1的氩气与氮气复合保护气氛下，采用功率为150W高能激光束将上述步骤(2)中的复合材料粉末进行扫描烧结成形，获得铜合金基体上分散原位减磨Al2O3陶瓷与润滑Si3N4陶瓷相。
图1为实施例1中成形的原位双相陶瓷减磨铜合金的显微组织形貌图，可发现原位Al2O3与Si3N4陶瓷相与铜合金基体界面结合较好，无明显冶金缺陷，同时，可看出原位陶瓷相在铜合金基体上的分散性较好。
实施例2
(1)将铝粉与氧化铜粉末按摩尔比为2:3称量后，放入真空球磨罐中，采用高能球磨工艺混合，球磨转速为200rpm，球磨的时间为6h，获得均匀混合的 Al/CuO粉末；
(2)将上述步骤(1)中的Al/CuO粉末中加入质量分数5wt％的硅粉，继续球磨混合，获得混合均匀的复合材料粉末；
(3)在流量比95:5的氩气与氮气复合保护气氛下，采用功率为250W高能激光束将上述步骤(2)中的复合材料粉末进行扫描烧结成形，获得铜合金基体上分散原位减磨Al2O3陶瓷与润滑Si3N4陶瓷相。
实施例3
(1)将铝粉与氧化铜粉末按摩尔比为2:3称量后，放入真空球磨罐中，采用高能球磨工艺混合，球磨转速为250rpm，球磨的时间为8h，获得均匀混合的 Al/CuO粉末；
(2)将上述步骤(1)中的Al/CuO粉末中加入质量分数8wt％的硅粉，继续球磨混合，获得混合均匀的复合材料粉末；
(3)在流量比90:10的氩气与氮气复合保护气氛下，采用功率为350W高能激光束将上述步骤(2)中的复合材料粉末进行扫描烧结成形，获得铜合金基体上分散原位减磨Al2O3陶瓷与润滑Si3N4陶瓷相。
实施例4
(1)将铝粉与氧化铜粉末按摩尔比为2:3称量后，放入真空球磨罐中，采用高能球磨工艺混合，球磨转速为250rpm，球磨的时间为8h，获得均匀混合的 Al/CuO粉末；
(2)将上述步骤(1)中的Al/CuO粉末中加入质量分数8wt％的硅粉，继续球磨混合，获得混合均匀的复合材料粉末；
(3)在流量比60:1的氩气与氮气复合保护气氛下，采用功率为350W高能激光束将上述步骤(2)中的复合材料粉末进行扫描烧结成形，获得铜合金基体上分散原位减磨Al2O3陶瓷与润滑Si3N4陶瓷相。
实施例5
(1)将铝粉与氧化铜粉末按摩尔比为2:3称量后，放入真空球磨罐中，采用高能球磨工艺混合，球磨转速为220rpm，球磨的时间为8h，获得均匀混合的 Al/CuO粉末；
(2)将上述步骤(1)中的Al/CuO粉末中加入质量分数8wt％的硅粉，继续球磨混合，获得混合均匀的复合材料粉末；
(3)在流量比30:1的氩气与氮气复合保护气氛下，采用功率为330W高能激光束将上述步骤(2)中的复合材料粉末进行扫描烧结成形，获得铜合金基体上分散原位减磨Al2O3陶瓷与润滑Si3N4陶瓷相。
实施例2和3中成形的原位双相陶瓷减磨铜合金的磨损率在7.83～9.52×10-6mm3·min-1范围内。而使用现有技术报道的成形工艺成形的铜合金最优磨损率为 1.36×10-5mm3·min-1，进一步说明本发明提供的原位双相陶瓷减磨铜合金的制备方法能有效降低铜合金的磨损率。
对比例
采用现有技术以直接添加法将Al2O3陶瓷加入铜合金粉末进行球磨混合，再采用粉末冶金工艺成形混合粉末，获得非原位合成Al2O3陶瓷增强铜合金，其磨损率最低可达约0.06mm3·min-1。

Claims (9)

1.一种双相陶瓷减磨铜合金，其特征在于，包括铜合金基体，所述铜合金基体上分布有Al2O3陶瓷相及Si3N4陶瓷相。
2.根据权利要求1所述的双相陶瓷减磨铜合金，其特征在于，所述Si3N4陶瓷相由硅与氮气在铜合金基体表面原位形成。
3.一种双相陶瓷减磨铜合金的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)将铝粉与氧化铜粉末经球磨后获得Al/CuO粉末；
(2)向Al/CuO粉末中加入硅粉，继续球磨混合，获得复合材料粉末；
(3)在保护气氛下，采用高能激光束将复合材料粉末进行扫描烧结成形，在铜合金基体上原位形成Al2O3陶瓷与Si3N4陶瓷相。
4.根据权利要求3所述的双相陶瓷减磨铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述硅粉占复合材料粉末的质量比为3wt％～8wt％。
5.根据权利要求3所述的双相陶瓷减磨铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述保护气氛为氩气与氮气。
6.根据权利要求5所述的双相陶瓷减磨铜合金的制备方法，其特征在于，所述氩气与氮气的流量比为99:1～90:10。
7.根据权利要求3所述的双相陶瓷减磨铜合金的制备方法，其特征在于，所述激光束功率为150～350W。
8.根据权利要求3所述的双相陶瓷减磨铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述球磨在真空条件下进行。
9.根据权利要求3所述的双相陶瓷减磨铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述球磨的转速为150～250rpm，球磨的时间为4～8h。
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Denomination of invention: The invention relates to a dual phase ceramic wear reducing copper alloy and a preparation method thereof

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License type: Common License

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