CN113151706A - 一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法，将Cu粉，Sn粉和WB2粉末机械混合得到混合粉末；用冷等静压法进行压坯；将坯体进行真空热压烧结、降温冷却，得到WB2/CuSn10复合材料；冷轧后得到高强度WB2/CuSn10复合材料；本发明提高铜基体复合材料的摩擦磨损性能及强度硬度，利用二硼化钨代替铅锡青铜中的铅通过热压烧结法所制备出的复合材料组织分布均匀，其平均摩擦系数0.08左右，相比传统的锡铅青铜摩擦系数0.31较低；本发明所制备的复合材料摩擦系数降低，从而提高耐磨铜的使用时间，延长其在高速摩擦环境下的使用寿命，可应用在摩擦减磨材料和机械轴承零件材料等领域。
Description
技术领域
本发明属于铜金属复合材料制备方法技术领域，具体涉及一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法。
背景技术
锡青铜是我们国家最早使用的铸造铜合金，现代工业通过加入P、Pb、Ni等合金元素，使得锡青铜具有较好的耐磨性，耐蚀性以及较高的强度和很好的塑性，其中铅锡青铜由于良好的导电性，耐磨性，早期被广泛地应用在发动机上的轴承，轴套等机械零件。
目前，随着国家所倡导的绿色发展，以及铅青铜中铅作为自润滑材料附着在铜基体表面，虽起到减少摩擦作用，但是在高速的工作环境下，铅锡青铜会产生铅蒸汽，对人体造成伤害，无法实现绿色化。因此，需要制备出一种替代铅青铜的材料，在不影响导电率的同时，具有良好的耐磨性，据调查，WB2是一种新型超硬材料，并且具有良好的导电性和耐磨性，广泛受到研究人员关注。
发明内容
本发明的目的是提供一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法，制备的符合材料硬度高，摩擦系数降低，耐磨性好。
本发明所采用的技术方案是，一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法，具体按以下步骤实施：
步骤1，将Cu粉，Sn粉和WB2粉末按照一定的比例机械混合，进行预处理，得到混合粉末；
步骤2，将混合粉末用冷等静压法进行压坯；
步骤3，将冷压成型的坯体进行真空热压烧结，随后随炉降温冷却，得到WB2/CuSn10复合材料；
步骤4，将得到的复合材料进行冷轧，得到高强度WB2/CuSn10复合材料。
本发明的特点还在于：
其中步骤1中WB2粉末占WB2/CuSn10复合材料总质量的5-13％、锡粉占10％、剩余为铜粉；
其中机械混合为通过多功能球磨机，以300-600r/min的转速混粉4-6h，得到行星式铜锡粉包覆WB2混合粉末；
其中步骤2中将混合粉末采用冷压模具冷压成坯，在冷压过程中压强为150-250MPa，保压时间为30-240s；
其中步骤3具体包括以下步骤：
首先将冷压成型的坯体进行真空热压烧结：
将对冷压形成的坯先放入石墨坩埚中，随后一起放入真空热压炉中，在真空度低于6.67×10-2Pa时开始升温，以5℃/min由室温升温至300℃-600℃，保温30-60min，保压0MPa；随后以5℃/min加热至700-950℃，保温30-60min，开始进行加压10-25MPa；随炉降温冷却至室温，得到WB2/CuSn10复合材料；
其中步骤3中真空热压烧结过程中真空度不低于6.67×10-2Pa进行烧结；
其中步骤4中将烧结后的WB2/CuSn10复合材料进行冷轧塑性变形，变形量是20-40％，WB2粉末的尺寸为1-8μm，形状是椭球形。
本发明的有益效果是：
本发明的一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法，改善了WB2/CuSn10复合材料的摩擦磨损性能，有效降低其摩擦系数，利用二硼化钨代替ZCuPb10Sn10的铅元素，所制备出WB2/CuSn10复合材料的组织分布均匀，其平均摩擦系数0.08左右相比传统的铅青铜ZCuPb10Sn10的摩擦系数0.31低，且该复合材料的硬度高，导电率与铅青铜ZCuPb10Sn10相近。本发明所制备的WB2/CuSn10复合材料摩擦系数降低、耐磨性好，可应用在摩擦减磨材料和机械轴承零件材料等领域。
附图说明
图1是本发明的一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法中替代Pb的WB2粉末颗粒图；
图2是本发明的一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法中实施例2所制备的WB2/CuSn10复合材料扫描电镜组织图；
图3是本发明的一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法中实施例3所制备的WB2/CuSn10复合材料与ZCuPb10Sn10摩擦系数对比图；
图4是本发明的一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法中实施例1-4所制备的WB2/CuSn10复合材料导电率变化图；
图5是本发明的一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法中预处理得到的行星式粉末示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，Cu粉、Sn粉和WB2粉按照一定比例装入混料机中，其中，WB2粉末占WB2/CuSn10复合材料总质量的5-13％左右，其余分布为Cu粉、Sn粉，通过多功能球磨机，以300-600r/min的转速混粉4-6h，得到行星式Cu粉，Sn粉包覆WB2混合粉末，如图1所示，添加陶瓷相为硼钨系列中的WB2粉末，呈椭球形，平均粒径为7μm，根据第一性原理计算，WB2的硬度为43.8GPa左右，具有良好的导电性、耐磨性；
如图5所示，通过多功能球磨机，使得粉末不断进行碾碎，冷焊，最终得到行星式铜锡粉包覆WB2混合粉末，其中铜粉、锡粉包覆WB2粉表面。得到的明显效果在烧结过程，铜锡粉包覆WB2混合粉末的烧结温度降低，烧结后，组织更为致密，复合材料结合强度高，解决了工业生产WB2陶瓷粉末不能直接使用的问题；
步骤2，将混合粉末通过冷等静压法采用冷等静压模具冷压成坯，在冷压过程中压强为150-250MPa，保压时间为30-240s；
步骤3，对冷等静压形成的坯进行真空热压烧结：将对冷压形成的坯先放入石墨坩埚中，随后一起放入真空热压炉中，在真空度低于6.67×10-2Pa，开始升温，以5℃/min由室温升温至300℃-600℃，保温30-60min，保压0MPa；随后以5℃/min加热至700-950℃，保温30-60min，开始进行加压10-25MPa；
随炉降温冷却至室温，得到WB2/CuSn10复合材料；真空热压烧结过程中，真空度不低于6.67×10-2Pa进行烧结；
步骤4，将热压烧结得到的复合材料，进行冷轧塑性变形，变形量是20-40％，得到高致密的WB2/CuSn10复合材料，WB2粉末的尺寸为1-8μm，形状是椭球形。
实例1
步骤1，称取WB2粉末作为增强体，Sn粉、Cu粉作为基体，其中WB2粉末其晶体结构呈六方晶系，具有良好的导电性和润滑性，尺寸大小为1-8μm，所选锡粉尺寸大小是，40-60μm，所选Cu粉尺寸大小60-100μm。将混合粉末装入行星混料机中，进行粉末预处理，加入304不锈钢球磨珠(球料比为1：3)，在氮气的保护下，以300r/min的转速混粉6h，得到行星式Cu粉、Sn粉包覆WB2混合粉末；
步骤2，粉末放入冷等静压模具中，进行冷等静压成型，压强为250MPa，时间为240s.
步骤3，对冷等静压形成的坯进行真空热压烧结，真空烧结具体包括以下步骤：
将对冷压形成的坯先放入石墨坩埚中，随后一起放入真空热压炉中，在真空度低于8×10-3Pa，开始升温，以5℃/min由室温升温至300℃，保温30min，保压0MPa；然后以5℃/min由300℃升温至600℃，保温30min，保压10MPa；随后以5℃/min加热至750℃，保温30min，开始进行加压25MPa；
随炉降温冷却至室温，得到WB2/CuSn10复合材料；
真空热压烧结过程中，真空度不低于6.67×10-2Pa进行烧结；
步骤4，将烧结后的WB2/CuSn10复合材料进行冷轧塑性变形，变形量是30％，得到其导电率4.2MS/m，硬度108HB。
实例2
步骤1，称取WB2粉末作为增强体，Sn粉、Cu粉作为基体，其中WB2粉末其晶体结构呈六方晶系，具有良好的导电性和润滑性，尺寸大小为1-8μm，所选锡粉尺寸大小是，40-60μm，所选Cu粉尺寸大小60-100μm；将混合粉末装入行星混料机中，进行预处理，加入304不锈钢球磨珠(球料比为1：3)，在氮气的保护下，以300r/min的转速混粉6h，得到行星式Cu粉、Sn粉包覆WB2混合粉末；
步骤2，粉末放入冷等静压模具中，进行冷等静压成型，压强为250MPa，时间为240s；
步骤3，将对冷压形成的坯先放入石墨坩埚中，随后一起放入真空热压炉中，在真空度低于8×10-3Pa，开始升温，以5℃/min由室温升温至300℃，保温30min，保压0MPa；然后以5℃/min由300℃升温至600℃，保温30min，保压0MPa；随后以5℃/min加热至800℃，保温60min，开始进行保压20MPa；
随炉降温冷却至室温，得到WB2/CuSn10复合材料，真空热压烧结过程中，真空度不低于6.67×10-2Pa进行烧结；
步骤4，将烧结后的WB2/CuSn10复合材料进行冷轧塑性变形，变形量是20％，得到实例2样品，其导电率5.6MS/m，硬度117HB；
如图2所示，可以观察粉末冶金法制备WB2/CuSn10材料组织形貌，其第二相均匀分布在组织基体中，没有团结现象，且与基体结合良好，无明显孔隙和裂纹。
实例3
步骤1，称取WB2粉末作为增强体，Sn粉、Cu粉作为基体，其中WB2粉末其晶体结构呈六方晶系，具有良好的导电性和润滑性，尺寸大小为1-8μm，所选锡粉尺寸大小是，40-60μm，所选Cu粉尺寸大小60-100μm。将混合粉末装入行星混料机中，进行预处理，加入304不锈钢球磨珠(球料比为1：3)，在氮气的保护下，以300r/min的转速混粉6h，得到行星式Cu粉、Sn粉包覆WB2混合粉末；
步骤2，粉末放入冷等静压模具中，进行冷等静压成型，压强为250MPa，时间为240s；
步骤3，将对冷压形成的坯先放入石墨坩埚中，随后一起放入真空热压炉中，在真空度低于6.67×10-2Pa，开始升温，以5℃/min由室温升温至300℃，保温30min，保压0MPa；然后以5℃/min由300℃升温至600℃，保温30min，保压0MPa；随后以5℃/min加热至850℃，保温45min，开始进行保压10MPa；
随炉降温冷却至室温，得到WB2/CuSn10复合材料；真空热压烧结过程中，真空度不低于6.67×10-2Pa进行烧结；
步骤4，将烧结后的WB2/CuSn10复合材料进行冷轧塑性变形，变形量是30％，得到样品导电率8.6MS/m，硬度122HB；
如图3所示，销盘式摩擦实验检测：实例3所得WB2/CuSn10复合材料的平均摩擦系数(0.007)小于传统工业使用的铅锡青铜的平均摩擦系数(0.39)，耐磨性更好；实验条件：磨损时间为80min、转速为300r/min、对偶材料为热处理后的45#钢材料。
实例4
步骤1，称取WB2粉末作为增强体，Sn粉、Cu粉作为基体，其中WB2粉末其晶体结构呈六方晶系，具有良好的导电性和润滑性，尺寸大小为1-8μm，所选锡粉尺寸大小是，40-60μm，所选Cu粉尺寸大小60-100μm。将混合粉末装入行星混料机中，进行预处理，加入304不锈钢球磨珠(球料比为1：3)，在氮气的保护下，以300r/min的转速混粉6h，得到行星式Cu粉、Sn粉包覆WB2混合粉末；
步骤2，粉末放入冷等静压模具中，进行冷等静压成型，压强为250MPa，时间为240s；
步骤3，将对冷压形成的坯先放入石墨坩埚中，随后一起放入真空热压炉中，在真空度低于6.67×10-2Pa，开始升温，以5℃/min由室温升温至300℃，保温30min，保压0MPa；然后以5℃/min由300℃升温至600℃，保温30min，保压0MPa；随后以5℃/min加热至900℃，保温60min，开始进行保压15MPa；
随炉降温冷却至室温，得到WB2/CuSn10复合材料；真空热压烧结过程中，真空度不低于6.67×10-2Pa进行烧结；
步骤4，将烧结后的WB2/CuSn10复合材料进行冷轧塑性变形，变形量是30％，得到样品导电率8.2MS/m，硬度125HB。
如图4所示，对不同温度下烧结后WB2/CuSn10复合材料的导电率进行测量统计，可以观察出，随着烧结温度的升高，第二相与Cu-Sn基体界面结合良好，孔隙大幅度减少，WB2/CuSn10复合材料组织更为致密，最终使得第二相WB2更好发挥其导电性，其导电率最高为8.6MS/m。
Claims (7)
1.一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1，将Cu粉，Sn粉和WB2粉末按照一定的比例机械混合，进行预处理，得到混合粉末；
步骤2，将混合粉末用冷等静压法进行压坯；
步骤3，将冷压成型的坯体进行真空热压烧结，随后随炉降温冷却，得到WB2/CuSn10复合材料；
步骤4，将得到的复合材料进行冷轧，得到高强度WB2/CuSn10复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中WB2粉末占WB2/CuSn10复合材料总质量的5-13％，锡粉占10％、剩余为铜粉；。
3.根据权利要求2所述的一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法，其特征在于，所述机械混合为通过多功能球磨机，以300-600r/min的转速混粉4-6h，得到行星式铜锡粉包覆WB2混合粉末。
4.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中将混合粉末采用冷压模具冷压成坯，在冷压过程中压强为150-250MPa，保压时间为30-240s。
5.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：
首先将冷压成型的坯体进行真空热压烧结：
将对冷压形成的坯先放入石墨坩埚中，随后一起放入真空热压炉中，在真空度低于6.67×10-2Pa时开始升温，以5℃/min由室温升温至300℃-600℃，保温30-60min，保压0MPa；随后以5℃/min加热至700-950℃，保温30-60min，开始进行加压10-25MPa；随炉降温冷却至室温，得到WB2/CuSn10复合材料。
6.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中真空热压烧结过程中真空度不低于6.67×10-2Pa进行烧结。
7.根据权利要求1所述的一种低摩擦系数WB2/CuSn10复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中将烧结后的WB2/CuSn10复合材料进行冷轧塑性变形，变形量是20-40％，WB2粉末的尺寸为1-8μm，形状是椭球形。
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