CN116393704A - 一种无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料及其制备方法，通过采用无压烧结的制备工艺，能够有效降低设备要求，扩大产能，同时制备出具有优良的导电性能、耐磨性能、润滑性能的受电弓滑板材料，并且易于实现自动化，为该材料在受电弓滑板领域的大规模推广提供了一种可行的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于铜基复合材料技术领域，具体涉及一种无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料及其制备方法。
背景技术
目前广泛应用的浸金属碳滑板，具有良好的减摩润滑性能和较低的电阻率，但其机械强度尤其是剪切强度、硬度都难以适应350km/h的高速铁路受电弓滑板要求。早期使用的粉末冶金滑板虽然强度高，导电性能好，但是对铜接触导线的磨损较为严重，在高速电力机车滑板应用中被碳滑板取代。碳滑板在应用中存在强度低、易剥落、寿命短的缺点，同时导电性能也需要提高。铜、钢为第一代受电弓滑板材料，导电性能好，强度高，制备成本低，但对电网导线磨损较大，已被淘汰；铜系、钢系粉末冶金材料为第二代受电弓滑板材料，通过在铜或钢基体中加入润滑相如MoS2、石墨等，在延续第一代材料导电、强度的优良性能基础上，减少了对铜导线的摩擦，但仍有较大的破坏作用，导致电网维护成本高；碳滑板、浸金属碳滑板为第三代受电弓滑板材料，使用以碳为基体的滑板材料，在存有一定导电性能的基础上，极大减少了对电网的摩擦作用，但是碳基滑板材料具有强度低、寿命短、电阻率大的缺点，即使经过改变制备工艺，浸渗二元、三元铜合金的方式提高导电性能和强度，对滑板材料的性能提高也有限，在高速列车服役条件下，仍有很大的提升空间，无法兼得导电性能、机械强度、滑板寿命、对铜导线摩擦性能等多个要素条件。因此，制备满足时代发展要求的新型滑板材料成为一项重要需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料及其制备方法，用于解决目前受电弓滑板材料物理性能差，服役寿命短的技术问题，通过性能可控的优势，使其在服役时发挥优良的减摩、抗磨、导电作用。
本发明采用以下技术方案：
一种无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料制备方法，将Cu/Ti3AlC2粉末中加入无水乙醇，经球磨混粉至完全均匀，得到Cu/Ti3AlC2粉末；将Cu/Ti3AlC2粉末压制成块体；对压制的块体进行无压烧结，获得Cu/Ti3AlC2复合材料。
具体的，Cu/Ti3AlC2粉末的成分比例为：Cu为20Vol.％～60Vol.％，Ti3AlC2为40Vol.％～80Vol.％。
具体的，无水乙醇的添加量占Cu/Ti3AlC2粉末的20％～30％。
具体的，球磨混粉的球料比为(5～10)：1，球磨转速为300～400r/min、球磨时间为10～15h。
进一步的，磨球为1：1：1混合的5mm、7mm、10mm玛瑙球。
具体的，将Cu/Ti3AlC2粉末压制成块体的压坯压强为300～400MPa，保压时间为120～180s。
进一步的，模具为直径20～25mm的不锈钢模具，模具内部使用脱模剂。
具体的，无压烧结的升温速率为10℃/min，保温温度为800～1200℃，保温时间为1～2h。
进一步的，无压烧结在氩气气氛中进行。
本发明的另一技术方案是，一种无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
一种无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料制备方法，通过采用无压烧结的制备工艺，能够有效降低设备要求，扩大产能，同时制备出具有优良的导电性能、耐磨性能、润滑性能的受电弓滑板材料，并且易于实现自动化，为该材料在受电弓滑板领域的大规模推广提供了一种可行的制备方法。
进一步的，Cu/Ti3AlC2粉末的成分比例为：Cu为20～60Vol.％，Ti3AlC2为40～80Vol.％，能够保证复合材料具有良好的导电性能与润滑性能，满足所需要的服役工况。
进一步的，无水乙醇的比重为所加粉末的20～30％，能够准确控制粉末之间的混合程度，保证复合材料组织的均匀化。
进一步的，球磨转速为300～400r/min、球磨时间为10～15h，能够准确控制粉末之间的混合程度，保证复合材料组织的均匀化。
进一步的，磨球为1：1：1混合的5mm、7mm、10mm玛瑙球，较大尺寸的磨球能够提供更大的研磨能量，较小尺寸磨球提供更大撞击次数，利于粉末的混合的均匀化。
进一步的，压坯压强为300～400MPa，保压时间为120～180s，能够避免粉末由于压强、保载时间的原因出现开裂问题，保证压坯质量，有利于烧结过程。
进一步的，模具尺寸为直径20～25mm的不锈钢模具，模具内部使用脱模剂，可以保证样品压坯质量，降低脱模难度，使得试样表面光洁。
进一步的，升温速率为10℃/min，样品在800～1200℃保温，保温时间为1h，能够保证样品无氧化、组织致密，导电性能优良，保障减摩性能，样品无成分偏析、裂纹、气孔、夹杂、氧化物等缺陷，强度和硬度高，无压烧结的工艺可以提高产能，有利于实现自动化。
进一步的，无压烧结在氩气气氛中进行，便于减少样品在烧结过程中金属成分的氧化现象。
综上所述，本发明有效避免传统受电弓材料在服役中产生的缺陷与失效，具有组织致密，导电性能优良，保障减摩性能，样品无成分偏析、裂纹、气孔、夹杂、氧化物等缺陷，强度和硬度高，能够有效降低设备要求，扩大产能，同时制备出具有优良的导电性能、耐磨性能、润滑性能的受电弓滑板材料，并且易于实现自动化，能够在受电弓滑板领域的大规模推广。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为实例样品SEM照片；
图2为硬度随成分变化图；
图3为电导率随烧结温度变化图；
图4为硬度随烧结温度变化图。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案。
本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。
本发明中，如果没有特别的说明，百分数(％)或者份指的是相对于组合物的重量百分数或重量份。
本发明中，如果没有特别的说明，所涉及的各组分或其优选组分可以相互组合形成新的技术方案。
本发明中，除非有其他说明，数值范围“a～b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“6～22”表示本文中已经全部列出了“6～22”之间的全部实数，“6～22”只是这些数值组合的缩略表示。
本发明所公开的“范围”以下限和上限的形式，可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。
本发明中，本文中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
本发明中，除非另有说明，各个反应或操作步骤可以顺序进行，也可以按照顺序进行。优选地，本文中的反应方法是顺序进行的。
除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本发明中。
本发明提供了一种无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料及其制备方法，有效避免传统受电弓材料在服役中产生的缺陷与失效，具有组织致密，导电性能优良，保障减摩性能，样品无成分偏析、裂纹、气孔、夹杂、氧化物等缺陷，强度和硬度高，通过采用无压烧结的制备工艺，能够有效降低设备要求，扩大产能，并且易于实现自动化，能够在受电弓滑板领域大规模推广。
本发明一种无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料制备方法，包括以下步骤：
S1、将按不同比例称量的Cu/Ti3AlC2粉末放置球磨罐中，并向球磨罐中倒入适当比例无水乙醇，球磨混粉至完全均匀；
Cu/Ti3AlC2粉末的成分比例为：Cu为20Vol.％～60Vol.％，Ti3AlC2为40Vol.％～80Vol.％。无水乙醇的比重约为所加粉末的20％～30％。球磨罐为刚玉球磨罐，磨球为1：1：1混合的5mm、7mm、10mm玛瑙球，球磨罐中球料比为5：1，球磨转速为300～400r/min、球磨时间为10～15h。
S2、取混合均匀的Cu/Ti3AlC2粉末，放入至不锈钢模具中压制成块体；
模具尺寸为直径20～25mm的不锈钢模具，模具内部使用脱模剂降低取样难度，压坯压强为300～400MPa，保压时间为120～180s。
S3、将压制而成的块体放入管式炉中进行无压烧结，获得具有致密组织的Cu/Ti3AlC2复合材料。
管式炉通入氩气气氛，升温速率为10℃/min，样品在800～1200℃保温，保温时间为1h。
依据本发明制备的一种无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料，显微维氏硬度达到160～330HV，致密度99.5％以上，导电率达到1.4～4.6mS/m，具有良好的机械强度和导电性能，同时加入的Ti3AlC2成分可以有效地降低摩擦系数，达到自润滑的效果。
通过无压烧结制备的Cu/Ti3AlC2复合材料相比于传统的铜基受电弓滑板材料，导电性能优良，耐磨性能提高，具有自润滑性能，组织致密，强度提高，使用寿命延长，对导线具有保护作用。无成分偏析、裂纹、气孔、夹杂、氧化物等缺陷。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
1)将按不同比例称量的Cu/Ti3AlC2粉末放置球磨罐中，并向球磨罐中倒入适当比例无水乙醇，球磨混粉至完全均匀；
Cu/Ti3AlC2粉末的成分比例为：Cu为20Vol.％，Ti3AlC2为80Vol.％。无水乙醇的比重约为所加粉末的20％。球磨罐为刚玉球磨罐，磨球为1：1：1混合的5mm、7mm、10mm玛瑙球，球磨罐中球料比为5：1，球磨转速为300r/min、球磨时间为10h。
2)取混合均匀的Cu/Ti3AlC2粉末，放入至不锈钢模具中压制成块体；
模具尺寸为直径20mm的不锈钢模具，模具内部使用脱模剂降低取样难度，压坯压强为300MPa，保压时间为120s。
3)将压制而成的块体放入管式炉中进行无压烧结，获得具有致密组织的Cu/Ti3AlC2复合材料。
管式炉通入氩气气氛，升温速率为10℃/min，样品在800℃保温，保温时间为1h。
实施例1制备的材料组织结构疏松，导电率低，具有优良的减磨润滑性能，在磨擦过程中材料磨损相对较大。
实施例2
1)将按不同比例称量的Cu/Ti3AlC2粉末放置球磨罐中，并向球磨罐中倒入适当比例无水乙醇，球磨混粉至完全均匀；
Cu/Ti3AlC2粉末的成分比例为：Cu为30Vol.％，Ti3AlC2为70Vol.％。无水乙醇的比重约为所加粉末的20％。球磨罐为刚玉球磨罐，磨球为1：1：1混合的5mm、7mm、10mm玛瑙球，球磨罐中球料比为10：1，球磨转速为400r/min、球磨时间为15h。
2)取混合均匀的Cu/Ti3AlC2粉末，放入至不锈钢模具中压制成块体；
模具尺寸为直径25mm的不锈钢模具，模具内部使用脱模剂降低取样难度，压坯压强为400MPa，保压时间为180s。
3)将压制而成的块体放入管式炉中进行无压烧结，获得具有致密组织的Cu/Ti3AlC2复合材料。
管式炉通入氩气气氛，升温速率为10℃/min，样品在1200℃保温，保温时间为2h。
实施例2制备的材料组织结构致密，导电率较高，具有优良的机械力学性能，硬度较高，磨损过程中磨耗小。
实施例3
1)将按不同比例称量的Cu/Ti3AlC2粉末放置球磨罐中，并向球磨罐中倒入适当比例无水乙醇，球磨混粉至完全均匀；
Cu/Ti3AlC2粉末的成分比例为：Cu为40Vol.％，Ti3AlC2为60Vol.％。无水乙醇的比重约为所加粉末的20％。球磨罐为刚玉球磨罐，磨球为1：1：1混合的5mm、7mm、10mm玛瑙球，球磨罐中球料比为5：1，球磨转速为400r/min、球磨时间为10h。
2)取混合均匀的Cu/Ti3AlC2粉末，放入至不锈钢模具中压制成块体；
模具尺寸为直径25mm的不锈钢模具，模具内部使用脱模剂降低取样难度，压坯压强为400MPa，保压时间为180s。
3)将压制而成的块体放入管式炉中进行无压烧结，获得具有致密组织的Cu/Ti3AlC2复合材料。
管式炉通入氩气气氛，升温速率为10℃/min，样品在1000℃保温，保温时间为1h。
实施例3制备的材料组织结构相对致密，导电率高，具有良好的减磨润滑性能，磨损过程中磨耗较小。
实施例4
1)将按不同比例称量的Cu/Ti3AlC2粉末放置球磨罐中，并向球磨罐中倒入适当比例无水乙醇，球磨混粉至完全均匀；Cu/Ti3AlC2粉末的成分比例为：Cu为60Vol.％，Ti3AlC2为40Vol.％。无水乙醇的比重约为所加粉末的20％。球磨罐为刚玉球磨罐，磨球为1：1：1混合的5mm、7mm、10mm玛瑙球，球磨罐中球料比为5：1，球磨转速为400r/min、球磨时间为10h。
2)取混合均匀的Cu/Ti3AlC2粉末，放入至不锈钢模具中压制成块体；模具尺寸为直径25mm的不锈钢模具，模具内部使用脱模剂降低取样难度，压坯压强为400MPa，保压时间为180s。
3)将压制而成的块体放入管式炉中进行无压烧结，获得具有致密组织的Cu/Ti3AlC2复合材料。管式炉通入氩气气氛，升温速率为10℃/min，样品在900℃保温，保温时间为1h。
实施例4制备的材料组织结构相对疏松，导电率较低，具有优良的减磨润滑性能，在磨擦过程中材料磨损较大。
对比例1
对比例选用现役浸金属碳滑板材料，其主要成分是碳(约70wt.％)，铜(约wt.30％)。其制备工艺为高温浸渗法，将碳滑板浸渗铜合金。对比例材料组织结构松散，导电率差，具有优良的减磨润滑性能，但在磨损过程中损耗大，并且强度低，在使用过程中相对于实施例1-4易折断。
请参阅图1，实例样品SEM照片可以看出复合材料组织致密，成分均匀，Ti3AlC2成分存在一定程度的分解，可以提高两相结合强度，同时保持减磨润滑性能。
请参阅图2，显微维氏硬度随铜含量的增加逐渐降低，并且在铜含量为40％以上时基本稳定在300HV。可以通过控制铜含量实现性能可控。
请参阅图3，导电系数随烧结温度的提高逐渐增加，并且在烧结温度为1000℃以上时基本稳定在4.5mS/m。可以通过控制烧结温度实现性能可控。
请参阅图4，显微维氏硬度随烧结温度的增加逐渐增加，并且在烧结温度为1100℃时达到最大值。可以通过控制烧结温度实现性能可控。
综上所述，本发明一种无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料及其制备方法，有效避免传统受电弓材料在服役中产生的缺陷与失效，具有组织致密，导电性能优良，保障减摩性能，样品无成分偏析、裂纹、气孔、夹杂、氧化物等缺陷，强度和硬度高，能够有效降低设备要求，扩大产能，同时制备出具有优良的导电性能、耐磨性能、润滑性能的受电弓滑板材料，并且易于实现自动化，为该材料在受电弓滑板领域的大规模推广提供了一种可行的制备方法。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料制备方法，其特征在于，将Cu/Ti3AlC2粉末中加入无水乙醇，经球磨混粉至完全均匀，得到Cu/Ti3AlC2粉末；将Cu/Ti3AlC2粉末压制成块体；对压制的块体进行无压烧结，获得Cu/Ti3AlC2复合材料。
2.根据权利要求1所述的无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料制备方法，其特征在于，Cu/Ti3AlC2粉末的成分比例为：Cu为20Vol.％～60Vol.％，Ti3AlC2为40Vol.％～80Vol.％。
3.根据权利要求1所述的无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料制备方法，其特征在于，无水乙醇的添加量占Cu/Ti3AlC2粉末的20％～30％。
4.根据权利要求1所述的无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料制备方法，其特征在于，球磨混粉的球料比为(5～10)：1，球磨转速为300～400r/min、球磨时间为10～15h。
5.根据权利要求4所述的无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料制备方法，其特征在于，磨球为1：1：1混合的5mm、7mm、10mm玛瑙球。
6.根据权利要求1所述的无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料制备方法，其特征在于，将Cu/Ti3AlC2粉末压制成块体的压坯压强为300～400MPa，保压时间为120～180s。
7.根据权利要求6所述的无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料制备方法，其特征在于，模具为直径20～25mm的不锈钢模具，模具内部使用脱模剂。
8.根据权利要求1所述的无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料制备方法，其特征在于，无压烧结的升温速率为10℃/min，保温温度为800～1200℃，保温时间为1～2h。
9.根据权利要求8所述的无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料制备方法，其特征在于，无压烧结在氩气气氛中进行。
10.一种无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料，其特征在于，根据权利要求1至9中任一项所述的无压烧结Cu/Ti3AlC2复合材料制备方法制备而成。
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