CN116590565A - 一种无压烧结Cu/MoAlB复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种无压烧结Cu/MoAlB复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无压烧结Cu/MoAlB复合材料及其制备方法和应用，将Cu/MoAlB粉末和无水乙醇进行球磨混粉至完全均匀；将混合均匀的Cu/MoAlB粉末压制成块体；将块体进行无压烧结，获得具有致密组织的Cu/MoAlB复合材料。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。

Description

一种无压烧结Cu/MoAlB复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于铜基复合材料制备技术领域，具体涉及一种无压烧结Cu/MoAlB复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
受电弓滑板作为轨道交通核心部件之一，对未来相关领域的发展至关重要，技术限制对于基础建设和经济发展都有着举足轻重的影响。截止2021年底，全国铁路拥有电力机车1.39万台，动车组4153标准组，滑板需求大约10万根以上，滑板产值约3亿元以上。从滑板材质上分，以纯碳材质的滑板和浸金属碳滑板为最多。
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。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/MoAlB复合材料及其制备方法和应用，通过无压烧结的方法制备不同成分的Cu/MoAlB复合材料，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，用于解决传统受电弓材料在服役中产生的缺陷与失效的技术问题。
本发明采用以下技术方案：
一种无压烧结Cu/MoAlB复合材料制备方法，包括以下步骤：
S1、将Cu/MoAlB粉末和无水乙醇进行球磨混粉至完全均匀；
S2、将混合均匀的Cu/MoAlB粉末压制成块体；
S3、将块体进行无压烧结，获得具有致密组织的Cu/MoAlB复合材料。
具体的，步骤S1中，Cu/MoAlB粉末中，Cu为20Vol.％～50Vol.％，MoAlB为50Vol.％～80Vol.％。
具体的，无水乙醇占Cu/MoAlB粉末质量的20％。
具体的，步骤S1中，球料比为5：1，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，步骤S2中，压制成块体的压强为100～200MPa，保压时间为120～180s。
具体的，步骤S3中，无压烧结的升温速率为10℃/min，保温温度为1050～1200℃，保温时间为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/MoAlB复合材料。
本发明的另一技术方案是，无压烧结Cu/MoAlB复合材料在受电弓滑板领域的应用。
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/MoAlB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、耐磨性能以及润滑性能的受电弓滑板材料，保障了减摩性能，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，并且易于实现自动化。
进一步的，Cu/MoAlB粉末的成分比例为：Cu为20Vol.％～50Vol.％，MoAlB为50Vol.％～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，无水乙醇的比重约为所加粉末的20％，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，能够完全粉碎复合材料，同时保证将细小物料磨细。
进一步的，压坯压强为为100～200MPa，保压时间为120s～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，升温速率为10℃/min，样品在1000～1200℃保温，保温时间为2h，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，提供一种干净无氧的环境，防止复合材料受到氧化或其他化学反应的影响。
综上所述，本发明制备的复合材料具有组织致密，导电性能优良等优点，能够扩大产能，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。
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为实例样品金相照片；
图3为摩擦随时间变化示意图。
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。
MoAlB具有优异的力学性能、高温抗氧化性和导电性，作为典型的可加工材料，使用其增强的铜基复合材料的摩擦学特性预期可以得到显著提高，具有替代传统受电弓滑板材料的应用前景，有望解决以上问题，满足铁路发展需求。
本发明提供了一种无压烧结Cu/MoAlB复合材料及其制备方法，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，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。
本发明一种无压烧结Cu/MoAlB复合材料及其制备方法，包括以下步骤：
S1、将按不同比例称量的Cu/MoAlB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/MoAlB粉末的成分比例为：Cu为20Vol.％～50Vol.％，MoAlB为50Vol.％～80Vol.％。无水乙醇的比重为所加粉末的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300～400r/min、球磨时间为10～15h。
S2、取混合均匀的Cu/MoAlB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100～200MPa，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/MoAlB复合材料。
管式炉通入氩气气氛，升温速率为10℃/min，样品在1050～1200℃保温，保温时间为2h。
通过无压烧结制备的Cu/MoAlB复合材料相比于传统的铜基受电弓滑板材料，具有优异的高温抗压强度、延伸率和导电性，并且在摩擦环境中形成原位自生润滑膜，具有自润滑性能，使用其增强的铜基复合材料的摩擦学特性预期可以得到显著提高，其组织致密，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。
一种无压烧结Cu/MoAlB复合材料，在Cu基上添加MoAlB润滑相，使得Cu/MoAlB具有良好的摩擦性能；将复合材料进行平均摩擦系数测试，得到复合材料的摩擦系数最低为0.10973，最高为0.27954，平均摩擦系数为0.17674。测试中，复合材料的平均摩擦系数均保持在0.2以下。
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/MoAlB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/MoAlB粉末的成分比例为：Cu为20Vol.％，MoAlB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400r/min、球磨时间为10h。
2)取混合均匀的Cu/MoAlB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200MPa，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/MoAlB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。
通过实施例1，得到如下结论：
以20％Cu/80％MoAlB粉末为原料，在1200℃(保温2h)进行烧结，生成了Cu-MoAlB为主相的复合材料；试样中的组织较为致密，具有较好的摩擦性能。
实施例2
1)将按不同比例称量的Cu/MoAlB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/MoAlB粉末的成分比例为：Cu为30Vol.％，MoAlB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5：1，球磨转速为400r/min、球磨时间为10h。
2)取混合均匀的Cu/MoAlB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200MPa，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/MoAlB复合材料。管式炉通入氩气气氛，升温速率为10℃/min，样品在1150℃保温，保温时间为2h。
通过实施例2，得到如下结论：
以30％Cu/70％MoAlB粉末为原料，在1150℃(保温2h)进行烧结，生成了Cu-MoAlB为主相的复合材料。试样中的组织较为致密，具有较好的导电性能。
实施例3
1)将按不同比例称量的Cu/MoAlB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/MoAlB粉末的成分比例为：Cu为40Vol.％，MoAlB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300r/min、球磨时间为15h。
2)取混合均匀的Cu/MoAlB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100MPa，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/MoAlB复合材料。管式炉通入氩气气氛，升温速率为10℃/min，样品在1100℃保温，保温时间为2h。
通过实施例3，得到如下结论：
以40％Cu/60％MoAlB粉末为原料，在1100℃(保温2h)进行烧结，生成了Cu-MoAlB为主相的复合材料。试样中的组织较为致密，具有较好的界面结合效果。
实施例4
1)将按不同比例称量的Cu/MoAlB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/MoAlB粉末的成分比例为：Cu为50Vol.％，MoAlB为50Vol.％。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15h。
2)取混合均匀的Cu/MoAlB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100MPa，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/MoAlB复合材料。管式炉通入氩气气氛，升温速率为10℃/min，样品在1050℃保温，保温时间为2h。
通过实施例4，得到如下结论：
以50％Cu/50％MoAlB粉末为原料，在1100℃(保温2h)进行烧结，生成了Cu-MoAlB为主相的复合材料。试样中的组织较为致密，具有较好的基体强度。
请参阅图1，图中是对复合材料2000倍的SEM照片，原先的Cu和MoAlB片层状结构出现混合。
请参阅图2，从图中可以看出，浅色部分为Cu，深色部分为MoAlB，二者通过球磨方式均匀混合，呈现连续性、团状组织。
请参阅图3，随着时间增长，摩擦系数整体呈现先下降后趋于稳定的趋势。平均摩擦系数为0.17674，基本稳定保持在0.2以下。
综上所述，本发明一种无压烧结Cu/MoAlB复合材料及其制备方法，制备出的样品本身无成分偏析、裂纹、气孔、夹杂、氧化物等缺陷，且具有足够高的强度和硬度，在拥有组织致密的优点的同时还保障了优良的导电性能和减摩性能；并且其在制备过程中能够有效降低设备要求，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。
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/MoAlB复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将Cu/MoAlB粉末和无水乙醇进行球磨混粉至完全均匀；
S2、将混合均匀的Cu/MoAlB粉末压制成块体；
S3、将块体进行无压烧结，获得具有致密组织的Cu/MoAlB复合材料。
2.根据权利要求1所述的无压烧结Cu/MoAlB复合材料制备方法，其特征在于，步骤S1中，Cu/MoAlB粉末中，Cu为20Vol.％～50Vol.％，MoAlB为50Vol.％～80Vol.％。
3.根据权利要求1或2所述的无压烧结Cu/MoAlB复合材料制备方法，其特征在于，无水乙醇占Cu/MoAlB粉末质量的20％。
4.根据权利要求1所述的无压烧结Cu/MoAlB复合材料制备方法，其特征在于，步骤S1中，球料比为5：1，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/MoAlB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/MoAlB复合材料制备方法，其特征在于，步骤S2中，压制成块体的压强为100～200MPa，保压时间为120～180s。
7.根据权利要求1所述的无压烧结Cu/MoAlB复合材料制备方法，其特征在于，步骤S3中，无压烧结的升温速率为10℃/min，保温温度为1050～1200℃，保温时间为2h。
8.根据权利要求7所述的无压烧结Cu/MoAlB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。
9.一种无压烧结Cu/MoAlB复合材料，其特征在于，根据权利要求1至8中任一项所述方法制备而成。
10.根据权利要求9所述的无压烧结Cu/MoAlB复合材料在受电弓滑板领域的应用。
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