CN1252301C - 高导电耐磨减摩铜基复合材料的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
一种高导电耐磨减摩铜基复合材料的制备工艺。用于滑动电接触技术领域。本发明以电解铜粉、镀镍或镀铜SiC粉以及镀铜石墨粉为原料，通过干混、加分散剂湿混、冷压、烧结、热挤压或热压而制得高导电耐磨减摩铜基复合材料。本发明合理选择基体和增强物的种类，并科学地进行了成分设计，通过加入力学性能优良且价格便宜的SiC颗粒作为增强物，获得了导电、导热性高，耐磨性能良好，而且制备供应比较简单、成本较低的颗粒增强铜基复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属基复合材料的制备工艺，具体是一种高导电耐磨减摩铜基复合材料的制备工艺。用于滑动电接触技术领域。
背景技术
随着电子、机械、航空、航天等工业的快速发展，迫切需要开发具有良好导电性、导热性、耐磨性，且机械性能优良、价格适中的功能材料，例如作为电子材料、耐磨材料、热阻材料、电刷材料以及喷嘴材料等。铜基复合材料可保持铜本身优良的导电导热性能，同时通过加入单一或混杂的增强体可赋予材料更高的机械性能和良好的摩擦学特性，所以在滑动电接触等领域有着广阔的应用前景。目前制备非连续增强铜基复合材料的主要工艺有内氧化法、真空混合铸造法、机械合金化法等。经检索发现，郑会錞等，发表的“新型电阻焊电极材料-弥散强化铜”[刊物：电焊机，1997(4)：38-41]，该文提及内氧化法的相对成熟，它是将熔炼的Cu-Al固溶合金用高压气体将熔体雾化成粉末，并按理论配比与氧化剂混合均匀后封装在真空容器中，然后加热到高温，使氧化剂分解生成氧扩散到Cu-Al合金颗粒中，优先与铝反应生成细小的Al2O3弥散质点。当合金全部被氧化后，将粉末置于还原气氛中加热以除去多余的氧，然后采用各种常规工艺可将处理后的金属粉制成全密实型材。由于这些工艺比较复杂、材料质量难以控制、对设备条件要求较高，所以成本高、离规模生产还有一定的距离。同时，由于铜和大多数陶瓷的润湿性较差，密度差较大，采用常规方法制备时容易产生增强物的聚集，导致颗粒分布不均匀，且增强体与基体的界面结合不好。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种高导电耐磨减摩铜基复合材料的制备工艺，按所需比例将金属粉末和非连续增强物在干混或湿混的条件下混合均匀，使其解决了的增强物分布问题，所制得的铜基复合材料具有良好的导电、导热性高，耐磨性能，而且制备供应比较简单、成本较低。
本发明是通过下述方案实现的，本发明制备工艺以电解铜粉、镀镍或镀铜SiC粉以及镀铜石墨粉为原料，通过干混、加分散剂湿混、冷压、烧结、热挤压或热压而制得高导电耐磨减摩铜基复合材料。
以下对本发明作进一步的说明，工艺步骤为：
(1)取电解铜粉、镀镍SiC粉末及镀铜石墨粉搅拌干混，加入重量百分比(下同)为0.1％的分散剂，搅拌均匀，然后装入常规混粉装置中混合3-5小时。
(2)将混合的粉末装入模具中，在130-160Mpa的压力下冷压成坯，保压5分钟。
(3)将上述压坯置于氨分解炉中烧结，烧结温度800-850℃，烧结时间3小时；炉冷。
(4)将已烧结的压坯加热并预热，然后将已预热的压坯放入挤压模具中挤压成形。
所述的步骤(4)，对于不含石墨的材料：将已烧结的压坯加热到790-810℃，保温5分钟；同时挤压模具在350℃的温度下预热，然后将已预热的压坯放入挤压模具中挤压成形，挤压比为10∶1；对于含石墨的材料：将已烧结的压坯加热到810-830℃，保温5分钟，同时热压模具在300℃的温度下预热，将已预热的压坯放入热压模具中在180Mpa的压力下热压成形，保压时间为10分钟。
本发明合理选择基体和增强物的种类，并科学地进行了成分设计，通过加入力学性能优良且价格便宜的SiC颗粒作为增强物，获得了导电、导热性高，耐磨性能良好，而且制备供应比较简单、成本较低的颗粒增强铜基复合材料。对材料的测试结果表明：增强物分布均匀，材料的致密度＞98％，布氏硬度(HB)78.1-88.9，电导率根据成分不同在69.9-82.6％IACS之间，热导率根据成分不同达到248-313W/mK；在MM200环-块式磨损试验机上的试验结果表明复合材料耐磨性能好，在载荷为100N，相对滑动速度为0.42m/s的干摩擦条件下，磨损率为纯铜的0.106-0.148，为冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr(重量百分比)合金的0.424-0.589；在0.42m/s磨损条件下，复合材料发生严重磨损的载荷为220-300N，大大高于基体的100N；使用扫描电子显微镜观察材料的磨损表明形貌，SiC颗粒增强物能减少粘着磨损，有利于提高整个摩擦副的寿命。
具体实施方式
结合本发明内容提供以下实施例：
实施例1：
(1)取电解铜粉384.6g，平均粒度为14μm的镀镍SiC粉末15.4g，搅拌干混，然后加入0.52g20#机油，搅拌均匀，再装入常规混粉装置中混合4小时。
(2)将混合的粉末装入模具中，在130Mpa的压力下冷压成坯，保压5分钟。
(3)将上述压坯置于氨分解炉中烧结，烧结温度800℃，烧结时间3小时；炉冷。
(4)将已烧结的压坯加热到790℃，保温5分钟；同时挤压模具在350℃的温度下预热。将已预热的压坯放入挤压模具中挤压成形，挤压比为10∶1。
测试结果表明：增强物分布均匀，材料的致密度为98.6％，布氏硬度(HB)78.1，电导率82.6％IACS，热导率313W/mK；在MM200环-块式磨损试验机上的干摩擦试验结果表明，在载荷100N，相对滑动速度为0.42m/s的干摩擦条件下，磨损率为纯铜的14.8％，为冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金的58.9％；在0.42m/s磨损条件下，复合材料发生严重磨损的载荷为220N；磨损表面形貌的扫描电子显微镜观察发现，与纯铜和冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金相比，复合材料的粘着磨损明显减少。
实施例2：
(1)取电解铜粉384.6g，平均粒度为20μm的镀镍SiC粉末15.4g，搅拌干混，然后加入0.52g20#机油，搅拌均匀，再装入常规混粉装置中混合4小时。
(2)将混合的粉末装入模具中，在140Mpa的压力下冷压成坯，保压5分钟。
(3)将上述压坯置于氨分解炉中烧结，烧结温度820℃，烧结时间3小时；炉冷。
(4)将已烧结的压坯加热到800℃，保温5分钟；同时挤压模具在350℃的温度下预热。将已预热的压坯放入挤压模具中挤压成形，挤压比为10∶1。
测试结果表明：增强物分布均匀，材料的致密度为98.5％，布氏硬度(HB)74.2，电导率83.7％IACS，热导率310W/mK；在MM200环-块式磨损试验机上的干摩擦试验结果表明，在载荷100N，相对滑动速度为0.42m/s的干摩擦条件下，磨损率为纯铜的14.6％，为冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金的58.0％；磨损表面形貌的扫描电子显微镜观察发现，与纯铜和冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金相比，复合材料的粘着磨损明显减少。
实施例3：
(1)取电解铜粉376.2g，平均粒度为14μm的镀镍SiC粉末23.8/g，搅拌干混，然后加入0.6g20#机油分散剂，搅拌均匀，再装入常规混粉装置中混合4小时。
(2)将混合的粉末装入模具中，在150Mpa的压力下冷压成坯，保压5分钟。
(3)将上述压坯置于氨分解炉中烧结，烧结温度810℃，烧结时间3小时；炉冷。
(4)将已烧结的压坯加热到800℃，保温5分钟；同时挤压模具在350℃的温度下预热。将已预热的压坯放入挤压模具中挤压成形，挤压比为10∶1。
测试结果表明：增强物分布均匀，材料的致密度为98.4％，布氏硬度(HB)82.4，电导率77.6％IACS，热导率272W/mK；在MM200环-块式磨损试验机上的干摩擦试验结果表明，在载荷100N，相对滑动速度为0.42m/s的干摩擦条件下，磨损率为纯铜的12.1％，为冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金的47.8％；磨损表面形貌的扫描电子显微镜观察发现，与纯铜和冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金相比，复合材料的粘着磨损明显减少。
实施例4：
(1)电解铜粉367.1g，平均粒度为14μm的镀镍SiC粉末32.9g，搅拌干混，然后加入0.6g20#机油，搅拌均匀，再装入常规混粉装置中混合4小时。
(2)将混合的粉末装入模具中，在160Mpa的压力下冷压成坯，保压5分钟。
(3)将上述压坯置于氨分解炉中烧结，烧结温度820℃，烧结时间3小时；炉冷。
(4)将已烧结的压坯加热到800℃，保温5分钟；同时挤压模具在350℃的温度下预热。将已预热的压坯放入挤压模具中挤压成形，挤压比为10∶1。
测试结果表明：增强物分布均匀，材料的致密度为98.1％，布氏硬度(HB)88.4，电导率69.9％IACS，热导率248W/mK；在M200环-块式磨损试验机上的干摩擦试验结果表明，在载荷100N，相对滑动速度为0.42m/s的干摩擦条件下，磨损率为纯铜的10.6％，为冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金的42.4％；在0.42m/s磨损条件下，复合材料发生严重磨损的载荷为300N；磨损表面形貌的扫描电子显微镜观察发现，与纯铜和冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金相比，复合材料的粘着磨损明显减少。
实施例5：
(1)取电解铜粉366.5g，平均粒度为14μm的镀镍SiC粉末16.4g，搅拌干混；然后加入0.72g20#机油，搅拌均匀；再加入镀铜石墨粉17.1g，使之与前述混合粉末搅拌到各部分颜色一致，然后装入常规混粉装置中混合4小时。
(2)将混合的粉末装入模具中，在130Mpa的压力下冷压成坯，保压5分钟。
(3)将上述压坯置于氨分解炉中烧结，烧结温度850℃，烧结时间3小时；炉冷。
(4)将已烧结的压坯加热到810℃，保温5分钟；同时热压模具在300℃的温度下预热。将已预热的压坯放入热压模具中在180Mpa的压力下热压成形，保压时间为10分钟。
测试结果表明：SiC和石墨颗粒分布均匀，材料的致密度为99.1％，布氏硬度(HB)68.8，电导率74.6％IACS；在M200环-块式磨损试验机上的干摩擦试验结果表明，在载荷40N，相对滑动速度为0.42m/s的干摩擦条件下，磨损率为纯铜的44.7％，为冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金的52.3％；摩擦系数0.39，为纯铜的81.1％，为冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金的76.5％。磨损表面形貌的扫描电子显微镜观察发现，与纯铜和冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金相比，复合材料的粘着磨损明显减少；石墨能有效提高复合材料的耐磨性，降低摩擦系数，还减少对配偶件的磨损，极大提高了整个摩擦系统的寿命。
实施例6：
(1)取电解铜粉356.7g，平均粒度为14μm的镀镍SiC粉末25.5g，搅拌干混；然后加入0.72g20#机油，搅拌均匀；再加入镀铜石墨粉17.8g，使之与前述混合粉末搅拌到各部分颜色一致，然后装入常规混粉装置中混合4小时。
(2)将混合的粉末装入模具中，在130Mpa的压力下冷压成坯，保压5分钟。
(3)将上述压坯置于氨分解炉中烧结，烧结温度850℃，烧结时间3小时；炉冷。
(4)将已烧结的压坯加热到830℃，保温5分钟；同时热压模具在300℃的温度下预热。将已预热的压坯放入热压模具中在180Mpa的压力下热压成形，保压时间为10分钟。
测试结果表明：SiC和石墨颗粒分布均匀，材料的致密度为98.9％，布氏硬度(HB)74.2，电导率71.2％IACS；在M200环-块式磨损试验机上的干摩擦试验结果表明，在载荷40N，相对滑动速度为0.42m/s的干摩擦条件下，磨损率为纯铜的35.5％，为冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金的41.5％；摩擦系数0.42，为纯铜的87.3％，为冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金的82.4％。磨损表面形貌的扫描电子显微镜观察发现，与纯铜和冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金相比，复合材料的粘着磨损明显减少；石墨能有效提高复合材料的耐磨性，降低摩擦系数，还减少对配偶件的磨损，极大提高了整个摩擦系统的寿命。
实施例7：
(1)电解铜粉361.6g，平均粒度为14μm的镀镍SiC粉末20.3g，搅拌干混；然后加入0.72g20#机油，搅拌均匀；再加入镀铜石墨粉18.1g，使之与前述混合粉末搅拌到各部分颜色一致，然后装入常规混粉装置中混合4小时。
(2)将混合的粉末装入模具中，在130Mpa的压力下冷压成坯，保压5分钟。
(3)将上述压坯置于氨分解炉中烧结，烧结温度840℃，烧结时间3小时；炉冷。
(4)将已烧结的压坯加热到820℃，保温5分钟；同时热压模具在300℃的温度下预热。将已预热的压坯放入热压模具中在180Mpa的压力下热压成形，保压时间为10分钟。
测试结果表明：SiC和石墨颗粒分布均匀，材料的致密度为99.1％，布氏硬度(HB)70.3，电导率73.1％IACS；在M200环-块式磨损试验机上的干摩擦试验结果表明，在载荷40N，相对滑动速度为0.42m/s的干摩擦条件下，磨损率为纯铜的39.3％，为冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金的46.6％；摩擦系数0.40，为纯铜的83.6％，为冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金的79.8％。磨损表面形貌的扫描电子显微镜观察发现，与纯铜和冷拔Cu-0.65％Cr-0.08％Zr合金相比，复合材料的粘着磨损明显减少；石墨能有效提高复合材料的耐磨性，降低摩擦系数，还减少对配偶件的磨损，极大提高了整个摩擦系统的寿命。
Claims (3)
1.一种高导电耐磨减摩铜基复合材料的制备工艺，其特征在于，以电解铜粉、镀镍SiC粉以及镀铜石墨粉为原料，通过干混、加分散剂湿混、冷压、烧结、热挤压或热压而制得高导电耐磨减摩铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述的高导电耐磨减摩铜基复合材料的制备工艺，其特征是，步骤为：
(1)取电解铜粉、镀镍SiC粉末及镀铜石墨粉搅拌干混，加入重量百分比为0.1％的分散剂，搅拌均匀，然后装入常规混粉装置中混合3-5小时；
(2)将混合的粉末装入模具中，在130-160Mpa的压力下冷压成坯，保压5分钟；
(3)将上述压坯置于氨分解炉中烧结，烧结温度800-850℃，烧结时间3小时，炉冷；
(4)将已烧结的压坯加热并预热，然后将已预热的压坯放入挤压模具中挤压成形。
3.根据权利要求1或2所述的铜基复合材料的制备工艺，其特征是，所述的分散剂为20#机油。
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