專利名稱:一種提高銅合金石墨復(fù)合材料性能的粉末冶金制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于粉末冶金領(lǐng)域,更加具體地說,涉及金屬基復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù):
隨著人們生活節(jié)奏越來越快,對(duì)軸承材料的要求也越來越高,在許多方面,低速、低載的軸承已經(jīng)不能滿足人們的要求,高速、高載荷的軸承在將來勢(shì)必會(huì)占據(jù)重要的地位,那么,鋁基合金由于其耐磨性能、疲勞性能差等因素,在使用上會(huì)受到很大的限制,銅基合金便顯示出了其優(yōu)越性。不僅于此,在某些特殊工況下,如高溫、高真空、高負(fù)荷以及會(huì)破壞油脂等限制潤(rùn)滑劑使用的條件下,還要求軸承需具備自潤(rùn)滑的功能,這就使得銅基自潤(rùn)滑復(fù)合材料成為人們研究的熱點(diǎn)。
銅鉛合金或銅錫鉛合金,由于其摩擦性能好,機(jī)械性能高,使其在很長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)占據(jù)了主導(dǎo)的地位,其中,鉛、錫作為低熔點(diǎn)金屬,用來緩和因局部摩擦而產(chǎn)生的過熱、磨損等現(xiàn)象。然而,隨著人們對(duì)環(huán)境問題越來越重視,鉛作為一種有毒的重金屬,其使用限制日益嚴(yán)格,材料無鉛化逐漸成為全球課題。石墨作為一種良好的固體潤(rùn)滑劑,價(jià)格低廉且無污染,是首選的作為取代鉛的自潤(rùn)滑材料。但石墨與銅合金基體之間的潤(rùn)濕性很差,使兩相界面處存有大量空隙,同時(shí),石墨密度較低易團(tuán)聚的特性,均影響了材料的各方面性能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種提高銅合金石墨復(fù)合材料性能的粉末冶金制備方法,以CulOSn基石墨復(fù)合材料為例。CulOSn基石墨復(fù)合材料是一種自潤(rùn)滑復(fù)合材料,本發(fā)明是采用石墨粉表面化學(xué)鍍銅的方法進(jìn)行改性,用粉末冶金的方法進(jìn)行制備,使性能優(yōu)于未改性的石墨粉制備的復(fù)合材料。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)一種提高銅合金石墨復(fù)合材料性能的粉末冶金制備方法,按照下述步驟進(jìn)行步驟(I ),對(duì)石墨粉表面進(jìn)行化學(xué)鍍銅,采用200目石墨粉,鍍液配方為O. 05mol/LC4H4O6KNa,O. 15mol/L NaOH,O. 001mol/L Na2MoO4,再加入石墨粉后,再向其中加入
O.05mol/L CuSO4和251111/1 HCHO的水溶液,用NaOH調(diào)節(jié)pH=12,室溫20— 25攝氏度下進(jìn)行化學(xué)鍍銅,具體來說首先將200目石墨粉置入O. 05mol/L氯化亞錫(SnCl2)水溶液中,超聲IOminji濾,去離子水洗凈,再置入O. 018mol/L硝酸銀(AgNO3)水溶液中,超聲20min,抽濾,去離子水洗凈;其次,按照鍍液配方配制水溶液,其中酒石酸鉀鈉(C4H4O6KNa)濃度為O. 05mol/L,NaOH為O. 15mol/L和鑰酸鈉(Na2MoO4)為O. 001mol/L,然后將上述經(jīng)過處理的石墨粉倒入,最后同時(shí)向體系中倒入濃度分別為0. 05mol/L CuSO4和25ml/L HCHO的水溶液,不停攪拌(80—120轉(zhuǎn)/min) 5 — 8min,鍍覆完畢,期間不斷用NaOH調(diào)節(jié)以使pH=12,最后將鍍銅的石
墨使用蒸餾水清洗。
步驟(2),將鍍銅石墨與CulOSn合金粉進(jìn)行混合,其中所述CulOSn合金粉為200目,其中元素銅錫質(zhì)量比為9:1,所述鍍銅石墨的添加用量為CulOSn合金粉質(zhì)量的
O.5wt%—3wt%,使用混料機(jī)進(jìn)行混料,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為75— 80r/min,混料時(shí)間為10 — 15h,優(yōu)選 12h。步驟(3),將混好的粉末進(jìn)行冷壓成型,其冷壓成型壓強(qiáng)為600— 650MPa,保壓時(shí)間為2 — 3min,將冷壓好的壓坯放進(jìn)管式爐進(jìn)行惰性氣體(例如氬氣、氮?dú)?保護(hù)燒結(jié),燒結(jié)溫度為800°C,保溫時(shí)間為2h。表面改性作為一種常用的手段,可以很好的改善不同相之間的潤(rùn)濕性,增強(qiáng)界面處的結(jié)合力?;瘜W(xué)鍍工藝簡(jiǎn)便、節(jié)能且環(huán)保,是最適合用于粉末狀顆粒的表面改性方法。粉末冶金工藝作為材料制備的一種重要手段,具有材料利用率高,材料組織細(xì)小均勻可控,易實(shí)現(xiàn)近凈成形等優(yōu)點(diǎn),且避免了鑄造帶來的因密度差異造成的組織不均的現(xiàn)象。在本發(fā)明技術(shù)方案中,單純的石墨粉與銅合金的潤(rùn)濕性非常差,它們的界面處會(huì)留有空隙,影響材料性能,而利用化學(xué)鍍技術(shù),在石墨粉表面鍍覆一層銅鍍層,由于銅與銅合金的潤(rùn)濕性非常好,結(jié)合力強(qiáng),鍍銅層起到了連接石墨粉與銅合金基體的作用,增強(qiáng)了材料內(nèi)部的結(jié)合力,減小了空隙率,提高了材料性能,同時(shí)利用粉末冶金技術(shù)可以使石墨分散均勻,最終獲得致密的、組織均勻的機(jī)械、摩擦性能更好的銅合金石墨復(fù)合材料,具體來說本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于如下幾個(gè)方面I、本發(fā)明采用化學(xué)鍍法,室溫下在石墨粉表面均勻的鍍覆了銅鍍層(見附圖I ),工藝簡(jiǎn)單,工業(yè)生產(chǎn)過程中比較容易實(shí)現(xiàn),大大降低了生產(chǎn)成本。2、本發(fā)明采用粉末冶金方法,可獲得組織均勻的銅合金石墨復(fù)合材料。3、石墨鍍覆銅鍍層后與基體結(jié)合緊密,而未作處理的石墨與基體界面處有空隙(見附圖2)。4、機(jī)械性能良好,表面改性后的石墨制備的復(fù)合材料較未處理的在抗壓強(qiáng)度上提高了約5 10% (見表I)。5、摩擦學(xué)性能良好,表面改性后的石墨制備的復(fù)合材料擁有更低的摩擦系數(shù),且耐磨性更高(見附圖4及表2)。
圖I為石墨表面化學(xué)鍍銅后的SEM掃描圖片。圖2為石墨表面未處理與處理后分別制備的復(fù)合材料界面SEM掃描圖片(a)未處理(b)處理。圖3為石墨表面化學(xué)鍍銅后的XRD譜線。圖4為石墨表面未處理與處理后分別制備的復(fù)合材料的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。對(duì)石墨進(jìn)行鍍銅處理首先將200目石墨粉置入O. 05mol/L氯化亞錫(SnCl2)水溶液中,超聲IOminji濾,去離子水洗凈,再置入O. 018mol/L硝酸銀(AgNO3)水溶液中,超聲20min,抽濾,去離子水洗凈;其次,按照鍍液配方配制水溶液,其中酒石酸鉀鈉(C4H4O6KNa)濃度為O. 05mol/L,NaOH為O. 15mol/L和鑰酸鈉(Na2MoO4)為O. 001mol/L,然后將上述經(jīng)過處理的石墨粉倒入,最后同時(shí)向體系中倒入濃度分別為O. 05mol/L CuSO4和25ml/L HCHO的水溶液,不停攪拌(攪拌速度為80-120轉(zhuǎn)/min) 5_8min,鍍覆完畢,期間不斷用NaOH調(diào)節(jié)以使pH=12,最后將鍍銅的石墨使用蒸餾水清洗,即可獲得鍍銅石墨,如附圖I和3所示,石墨表面已經(jīng)成功鍍銅。采用粉末冶金法制備銅合金/石墨復(fù)合材料。實(shí)施例II.將鍍銅石墨與CulOSn合金粉進(jìn)行混合,其中所述CulOSn合金粉為200目,其中元素銅錫質(zhì)量比為9:1,所述鍍銅石墨的添加用量為CulOSn合金粉質(zhì)量的O. 5wt%一3wt%, 間隔為O. 5wt%,使用混料機(jī)進(jìn)行混料,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為75r/min,混料時(shí)間為10h。2.將混好的粉末進(jìn)行冷壓成型,其冷壓成型壓強(qiáng)為600MPa,保壓時(shí)間為2min,將冷壓好的壓坯放進(jìn)管式爐進(jìn)行氬氣保護(hù)燒結(jié),燒結(jié)溫度為800°C,保溫時(shí)間為2h。實(shí)施例2I.將鍍銅石墨與CulOSn合金粉進(jìn)行混合,其中所述CulOSn合金粉為200目,其中元素銅錫質(zhì)量比為9:1,所述鍍銅石墨的添加用量為CulOSn合金粉質(zhì)量的0. 5wt%一3wt%,間隔為0. 5wt%,使用混料機(jī)進(jìn)行混料,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為75r/min,混料時(shí)間為15h。2.將混好的粉末進(jìn)行冷壓成型,其冷壓成型壓強(qiáng)為600MPa,保壓時(shí)間為3min,將冷壓好的壓坯放進(jìn)管式爐進(jìn)行氮?dú)獗Wo(hù)燒結(jié),燒結(jié)溫度為800°C,保溫時(shí)間為2h。實(shí)施例3I.將鍍銅石墨與CulOSn合金粉進(jìn)行混合,其中所述CulOSn合金粉為200目,其中元素銅錫質(zhì)量比為9:1,所述鍍銅石墨的添加用量為CulOSn合金粉質(zhì)量的0. 5wt%一3wt%,間隔為0. 5wt%,使用混料機(jī)進(jìn)行混料,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為75r/min,混料時(shí)間為12h。2.將混好的粉末進(jìn)行冷壓成型,其冷壓成型壓強(qiáng)為650MPa,保壓時(shí)間為3min,將冷壓好的壓坯放進(jìn)管式爐進(jìn)行氬氣保護(hù)燒結(jié),燒結(jié)溫度為800°C,保溫時(shí)間為2h。利用電火花線切割機(jī)切割復(fù)合材料獲得25. OmmX 7. OmmX 7. Omm的摩擦磨損測(cè)試試樣和06mmX10mm的抗壓強(qiáng)度測(cè)試試樣。同時(shí)將沒有經(jīng)過鍍銅處理的石墨按照相同工藝與CulOSn合金粉進(jìn)行復(fù)合,制備對(duì)比試樣。試樣處理及測(cè)試試樣經(jīng)砂紙打磨,拋光后對(duì)其界面進(jìn)行了 J0EL-JSM6700F型掃描電子顯微鏡(Philips公司)(SEM)觀察(見附圖2)。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)用MM200型磨損試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南益華摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)有限公司)分別對(duì)30N、50N、100N載荷做了干摩擦的相關(guān)研究,摩擦環(huán)直徑為45mm,轉(zhuǎn)速為200rpm,摩擦磨損結(jié)果見圖4及表2??箟簭?qiáng)度測(cè)試用CSS-44001型電子萬能試驗(yàn)機(jī)(長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)廠),應(yīng)變速率為0. 1/min,抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表I,實(shí)驗(yàn)測(cè)試為三個(gè)實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的平均值。表I石墨表面未處理與處理后分別制備的復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)(單位MPa)
權(quán)利要求
1.一種提高銅合金石墨復(fù)合材料性能的粉末冶金制備方法,其特征在于,按照下述步驟進(jìn)行 步驟(1),對(duì)石墨粉表面進(jìn)行化學(xué)鍍銅,采用200目石墨粉,鍍液配方為O. 05mol/LC4H4O6KNa,O. 15mol/L NaOH,O. 001mol/L Na2MoO4,再加入石墨粉后,再向其中加入O.05mol/L CuSO4和251111/1 HCHO的水溶液,用NaOH調(diào)節(jié)pH=12,室溫20— 25攝氏度下進(jìn)行化學(xué)鍍銅; 步驟(2),將鍍銅石墨與CulOSn合金粉進(jìn)行混合,其中所述CulOSn合金粉為200目,其中元素銅錫質(zhì)量比為9:1,所述鍍銅石墨的添加用量為CulOSn合金粉質(zhì)量的O. 5wt%一3wt%,使用混料機(jī)進(jìn)行混料,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為75— 80r/min,混料時(shí)間為10 — 15h 步驟(3),將混好的粉末進(jìn)行冷壓成型,其冷壓成型壓強(qiáng)為600— 650MPa,保壓時(shí)間為2-3min,將冷壓好的壓坯放進(jìn)管式爐進(jìn)行惰性氣體保護(hù)燒結(jié),燒結(jié)溫度為800°C,保溫時(shí)間為2h。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高銅合金石墨復(fù)合材料性能的粉末冶金制備方法,其特征在于,所述步驟(I)中,具體來說如下首先將200目石墨粉置入0.05mol/L氯化亞錫水溶液中,超聲IOmin,抽濾,去離子水洗凈,再置入O. 018mol/L硝酸銀水溶液中,超聲20min,抽濾,去離子水洗凈;其次,按照鍍液配方配制水溶液,其中酒石酸鉀鈉濃度為O.05mol/L, NaOH為O. 15mol/L和鑰酸鈉為O. 001mol/L,然后將上述經(jīng)過處理的石墨粉倒入,最后同時(shí)向體系中倒入濃度分別為0. 05mol/L CuSO4和25ml/L HCHO的水溶液,不停攪拌5-8min,所述攪拌的速度為80-120轉(zhuǎn)/min,鍍覆完畢,期間不斷用NaOH調(diào)節(jié)以使pH=12,最后將鍍銅的石墨使用蒸餾水清洗。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高銅合金石墨復(fù)合材料性能的粉末冶金制備方法,其特征在于,所述步驟(2)中,混料時(shí)間優(yōu)選為12h。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高銅合金石墨復(fù)合材料性能的粉末冶金制備方法,其特征在于,所述步驟(3)中,所述惰性氣體保護(hù)為氬氣、氮?dú)狻?br>
5.一種銅合金石墨復(fù)合材料,其特征在于,按照下述步驟進(jìn)行 步驟(1),對(duì)石墨粉表面進(jìn)行化學(xué)鍍銅,采用200目石墨粉,鍍液配方為0. 05mol/LC4H4O6KNa,0. 15mol/L NaOH,0. 001mol/L Na2MoO4,再加入石墨粉后,再向其中加入0.05mol/L CuSO4和251111/1 HCHO的水溶液,用NaOH調(diào)節(jié)pH=12,室溫20— 25攝氏度下進(jìn)行化學(xué)鍍銅; 步驟(2),將鍍銅石墨與CulOSn合金粉進(jìn)行混合,其中所述CulOSn合金粉為200目,其中元素銅錫質(zhì)量比為9:1,所述鍍銅石墨的添加用量為CulOSn合金粉質(zhì)量的0. 5wt%一3wt%,使用混料機(jī)進(jìn)行混料,混料機(jī)轉(zhuǎn)速為75— 80r/min,混料時(shí)間為10 — 15h 步驟(3),將混好的粉末進(jìn)行冷壓成型,其冷壓成型壓強(qiáng)為600— 650MPa,保壓時(shí)間為2-3min,將冷壓好的壓坯放進(jìn)管式爐進(jìn)行惰性氣體保護(hù)燒結(jié),燒結(jié)溫度為800°C,保溫時(shí)間為2h。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種銅合金石墨復(fù)合材料,其特征在于,所述步驟(I)中,具體來說如下首先將200目石墨粉置入0. 05mol/L氯化亞錫水溶液中,超聲lOmin,抽濾,去離子水洗凈,再置入0. 018mol/L硝酸銀水溶液中,超聲20min,抽濾,去離子水洗凈;其次,按照鍍液配方配制水溶液,其中酒石酸鉀鈉濃度為0. 05mol/L, NaOH為0. 15mol/L和鑰酸鈉為O. OOlmol/L,然后將上述經(jīng)過處理的石墨粉倒入,最后同時(shí)向體系中倒入濃度分別為O.05mol/L CuSO4和251111/1 HCHO的水溶液,不停攪拌5—8min,所述攪拌的速度為80 —120轉(zhuǎn)/min,鍍覆完畢,期間不斷用NaOH調(diào)節(jié)以使pH=12,最后將鍍銅的石墨使用蒸餾水清洗。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種銅合金石墨復(fù)合材料,其特征在于,所述步驟(2)中,混料時(shí)間優(yōu)選為12h。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種銅合金石墨復(fù)合材料,其特征在于,所述步驟(3)中,所述惰性氣體保護(hù)為氬氣、氮?dú)狻?br>
全文摘要
本發(fā)明一種提高銅合金石墨復(fù)合材料性能的粉末冶金制備方法,涉及金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料,采用化學(xué)鍍的方法對(duì)石墨粉進(jìn)行了表面改性,利用混粉、冷壓、燒結(jié)方法,通過粉末冶金工藝獲得了摩擦性能和機(jī)械性能優(yōu)良的銅合金石墨復(fù)合材料。本發(fā)明通過對(duì)石墨的表面改性,提高了銅合金石墨復(fù)合材料的摩擦性能和機(jī)械性能,可以作為制備自潤(rùn)滑軸承材料的方法加以開發(fā)利用。
文檔編號(hào)C22C1/05GK102925731SQ201210466808
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者耿振, 楊賢金, 崔振鐸, 李朝陽, 梁硯琴 申請(qǐng)人:天津大學(xué)