复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种Cu/AlMgB14复合材料及其制备方法，材料的特点是同时具有高强度和低磨损特性，以及可调节的摩擦系数，属于润滑耐磨损材料领域。
技术背景
[0002]铜合金由于其优异的物理化学性能(高导热、导电、耐腐蚀)以及成本低廉、加工性能优良等特点，在航空航天、高速列车、船舶以及先进武器装备系统等高端装备制造领域有着不可替代的作用，被广泛应用于微电子元件、刹车片、滑动轴承等运动部件的制作。但是，铜合金强度低、摩擦系数高、耐磨性差，极大的影响了其应用安全和使用寿命，特别是在上述高技术领域，使役工况极端苛刻(高速、高载等多种条件交织)，迫切需要材料具有优异的耐磨、减摩和高强特性，这将直接关系到整个装备和机械系统的安全性和可靠性运行。目前，采用复合化设计手段制备的硬质相颗粒增强铜基复合材料，能够兼具铜合金优异物理化学性能和颗粒增强相高强高硬度特性，有效克服铜基体强度低和耐磨性差的缺陷。中国专利CN 102828060 A公开了一种氮化钛陶瓷增强铜基复合材料，该材料具有密度低、比强度和比刚度高、耐磨性好、良好的导热导电性能等优点。Tjong等(Materials Letters 43(2000) 274-280)研宄表明20 Vol.%SiC能够显著提升铜合金的抗磨粒磨损性能。然而，硬质增强相对铜合金减摩效应作用甚微，一般还需要再加入一定含量的固体润滑相来获得自润滑性能，但这往往又会导致铜基复合材料组分偏多、制备工艺复杂等问题。中国专利CN 104404404 A公开了一种铜基复合材料，由重量份数2份短纤维(碳纳米管和SiC晶须)，15份增强体颗粒(A1203、S12,1102和SiC按照质量比2:1:1:1混合物)，100份铜粉组成，需在氩气氛围下二次复压，该复合材料摩擦系数在0.05~0.1之间，布氏硬度HB110。中国专利CN 104328368 A公开了一种自润滑耐磨铜基复合材料，在铜基体中添加体积分数1~30 %的Si3N4晶须作为增强相，0.5-15 %的固体润滑剂(石墨粉、氮化硼或碳粉)，磨损率在1.0-4.0XlO-5 mmVm范围，摩擦系数0.4。
[0003]因此，在铜基体中加入一种兼顾高硬高强和自润滑性能的陶瓷颗粒增强相，将有效解决目前铜基复合材料存在的力学性能与摩擦性能矛盾的问题。最近，一种超硬陶瓷AlMgB14材料(硬度32~35 GPa)被发现具有优异的自润滑性能、且密度低(2.66 g/cm3)、导热和导电性能(1.2-7.2X 10_4 Ω cm)良好，是一种具有潜在应用价值的铜基复合材料增强相。美国专利US 2005/0100748 Al公开了一种脉冲激光沉积々11%814超硬超润滑薄膜，薄膜硬度为45~51 GPa,摩擦系数低至0.04。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种具有高强度、低磨损且摩擦系数可调的&1/^11%814复合材料及其制备方法。
[0005]一种Cu/AlMgB14复合材料，其特征在于该材料由质量百分数为5~30 %的AlMgB 14和质量百分数为70~95 %的铜组成。
[0006]上述&1/^11%814复合材料的制备方法为:将AlMgB 14粉和铜粉在球磨机中以200-300 r/min的速度混合4~6小时后将其放入石墨模具中，然后置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，当温度达到900~1200°C时，施加压力10~30 MPa,保温保压30~60分钟，停止加热、冷却。
[0007]所述热压烧结的条件:真空度小于1.0X KT1 Pa，升温速率10~15°C /min。
[0008]对上述复合材料进行性能表征:采用排水法进行密度测试；采用三点弯曲试验测定材料抗弯强度，试样尺寸30X3X3 mm，跨距20 mm，压头下移速度0.1 mm/min ;采用HT-1000高温摩擦磨损试验机表征材料摩擦学性能，载荷10 N，滑动速率0.188 m/s，对偶为直径6.35 mm的Si3N4球。弯曲强度、摩擦系数结果均取3次试验平均值。
[0009]本发明的特点之一是:采用新型轻质超滑超硬AlMgB14材料作为增强相来解决铜基材料强度低、易磨损和摩擦系数高的问题。
[0010]本发明的特点之二是:材料具有低的磨损率(在10_5 mm3/Nm量级)和可调节的摩擦系数。
[0011]本发明的特点之三是:材料具有低密度和高强度，材料密度在4.9-7.8 g/cm3，室温弯曲强度高达600 MPa0
[0012]材料适合制作轴承、轴衬、滑块、刹车片等摩擦运动部件，在航空航天、高速列车以及船舶等领域具有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0013]图1为不同组分和制备工艺的复合材料弯曲强度-挠度曲线。
[0014]图2为不同组分和制备工艺的复合材料摩擦系数-滑动时间曲线。
[0015]注:CA-5、CA-10和CA-20分别表示含质量百分数为5 %、10 %和20 °从11\%814的Cu/AlMgB14复合材料ο
【具体实施方式】
[0016]实施例1:
按照质量百分比为:AlMgB14 5 %、铜95 %，分别称取物料，在球磨机中200 r/min的速度下干混4小时，将球磨混合后的物料放入石墨模具，然后置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结参数为:真空度0.85 X KT1 Pa，升温速率15 °C/min，烧结温度950 °C，施加压力30 MPa，保温保压30分钟。烧结结束后，材料随炉冷却至室温取出。
[0017]本实施方式所得复合材料密度为7.75 g/cm3 (纯铜为8.65 g/cm3)，弯曲强度537MPa，摩擦系数1.0o
[0018]实施例2:
按照质量百分比为:AlMgB14 10 %、铜90 %，分别称取物料，在球磨机中250 r/min的速度下干混5小时，将球磨混合后的物料放入石墨模具，然后置于真空热压烧结炉中加热进行热压烧结，烧结参数为:真空度0.65X10—1 Pa，升温速率10 V /min，烧结温度1000 V’施加压力30 MPa，保温保压30分钟。烧结结束后，材料随炉冷却至室温取出。
[0019]本实施方式所得的复合材料密度6.15 g/cm3，弯曲强度525 MPa，摩擦系数0.6。
[0020]实施例3: 按照质量百分比为:AlMgB14 15 %、铜85 %，分别称取物料，在球磨机中300 r/min的速度下干混6小时，将球磨混合后的物料放入石墨模具，然后置于真空热压烧结炉中加热进行热压烧结，烧结参数为:真空度0.75X KT1 Pa，升温速率15 V /min，烧结温度1100 V，施加压力30 MPa，保温保压30分钟。烧结结束后，材料随炉冷却至室温取出。
[0021]本实施方式所得的复合材料密度5.35 g/cm3，材料兼具高强度(弯曲强度550MPa)、耐磨和低摩擦特性(摩擦系数0.32)。
[0022]实施例4
按照质量百分比为！AlMgB14 20 %、铜80 %，分别称取物料，在球磨机中300 r/min的速度下干混6小时，将球磨混合后的物料放入石墨模具，然后置于真空热压烧结炉中加热进行热压烧结，烧结参数为:真空度0.90X KT1 Pa，升温速率12 V /min，烧结温度1150 V，施加压力25 MPa，保温保压40分钟。烧结结束后，材料随炉冷却至室温取出。
[0023]本实施方式所得的复合材料密度5.02 g/cm3，材料兼具高强度(弯曲强度600MPa)、耐磨和低摩擦特性(摩擦系数0.40)。
【主权项】
1.一种Cu/AlMgB 14复合材料，其特征在于该材料由质量百分数为5~30 %的AlMgB 14和质量百分数为70~95 %的铜组成。
2.如权利要求1所述复合材料的制备方法，其特征在于将AlMgB14粉和铜粉在球磨机中以200~300 r/min的速度混合4~6小时后将其放入石墨模具中，然后置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，当温度达到900~1200 °0时，施加压力10~30 MPa，保温保压30~60分钟，停止加热、冷却。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述热压烧结的条件:真空度小于Ι.ΟΧΚΓ1 Pa，升温速率 10~15 °C/min。
【专利摘要】本发明公开了一种Cu/AlMgB14复合材料，该材料由质量百分数为5~30 %的AlMgB14和质量百分数为70~95 %的铜组成。本发明所述的Cu/AlMgB14复合材料具有高强度、耐磨损以及摩擦系数可调控等特性，可用于制作轴承、轴衬、滑块、刹车片等摩擦运动部件。本发明还公开了该复合材料的制备方法，制备工艺简单，所需设备简单，生产周期短。
【IPC分类】C22C1-10, C22C29-14, C22C1-05
【公开号】CN104831149
【申请号】CN201510265444
【发明人】杨军, 程军, 刘维民, 朱圣宇, 乔竹辉
【申请人】中国科学院兰州化学物理研究所
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月23日