一种铜基-石墨自润滑复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铜基-石墨自润滑复合材料及其制备方法，属于摩擦材料领域，尤其涉及摩擦材料的制造方法领域。
【背景技术】
[0002]采用传统的粉末冶金方法制备铜基-石墨自润滑复合材料时，需经过制粉、混粉、压制成形和高温烧结等诸多工序。制备出的铜基-石墨自润滑复合材料，由于石墨的导电性远不如铜，要保证材料的导电性，需减少石墨用量，而导致自润滑效果降低，或者为了保证自润滑性能，使得材料的导电性及强度降低，同时，由于组织状态中，石墨离散分布，铜合金呈孤立岛屿状分布，很难发挥铜的优良导电性，并且制备出的产品铜合金与石墨颗粒之间的界面结合能力较弱，材料孔隙率高、致密度低，导致综合性能较差。而采用传统的复合铸造法制备铜基-石墨复合材料时，由于石墨密度很低，铸造成形过程中，石墨颗粒容易发生上浮和偏聚，制备出的铜基-石墨复合材料存在致密度低，性能不均等缺点。究其原因，在于这两种方法中，石墨颗粒的分布状态都是不可控的，石墨容易形成团聚现象，且在1100°C条件下，石墨与铜合金的润湿角仍高达140°，两者相容性差，致使两者界面结合强度低，材料致密度降低，综合性能下降。
【发明内容】
[0003]针对采取传统的方法制备铜基-石墨自润滑复合材料时，石墨分布范围不可控，难以保证铜合金形成连续的导电网络结构，不利于充分发挥铜的优良导电性和石墨的自润滑性能，且由于孔隙存在导致铜基-石墨复合材料致密度低，抗冲击性能不佳、自润滑性能不稳定等问题。本发明专利提出一种基于石墨骨架和铜合金基体可控复合方法，首先利用选择性激光烧结成形技术制备出三维石墨骨架坯体，经过石墨化处理和表面镀铜处理后，采用铸造的方式实现三维石墨骨架与铜合金的复合，制备出内嵌有三维石墨骨架的铜基-石墨自润滑复合材料，在该复合材料内部石墨分布状态和范围完全可控，且铜合金也能形成连续的导电网络结构，因此，保证了其具有良好的综合性能。
[0004]—种铜基-石墨自润滑复合材料，其特征在于，所述的铜基-石墨自润滑复合材料由三维石墨骨架和铜合金组成，三维石墨骨架占铜合金的质量分数为6%_15% ;所述的铜合金成分组成为Cu、MoS2, SiC，其中MoS2A Cu的质量分数为1%_3%，SiC占Cu的质量分数为
0.2%-1% ;所述的铜为铜锭，铜锭、MoS2、SiC的纯度均大于99.5% ;石墨粉的目数彡150目。
[0005]I) 一种铜基-石墨自润滑复合材料的制备方法，具体步骤如下:
所述的石墨骨架结构是先依据自润滑膜形成机理以及强度理论，设计出三维石墨骨架结构模型。三维石墨骨架结构为一种多孔结构，其孔洞所占体积分数应大于60%，最小孔洞尺寸在0.5-2.0mm之间，石墨骨架特征尺寸在0.4mm~4.0mm之间(在满足制备条件下，尽可能减小特征尺寸)，且石墨骨架结构具有一定的对称性，保证每个切片层上石墨用量相同，分布密度相同，每个摩擦面上石墨量相同，摩擦过程中能够确保形成自润滑膜。具体为: 将石墨粉末与酚醛树脂混合后，按设计的结构，采用二氧化碳激光器，以最小光斑直径为0.4mm，扫描速度为500-3000mm/S，扫描间距0.1-0.25mm，分层厚度0.05-0.2mm，烧结石墨粉末与酚醛树脂混合材料成石墨骨架胚体，取出坯体后清除浮在上面的粉末。
[0006]2)石墨化处理，将制备好的骨架坯体在气体(氩气或氮气)保护的条件下，在2000-2500°C下进行高温石墨化处理，以将粘接剂石墨化，同时可以进一步提高骨架强度(抗弯强度2-4Mpa)，防止铸造成形过程中骨架结构坍塌。同时，石墨化后的三维骨架内部存在一定的孔隙率(20%-35%)，铸造过程中被铜合金填充，形成微观组织的机械咬合，一定程度上增强了界面结合能力，提高了复合材料的强度。
[0007]3)镀铜，由于在1100°C条件下，铜与石墨之间的润湿角仍高达140°，为了解决铸造过程中铜与石墨骨架之间的界面结合强度不足的问题，需将石墨化后的骨架进行表面镀铜处理，以提高骨架与铜合金复合过程中的结合强度，增强其致密度，提高其综合性能。具体是将石墨化处理后的石墨骨架置于CuSO4.5H20镀液中镀铜处理，镀液中CuSO4.5H20含量为10g/L，镀液与石墨骨架的配比为每IL镀液施镀1g石墨骨架，镀完后经冲洗并干燥；镀铜后石墨骨架抗弯强度为3-6Mpa。
[0008]4)将镀铜后的石墨骨架组装在铸型型腔内，并保证其在铜合金基体中的位置。
[0009]采用普通砂型铸造/压力铸造/真空吸铸的方式，将熔炼的铜合金铸到型腔内，与三维石墨骨架复合，获得内嵌三位石墨骨架的铜基-石墨自润滑复合材料。复合过程中，液态铜合金不仅与镀铜石墨骨架之间形成冶金结合，还填充了石墨化处理后骨架内部的孔隙，铜合金与石墨骨架之间还形成机械咬合，进一步提高了材料的致密度和界面结合强度，使得该自润滑复合材料导电导热性能以及力学性能得到很好的提升。具体是将镀铜后的石墨骨架组装在铸造砂型型腔内，定位、固定好后，采用真空吸铸的方式，将熔炼的铜合金在真空度为3.0X 10 3Pa下吸入到铸型型腔中与石墨骨架复合，获得内嵌三维石墨骨架的铜基-石墨自润滑复合材料。
[0010]所述的酚醛树脂占石墨粉末的质量分数为30%_70%。
[0011]所述的石墨骨架为一个立体的多孔结构，空洞所占体积分数大于60%，最小空洞尺寸在0.5-2.0mm，且石墨骨架具有高度对称性，每个切片层(摩擦面)上石墨用量相同、分布密度相同，石墨骨架粗细在0.4-4.0_。
[0012]采用该方法具有以下优点:
1.该方法由于预先将石墨制成连为一体的骨架，石墨分布状态有序可控、相对集中，在达到同样的使用效果时，可一定程度上减少石墨用量，减少了传统制备方法中石墨颗粒对基体的割裂作用，材料的整体力学性能提高。同时，由于石墨本身按骨架结构分布，铜基体也能够连城连续的三维网络，实际上呈现两个骨架的耦合，这种组织状态可充分发挥铜的导电性以及石墨的自润滑性，且整体强度高。
[0013]2.该方法由于预先将石墨制成连为一体的骨架，骨架本身具有一定空间结构和强度，石墨化处理及表面镀铜处理后其强度进一步提升，防止了铸造过程中其结构被破坏，同时解决了传统采用复合铸造法制备铜/石墨自润滑材料时石墨颗粒的偏析、上浮等问题。
[0014]3.石墨化后的三维骨架内部存在一定的孔隙率(20%_35