专利名称：一种玻璃/金属复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别涉及一种玻璃/金属铜复合材料及其制备方法。
背景技术：
目前，各种机械传动装置用的轴套、轴瓦、导航、滑板等有相对滑动运动的零部件，在不同的工况下使用相应的减摩、耐磨材料，常用的有铜基耐磨合金、巴氏合金等。在国内外有关文献上也有许多自润滑减摩材料的报导，例如1984年粉末冶金(Powder metallurgyvo I I, No 1:30-38)报导了 “粉末冶金法生产金属玻璃复合材料”;该方法采用粉末冶金制备金属玻璃复合材料，制备共复杂，效率低。1987年国际粉末冶金杂志(The International
Journal of Powder metallurgy Vol 23. No. 2)第 95-101 页报导了“添加玻璃对自润滑青铜轴承某些性能的影响”;文章介绍了把玻璃作为添加剂加入到粉末冶金青铜轴承中，讨论了玻璃的加入量对轴承的强度、孔隙度、密度等性能的影响，指出随玻璃含量的增加、强度提高、密度降低、孔隙度降低，因此含油体积也降低。上述轴承主要依靠预先浸油才能自润滑，因轴承中必须保证含有一定数量开放性孔隙，故玻璃的加入量受到限制。因此。其抗拉强度和压溃强度较低，不能承受重载荷，使其应用范围受限。另外在有关专利文献中也公开了多层复合材料，如中国专利CN1071179 “碳素纤维增强聚四氟乙烯密封材料及其制造方法” ；CN1043550 “新型复合材料涡轮”；还有美国专利US5573846、US466712、US4812367、日本专利62-75127、62-109843、62-184225、59-2839等，也报导过钢背复合材料，但其工作表面均是以高分子聚合物为基体，再添加玻璃纤维、碳纤维、石墨粉等材料，来提高其耐磨性和强度，使之具有自润滑性能。然而上述复合材料主要适用于低载荷、高转速条件下工作。当工作温度超过150°C，其磨损率急剧升高，因而其耐磨性较差，远不能适应高温、粉尘等恶劣工况，也不适于重载、低速条件下使用。佘直昌等，选取软化温度为650°C的硅酸盐低温玻璃粉为摩擦改进剂，采用加压烧结方法制备含有低温玻璃粉(LMGP)的铜基摩擦材料，研究低温玻璃粉含量对铜基摩擦材料摩擦磨损性能的影响。结果表明少量的低温玻璃粉有助于增强材料耐磨性，当质量分数超过6%时，材料磨损加剧；低温玻璃粉的加入提高了材料的摩擦因数，这与摩擦初期低温玻璃粉颗粒在摩擦表面未软化时硬度高有关；用扫描电镜(SEM)观察摩擦表面可知未加低温玻璃粉试样主要以剥层磨损为主，而添加低温玻璃粉试样主要以磨粒磨损为主并伴随着黏着磨损(佘直昌；姚萍屏；樊坤阳；丁莉；低温玻璃粉对风电机组用铜基摩擦材料性能的影响润滑与密封，Lubrication Engineering, 2011, (06): 12-16)。该方法所用玻璃粉含量低，高含量情况下，已经不能达到材料的使用要求。张雷等使用废玻璃和废铝为原料，采用机械搅拌法制备玻璃/铝基废弃物复合材料，研究复合材料的耐磨性能。随着玻璃颗粒的加入，材料的抗拉强度和硬度较基体都有所提高，尤其耐磨性能，较基体提高了 4. 62倍，已达到皮带运输机托辊的性能要求标准(张雷；孙可伟；废玻璃/废铝耐磨复合材料的性能有色金属，2010，(01)40-43)o该方法所用玻璃温度低，复合物中玻璃含量低，且仅和铝进行复合。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种玻璃粉加入量高，可批量生产的玻璃/金属铜复合材料的制备方法。按照本发明制备方法制得的玻璃/金属铜复合材料强度高，使用温度高于600°C，耐酸性及耐碱性优良，原料价格低廉，来源丰富，制备工艺简单，所制备的玻璃/金属铜复合材料可作为高质量的铜金属的代替材料及高质量的耐磨耐高温复合材料。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是第一步玻璃粉的制备I)首先，按质量分数将50 56%的SiO2,11 14%的Al2O3,15 22%的CaO,0^5%的MgO7O ~ 10%的B2O3,0. Γ2%的Na2O, O. I 1%的Sb2O3混合均匀后，形成配合料；·2)然后，将配合料的一半加入已经升温至1400°C的刚玉坩埚中通过10分钟升温至1550°C，并保温20分钟；再将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，并通过10分钟升温至1550 1600°C，保温60min后，将熔制好的玻璃液倒入水中水淬；3)最后，将水淬后的玻璃渣捞出，烘干球磨后过400目标准筛，既得玻璃/金属复合材料用玻璃粉末；第二步玻璃/金属复合材料的制备 I)首先，按照质量分数将45飞5%的玻璃粉末，55 45%的铜粉末混合均匀形成混合料；2)然后，再向混合料中加入混合料质量分数I 3%蒸馏水，并混合均匀；3)然后，将加水的混料放入密闭的容器中，室温下放置8小时备用；4)然后，将混合料装入模具中，于50 SOMPa的压力下成型；5)然后，将成型的试样放入110°C烘箱中，保温20 48小时；6)然后，将干燥后的试样放入马弗炉中，按照15 20°C /h的速度升温至900°C，保温5 30分钟后，随炉冷却至50°C以下，既得玻璃/金属复合材料。所述的3102通过石英砂引入，纯度为99.9%，粒度为150目，所述的CaO、A1203、Na2O, MgO、B203、Sb2O3分别由分析纯的碳酸钙、氢氧化铝、碳酸钠、碳酸镁，硼酸、三氧化二锑引入。所述的铜粉粒度小于200目。本发明通过粉末烧结法制备玻璃/金属铜复合材料，避免了传统制备方法工艺复杂，时间长，玻璃含量低，所制备材料使用温度低等缺点。本发明提供了一种玻璃粉加入量高，可批量生产的玻璃/金属铜复合材料的制备方法。按照本发明制备方法制得的玻璃/金属铜复合材料强度高，使用温度高于600°C，耐酸性及耐碱性优良，原料价格低廉，来源丰富，制备工艺简单，有利于工业化生产。所制备的玻璃/金属铜复合材料可作为高质量的铜金属的代替材料及高质量的耐磨耐高温复合材料。
图I是实施例I制备的玻璃/金属复合材料的热膨胀曲线图，其中横坐标为试样温度，纵坐标为试样的伸长率。图2是实施例I制备的玻璃/金属复合材料试样断面在扫描电子显微镜下的照片。图3是是实施例2制备的玻璃/金属复合材料的热膨胀曲线图，其中横坐标为试样温度，纵坐标为试样的伸长率。
具体实施例方式实施例I :第一步玻璃粉的制备
I)首先，按质量分数将 54% 的 SiO2,13% 的 Al2O3, 21% 的 CaO，3% 的 MgO，7. 5% 的 B2O3,1%的Na2O, O. 5%的Sb2O3混合均匀后，形成配合料；所述的3102通过石英砂引入，纯度为99.9%，粒度为150目，所述的CaO、A1203、Na2O, MgO、B203、Sb2O3分别由分析纯的碳酸钙、氢氧化铝、碳酸钠、碳酸镁，硼酸、三氧化二锑引入；2)然后，将配合料的一半加入已经升温至1400°C的刚玉坩埚中通过10分钟升温至1550°C，并保温20分钟；再将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，并通过10分钟升温至15500C，保温60min后，将熔制好的玻璃液倒入水中水淬；3)最后，将水淬后的玻璃渣捞出，烘干球磨后过400目标准筛，既得玻璃/金属复合材料用玻璃粉末；第二步玻璃/金属复合材料的制备I)首先，按照质量分数将50%的玻璃粉末，50%粒度小于200目的铜粉末混合均匀形成混合料；2)然后，再向混合料中加入混合料质量分数3%蒸馏水，并混合均匀；3)然后，将加水的混料放入密闭的容器中，室温下放置8小时备用；4)然后，将混合料装入模具中，于50MPa的压力下成型；5)然后，将成型的试样放入110°C烘箱中，保温20小时；6)然后，将干燥后的试样放入马弗炉中，按照15°C /h的速度升温至900°C，保温10分钟后，随炉冷却至50°C以下，既得玻璃/金属复合材料。参见附图1，是所制备玻璃/金属复合材料，室温至800°C的热膨胀曲线图，其中横坐标为试样温度，纵坐标为试样的伸长率。由图I可以看出，所制备的玻璃/金属复合材料的线膨胀系数为68. 6X10_V°C，转变温度为615°C。参见附图2，是所制备玻璃/金属复合材料试样断面在扫描电子显微镜下不同放大倍数的照片，从图中可以看出，试样断面中金属铜与玻璃粉结合紧密。实施例2，第一步玻璃粉的制备I)首先，按质量分数将 50% 的 SiO2,12% 的 Al2O3, 20% 的 CaO，5% 的 MgO，10% 的 B2O3,2%的Na20,1%的Sb2O3混合均匀后，形成配合料；所述的3102通过石英砂引入，纯度为99.9%，粒度为150目，所述的CaO、A1203、Na2O, MgO、B203、Sb2O3分别由分析纯的碳酸钙、氢氧化铝、碳酸钠、碳酸镁，硼酸、三氧化二锑引入；2)然后，将配合料的一半加入已经升温至1400°C的刚玉坩埚中通过10分钟升温至1550°C，并保温20分钟；再将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，并通过10分钟升温至15800C，保温60min后，将熔制好的玻璃液倒入水中水淬；3)最后，将水淬后的玻璃渣捞出，烘干球磨后过400目标准筛，既得玻璃/金属复合材料用玻璃粉末；第二步玻璃/金属复合材料的制备I)首先，按照质量分数将48%的玻璃粉末，52%粒度小于200目的铜粉末混合均匀形成混合料；2)然后，再向混合料中加入混合料质量分数2%蒸馏水，并混合均匀； 3)然后，将加水的混料放入密闭的容器中，室温下放置8小时备用；4)然后，将混合料装入模具中，于SOMPa的压力下成型；5)然后，将成型的试样放入110°C烘箱中，保温48小时；6)然后，将干燥后的试样放入马弗炉中，按照20°C /h的速度升温至900°C，保温20分钟后，随炉冷却至50°C以下，既得玻璃/金属复合材料。参见附图3，是所制备玻璃/金属复合材料，室温至600°C的热膨胀曲线图，其中横坐标为试样温度，纵坐标为试样的伸长率。由图3可以看出，所制备的玻璃/金属复合材料的线膨胀系数为69. 8 X 10_7/°C。实施例3，第一步玻璃粉的制备I)首先，按质量分数将 55% 的 SiO2,14% 的 Al2O3,15% 的 CaO,4. 9% 的 MgO, 10% 的B2O3,1%的Na2O, O. 1%的Sb2O3混合均匀后，形成配合料；所述的3102通过石英砂引入，纯度为99.9%，粒度为150目，所述的CaO、A1203、Na2O, MgO、B203、Sb2O3分别由分析纯的碳酸钙、氢氧化铝、碳酸钠、碳酸镁，硼酸、三氧化二锑引入；2)然后，将配合料的一半加入已经升温至1400°C的刚玉坩埚中通过10分钟升温至1550°C，并保温20分钟；再将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，并通过10分钟升温至16000C，保温60min后，将熔制好的玻璃液倒入水中水淬；3)最后，将水淬后的玻璃渣捞出，烘干球磨后过400目标准筛，既得玻璃/金属复合材料用玻璃粉末；第二步玻璃/金属复合材料的制备I)首先，按照质量分数将52%的玻璃粉末，48%粒度小于200目的铜粉末混合均匀形成混合料；2)然后，再向混合料中加入混合料质量分数2%蒸馏水，并混合均匀；3)然后，将加水的混料放入密闭的容器中，室温下放置8小时备用；4)然后，将混合料装入模具中，于70MPa的压力下成型；5)然后，将成型的试样放入110°C烘箱中，保温48小时；6)然后，将干燥后的试样放入马弗炉中，按照18°C /h的速度升温至900°C，保温30分钟后，随炉冷却至50°C以下，既得玻璃/金属复合材料。实施例4，第一步玻璃粉的制备I)首先，按质量分数将 54% 的 SiO2,11% 的 Al2O3,19% 的 CaO,4. 4% 的 MgO, 10% 的B2O3,1%的Na2O, O. 6%的Sb2O3混合均匀后，形成配合料；
所述的3102通过石英砂引入，纯度为99.9%，粒度为150目，所述的CaO、A1203、Na2O, MgO、B203、Sb2O3分别由分析纯的碳酸钙、氢氧化铝、碳酸钠、碳酸镁，硼酸、三氧化二锑引入；2)然后，将配合料的一半加入已经升温至1400°C的刚玉坩埚中通过10分钟升温至1550°C，并保温20分钟；再将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，并通过10分钟升温至15700C，保温60min后，将熔制好的玻璃液倒入水中水淬；3)最后，将水淬后的玻璃渣捞出，烘干球磨后过400目标准筛，既得玻璃/金属复合材料用玻璃粉末；第二步玻璃/金属复合材料的制备I)首先，按照质量分数将45%的玻璃粉末，55%粒度小于200目的铜粉末混合均匀形成混合料；·
2)然后，再向混合料中加入混合料质量分数1%蒸馏水，并混合均匀；3)然后，将加水的混料放入密闭的容器中，室温下放置8小时备用；4)然后，将混合料装入模具中，于60MPa的压力下成型；5)然后，将成型的试样放入110°C烘箱中，保温30小时；6)然后，将干燥后的试样放入马弗炉中，按照19°C /h的速度升温至900°C，保温5分钟后，随炉冷却至50°C以下，既得玻璃/金属复合材料。实施例5，第一步玻璃粉的制备I)首先，按质量分数将 55% 的 SiO2,14% 的 Al2O3, 22% 的 CaO, 8% 的 B2O3,0. 1% 的Na2O, O. 9%的Sb2O3混合均勻后，形成配合料；所述的3102通过石英砂引入，纯度为99.9%，粒度为150目，所述的CaO、A1203、Na2O, MgO、B203、Sb2O3分别由分析纯的碳酸钙、氢氧化铝、碳酸钠、碳酸镁，硼酸、三氧化二锑引入；2)然后，将配合料的一半加入已经升温至1400°C的刚玉坩埚中通过10分钟升温至1550°C，并保温20分钟；再将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，并通过10分钟升温至15900C，保温60min后，将熔制好的玻璃液倒入水中水淬；3)最后，将水淬后的玻璃渣捞出，烘干球磨后过400目标准筛，既得玻璃/金属复合材料用玻璃粉末；第二步玻璃/金属复合材料的制备I)首先，按照质量分数将55%的玻璃粉末，45%粒度小于200目的铜粉末混合均匀形成混合料；2)然后，再向混合料中加入混合料质量分数2. 5%蒸馏水，并混合均匀；3)然后，将加水的混料放入密闭的容器中，室温下放置8小时备用；4)然后，将混合料装入模具中，于65MPa的压力下成型；5)然后，将成型的试样放入110°C烘箱中，保温40小时；6)然后，将干燥后的试样放入马弗炉中，按照16°C /h的速度升温至900°C，保温15分钟后，随炉冷却至50°C以下，既得玻璃/金属复合材料。实施例6，第一步玻璃粉的制备I)首先，按质量分数将 56% 的 SiO2,14% 的 Al2O3, 22% 的 CaO，5% 的 MgO，2% 的 Na2O,1%的Sb2O3混合均勻后,形成配合料；所述的3102通过石英砂引入，纯度为99.9%，粒度为150目，所述的CaO、A1203、Na2O, MgO、B203、Sb2O3分别由分析纯的碳酸钙、氢氧化铝、碳酸钠、碳酸镁，硼酸、三氧化二锑引入；2)然后，将配合料的一半加入已经升温至1400°C的刚玉坩埚中通过10分钟升温至1550°C，并保温20分钟；再将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，并通过10分钟升温至15600C，保温60min后，将熔制好的玻璃液倒入水中水淬；3)最后，将水淬后的玻璃渣捞出，烘干球磨后过400目标准筛，既得玻璃/金属复合材料用玻璃粉末；第二步玻璃/金属复合材料的制备
I)首先，按照质量分数将50%的玻璃粉末，50%粒度小于200目的铜粉末混合均匀形成混合料；2)然后，再向混合料中加入混合料质量分数I. 5%蒸馏水，并混合均匀；3)然后，将加水的混料放入密闭的容器中，室温下放置8小时备用；4)然后，将混合料装入模具中，于75MPa的压力下成型；5)然后，将成型的试样放入110°C烘箱中，保温35小时；6)然后，将干燥后的试样放入马弗炉中，按照17°C /h的速度升温至900°C，保温25分钟后，随炉冷却至50°C以下，既得玻璃/金属复合材料。本发明通过粉末烧结法制备玻璃/金属铜复合材料，避免了传统制备方法工艺复杂，时间长，玻璃含量低，所制备材料使用温度低等缺点。本发明提供了一种玻璃粉加入量高，可批量生产的玻璃/金属铜复合材料的制备方法。按照本发明制备方法制得的玻璃/金属铜复合材料强度高，使用温度高于600°C，耐酸性及耐碱性优良，原料价格低廉，来源丰富，制备工艺简单，有利于工业化生产。所制备的玻璃/金属铜复合材料可作为高质量的铜金属的代替材料及高质量的耐磨耐高温复合材料。
权利要求
1.一种玻璃/金属复合材料的制备方法，其特征在于 第一步玻璃粉的制备 1)首先，按质量分数将50 56%的SiO2,11 14%的Al2O3,15 22%的Ca0，0 5%的MgO,O 10%的B2O3,0. Γ2%的Na2O, O. I 1%的Sb2O3混合均匀后，形成配合料； 2)然后，将配合料的一半加入已经升温至1400°C的刚玉坩埚中通过10分钟升温至1550°C，并保温20分钟；再将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，并通过10分钟升温至1550 16000C，保温60min后，将熔制好的玻璃液倒入水中水淬； 3)最后，将水淬后的玻璃渣捞出，烘干球磨后过400目标准筛，既得玻璃/金属复合材料用玻璃粉末； 第二步玻璃/金属复合材料的制备 O首先，按照质量分数将45飞5%的玻璃粉末，55 45%的铜粉末混合均匀形成混合料； 2)然后，再向混合料中加入混合料质量分数I 3%蒸馏水，并混合均匀； 3)然后，将加水的混料放入密闭的容器中，室温下放置8小时备用； 4)然后，将混合料装入模具中，于50 SOMPa的压力下成型； 5)然后，将成型的试样放入110°C烘箱中，保温20 48小时； 6)然后，将干燥后的试样放入马弗炉中，按照15 20°C/h的速度升温至900°C，保温5 30分钟后，随炉冷却至50°C以下，既得玻璃/金属复合材料。
2.根据权利要求I所述的玻璃/金属复合材料，其特征在于所述的Si02通过石英砂引入，纯度为99. 9%，粒度为150目，所述的CaO、Al203、Na20、Mg0、B2O3> Sb2O3分别由分析纯的碳酸钙、氢氧化铝、碳酸钠、碳酸镁，硼酸、三氧化二锑引入。
3.根据权利要求I所述的玻璃/金属复合材料，其特征在于所述的铜粉粒度小于200目。
全文摘要
一种玻璃/金属复合材料及其制备方法，首先，按照质量分数将50~56%的SiO2，11～14%的Al2O3，15~22%的CaO，0~5%的MgO，0～10%的B2O3，0.1~2%的Na2O，0.1～1%的Sb2O35混合均匀后，形成配合料后经过熔制、水淬后成玻璃粉。然后，按照质量分数将45~55%的玻璃粉末，55～45%的铜粉末成型烧结后即制备出玻璃/金属复合材料。本发明避免了传统制备方法工艺复杂，时间长，玻璃含量低，所制备材料使用温度低等缺点。按照本发明制备方法制得的玻璃/金属铜复合材料强度高，使用温度高于600℃，耐酸性及耐碱性优良，原料价格低廉，来源丰富，制备工艺简单，有利于工业化生产。所制备的玻璃/金属铜复合材料可作为高质量的铜金属的代替材料及高质量的耐磨耐高温复合材料。
文档编号C22C32/00GK102912163SQ201210409089
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者郭宏伟, 刘新年, 刘盼, 王顺逆, 高档妮, 张文亮, 段国杰, 蔡晓正 申请人:陕西科技大学