一种铜基二氧化硅复合材料及其制备方法与流程

文档序号：18009669发布日期：2019-06-25 23:50阅读：431来源：国知局

本发明涉及一种铜基二氧化硅复合材料及其制备方法，特别涉及一种在高温高摩擦环境下使用的合金及其制备方法，属于金属材料及其制备技术领域。

背景技术：

铜基复合材料由于其良好的耐磨性、导热性等，被用作飞机、汽车、轮船和工程机械等的刹车及制动装置，广泛用于机电、宇航、微电子等高技术领域。国内外对高温下应用的铜基复合材料的研究由来已久，并已形成了铜基复合氧化物、碳化物、硼化物和氮化物等工业化系列产品。

随着设备向高速、重载方向发展，对铜基摩擦材料的耐磨性和耐热性提出了更高要求。铜基复合材料的研究结果表明：采用纳米al2o3、纳米zro2等纳米级氧化物作为弥散增强相制备出的铜基纳米复合材料，利用颗粒增强技术在软韧的cu基体中形成弥散分布的硬质点来提高材料的强度、耐磨性，同时能够保持铜本身高导热性能，提高抗高温软化特性，达到导电和强度、耐磨性能综合提高的效果，具有其它强化方法无法比拟的优点。因此，将纳米氧化物材料应用于铜基耐磨材料，为改善耐磨材料的摩擦学性能提供了新途径。

根据国内外资料，目前研究较多的是cu/al2o3复合材料。纳米sio2(n-sio2)由于其特殊的结构且具有质量轻、耐磨、耐高温、耐腐蚀及热膨胀系数小等特性，其导热、导电性能尽管有所下降，但仍保持在较高的水平，并且其价格仅为纳米al2o3的一半。然而，由于n-sio2极易团聚，在铜基体中不易均匀分散，导致制备出的sio2增强铜基复合材料性能与cu/al2o3复合材料相比并无优势，因此将n-sio2作为增强相用于铜基体的研究还不多见。

近年来，铜基复合材料作为耐磨零件被越来越多地应用在各个领域。因此，研发出一种在高温环境下使用的具有较高强度、高耐磨性、低成本的铜基二氧化硅复合材料，使之应用于航空航天、汽车等领域高温环境用制动零部件的制造，对提高产品质量及设备使用寿命等均有重大的意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的第一个问题是提供一种具有优异力学性能、耐磨耐热性能、高导电、低密度的铜基二氧化硅复合材料，使之用于航空航天、车辆交通、微电子等行业领域。

本发明所要解决的第二个问题是提供一种具有优异力学性能、耐磨耐热性能、低密度、高导电铜基二氧化硅复合材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种铜基二氧化硅复合材料，即一种纳米二氧化硅增强铜基复合材料，其质量百分比组成为：锡：0.5～10％，石墨：10～25％，二氧化硅：2～8％，纳米二氧化硅：0～2％，余量为铜。

优选的，上述铜基复合材料的质量百分比组成为：锡：1～5％，石墨：17～20％，二氧化硅：3～6％，纳米二氧化硅：0.3～1.5％，余量为铜。

其中，不可避免的杂质的质量百分比≤0.1％。

以上各组分元素在复合材料中所起的作用如下：

石墨：石墨具有提高铜基复合材料润滑性能、尤其是高温润滑性能的作用，但石墨质软，所以添加过量会降低复合材料的力学性能。

锡：一方面，锡可加速基体致密化过程；另一方面，锡与石墨具有优异的协同润滑效应，加锡可极大提高铜-石墨复合材料的减摩性能，同时锡和石墨的协同润滑作用存在最佳配合，我们实验证明sn/石墨质量比在0.5～30范围时，可以获得较好的协同润滑作用。

二氧化硅：对铜基复合材料具有提高耐磨性、硬度以及抗粘结的作用。

纳米二氧化硅：n-sio2可提高铜基复合材料的耐高温性能及耐磨性能，同时由于其纳米效应可有效阻碍位错运动和晶界滑移，具有显著提高基体强度的作用；另一方面，n-sio2与sio2耦合作用可提高复合材料的致密度。

本发明二氧化硅增强铜基复合材料的制备方法，主要包括原料混合、冷压成形、最后加压烧结的工艺，具体步骤包括：铜基二氧化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：配比称取粉末，将铜粉和纳米二氧化硅混合粉预先在行星式高能球磨机中球磨，之后将它与其他所有原料一起置于小型v型混料机中混合均匀，然后在钢模中将粉末压制成坯块；最后将压坯在钟罩炉中烧结。

本发明中，以电解铜、雾化锡粉、鳞片状天然石墨、微米级二氧化硅和纳米二氧化硅为原料。所使用原材料的质量如下：电解铜粉平均粒度≤74μm，纯度≥99.9wt％；雾化锡粉的平均粒度为40～50μm，纯度≥98wt％；鳞片状天然石墨平均粒度为140～160μm，纯度≥99wt％；微米级sio2平均粒度为40～50μm，水分含量≤1wt％；纳米sio2平均粒径为20～40nm。

首先，将铜粉和纳米二氧化硅在行星式高能球磨机中球磨2～4h，然后与其他原料一起在v型混料机中再混合3～5h；压制成坯块的密度为4～5g/cm³；将压坯在钟罩炉中烧结时，烧结压力为1.0～4.0mpa，烧结温度为800～1000℃，平均升温速率为4～7℃/min，在烧结过程中采用氢气还原性保护气氛，烧结时间为20～40min，最后在保护性气氛下炉冷却至室温，制成成品。

本发明铜基二氧化硅复合材料的抗拉强度300～500mpa，屈服强度为200～300mpa，伸长率为5～15％，动摩擦系数是0.054～0.080，静摩擦系数0.12～0.15，磨损率0.3～1.0×10^-9cm³·j^-1，耐热系数35000～50000，相对耐热性1.0～1.5，密度5.5～8g·cm³，电阻率1.8～2.8×10^-8ω·m，硬度50～85hv。与铜基三氧化二铝复合材料相比，本发明所制备的铜基二氧化硅复合材料的拉伸力学性能相当，而导热性能、耐磨性能较好，同时成本更低。

与现有技术相比，本发明的优点为：

(1)本发明通过添加微米级二氧化硅、纳米态二氧化硅提高合金的力学性能、耐磨性能及耐热性能；锡的加入可以提高耐磨性能，加速基体致密化过程；石墨颗粒可对铜基体起到弥散强化，并且石墨具有自润滑作用和良好的耐热性，使铜基体的硬度提高。游离态的硬质纳米颗粒在摩擦过程中可分布于摩擦副之间，起到“滚珠效应”，降低摩擦因数和磨损率。当n-sio2颗粒均匀地分布于铜基摩擦材料的基体中，可有效地阻碍位错运动和晶界滑移，提高基体的强度和耐热性。本发明所设计的铜基二氧化硅复合材料具有良好的加工性能，与铜基三氧化二铝复合材料相比，其耐热和耐磨性更好。

(2)本发明通过预先高能球磨，使纳米二氧化硅在铜基体中均匀分散，达到提高复合材料综合性能的目的。

(3)本发明所制备的铜基二氧化硅复合材料，成本更低。

具体实施方式

以下结合实例对本发明作进一步详细描述。

本发明铜基二氧化硅复合材料的制备方法，制备步骤为：配料―高能球磨―混料―冷压成型―加压烧结―成品。其具体工艺步骤包括：

(1)高能球磨：将称量好的电解铜粉(平均粒度≤74μm，纯度≥99.9wt％)、纳米级sio2(平均粒径为20～40nm)置于行星式高能球磨机中预先球磨2～4h。

(2)原料混合：将球磨后的铜-纳米sio2混合粉、雾化锡粉(平均粒度为40～50μm，纯度≥98wt％)、鳞片状天然石墨(平均粒度为140～160μm，纯度≥99wt％)、微米级sio2(平均粒度为40～50μm，水分含量≤1wt％)置于小型v型混料机中混合3～5h；实施例中所采用原料的质量同上。

(2)冷压成形：在ф26mm×6.5mm的钢模中将粉末压制成密度为4～5g/cm³的坯块；

(3)加压烧结：将压坯在钟罩炉中于1.0～4.0mpa压力下烧结，烧结温度为800～1000℃，平均升温速率为4～7℃/min，在烧结过程中采用氢气还原性保护气氛，烧结时间为20～40min，最后保护性气氛下炉冷却至室温，制成成品。

实施例1