一种掺杂TiCN耐磨钨铜复合材料及其制备方法

一种掺杂ticn耐磨钨铜复合材料及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种掺杂ticn耐磨钨铜复合材料及其制备方法，属于金属复合材料技术领域。


背景技术：

2.钨铜复合材料是以w、cu为主的一种不互溶的高比重假合金。因其同时具有w和cu的杰出特性，比如：耐高温性、耐电弧烧蚀性、易切削加工、强度高、比重大、导电导热性好、具有发汗冷却特性，被大量用作电接触材料、电子封装材料和热沉材料。在冶金、军事和航空航天等工业(电磁炮的导轨材料和火箭发动机喷咀鼻锥等)等方面拥有较为广泛的应用。近年来，钨铜复合材料由于特殊性能，也逐渐被用于其他方面。诸如高铁上的电工材料、导卫材料、电视生产线的导轨等。导卫件具有特殊的工作环境，温度达到上千度的工作条件对材料的耐高温性能提出了极高要求。另一方面由于导卫件工作时与扎件产生相对运动，这也使得导卫材料需要有较低的摩擦系数和较高的耐磨性能。但是目前对钨铜合金的研究，大多集中在力学性能上。
3.现有传统钨铜合金的耐磨性差，用作耐磨件时寿命较短，影响与其接触件的服役情况。按照国家标准，cuw80合金硬度为220hb，致密度为95.7%。如果能利用硬质第三相来弥补钨铜合金的缺陷，提高它的耐磨性能，可望将它应用于某些极端环境的服役。
4.钨铜合金由于其本身结构的特殊性，以及钨基体强度随温度升高而显著降低等因素，如果通过制备工艺改进对性能的提高效果不明显，添加第三相是一种方便有效的途径。


技术实现要素：

5.为进一步提高钨铜复合材料的耐磨性，本发明提供一种高耐磨性的钨铜复合材料及其制备方法。该钨铜复合材料改善了钨铜合金的耐磨性能，提高使用寿命，使它可以适用于更多场合。
6.为实现上述目的，采用以下技术方案：一种掺杂ticn耐磨钨铜复合材料的制备方法包括以下步骤：按比例分别称量钨粉、铜粉或镀铜钨粉、镍粉和ticn粉末，然后装入密封罐中进行机械混合，得到成分均匀的复合粉末；将步骤（1）得到的复合粉末装填入模具中进行热压烧结，待降至室温取出模具即得到掺杂ticn耐磨钨铜复合材料。
7.进一步地，所述钨粉、铜粉、镍粉和ticn粉末粒径分别为：铜粉10～15μm、钨粉10～15μm、镍粉10～15μm、ticn粉末10～15μm。
8.进一步地，步骤（1）中所述铜、钨、镍和ticn的质量比为：20-30：70-80：0.1-1：0.6-2，所述镀铜钨粉中铜占比2.0wt% ～20.0wt%。本发明可单纯采用铜粉和钨粉，制备钨铜合金。也可采用镀铜钨粉制备合金，但镀铜钨粉制备合金时由于铜元素含量未必能达到要求，需要另加铜粉补充。
9.进一步地，步骤（1）所述的机械混合具体为采用行星球磨机以100～150r/min的转速机械混合12～20h。
10.进一步地，步骤（2）所述模具为内孔φ24mm的石墨模具。
11.进一步地，步骤（2）所述热压烧结的温度为1100℃～1300℃，时间为2h，压力为30～60mpa。
12.进一步地，步骤（2）所述热压烧结过程中通入氢气进行保护，防止复合材料中的cu在真空中挥发。
13.有益效果：本发明通过在烧结钨铜合金时添加适当比例的ticn，烧结后ticn硬质颗粒弥散分布在铜相中，能够显著提高钨铜合金的耐磨性，使其使用寿命得到提高。
14.说明书附图图1掺杂ticn前后钨铜合金金相组织图：(a)未掺杂ticn , (b) 掺杂ticn (c) 掺杂ticn（镀铜钨粉）。
具体实施方式
15.实施例1制备掺杂1.5wt%ticn的w80cu20合金。
16.步骤1，粉末称量。
17.按照铜粉、钨粉、镍粉和ticn粉末的质量比为20：80：0.5：1.5称量。所选的粉末粒径为：铜粉10～15μm、钨粉10～15μm、镍粉10～15μm、ticn粉末10～15μm。
18.步骤2，机械混粉。
19.然后将所有粉末用行星式球磨机混粉10h，转速150r/min，得到均匀混合的复合粉末。
20.步骤3，热压烧结。
21.然后将40g粉末装入内孔φ24mm的石墨模具，在热压炉中进行烧结。烧结温度为1200
°
c，烧结压力为40mpa，保温时间为2h，保温阶段通入氢气保护。待到炉温降至室温，取出模具，即得到掺杂ticn的钨铜复合材料。
22.实施例2制备掺杂1.5wt%ticn的w80cu20合金(使用镀铜钨粉)。
23.步骤1，粉末称量。
24.使用cu含量为15wt.%的镀铜钨粉。选用粉末粒径为：铜粉10～15μm、镍粉10～15μm、ticn粉末10～15μm。按照3.9：94.1：0.5：1.5（铜粉、铜包钨粉、镍粉和ticn粉）的质量比称量粉末。
25.步骤2，机械混粉。
26.然后将所有粉末用行星式球磨机混粉10h，转速150r/min，得到均匀混合的复合粉末。
27.步骤3，热压烧结。
28.然后将40g粉末装入内孔φ24mm的石墨模具，在热压炉中进行烧结。烧结温度为1200
°
c，烧结压力为40mpa，保温时间为2h，保温阶段通入氢气保护。待到炉温降至室温，取出模具，即得到掺杂ticn的钨铜复合材料。
29.传统钨铜合金的耐磨性差，用作耐磨件时寿命较短，影响与其接触件的服役情况。本发明制备了掺杂ticn的钨铜合金，提高了钨铜合金的耐磨性。
30.表1 掺杂ticn前后w80cu20合金性能对比图1是掺杂ticn前后的钨铜合金显微组织照片，可以看出掺杂ticn后的钨铜合金组织更为致密。在载荷10n，半径4.4mm，摩擦时间30min的条件下对掺杂ticn前后的钨铜合金进行常温摩擦磨损试验，性能对比如表1所示。可以看出，掺杂ticn后的钨铜合金硬度、致密度与耐磨性都有提升。相比于未掺杂ticn的钨铜合金，掺杂ticn并使用镀铜钨粉制备的钨铜合金硬度提升了28%，致密度提升了1.7%，磨损率下降了46%，耐磨减摩性能有明显提升。此外，使用镀铜钨粉也会使合金性能得到提升，这是由于镀铜钨粉让烧结时w颗粒之间的直接接触减少，w颗粒的分布均匀性增加，避免了w颗粒的团聚和拱桥效应，可以获得高的致密度，使得硬度与耐磨性提升。
31.以上所述仅为本发明的较佳实施实例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。


技术特征：
1.一种掺杂ticn耐磨钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）按比例分别称量钨粉、铜粉或镀铜钨粉（cu: 2wt.% ～20wt.%）、镍粉和ticn粉末，然后装入密封罐中进行机械混合，得到成分均匀的复合粉末；（2）将步骤（1）得到的复合粉末装填入模具中进行热压烧结，待降至室温取出模具即得到掺杂ticn耐磨钨铜复合材料。2.根据权利要求1所述的掺杂ticn耐磨钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：所述钨粉、铜粉、镍粉和ticn粉末粒径分别为：铜粉10～15μm、钨粉10～15μm、镍粉10～15μm、ticn粉末10～15μm。3.根据权利要求1所述的掺杂ticn耐磨钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述铜、钨、镍和ticn的质量比为：20-30：70-80：0.1-1：0.6-2，所述镀铜钨粉中铜占比2.0wt% ～20.0wt%。4.根据权利要求1所述的掺杂ticn耐磨钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的机械混合具体为采用行星球磨机以100～150r/min的转速机械混合12～20h。5.根据权利要求1所述的掺杂ticn耐磨钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述模具为内孔φ24mm的石墨模具。6.根据权利要求1所述的掺杂ticn耐磨钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述热压烧结的温度为1100℃～1300℃，时间为2h，压力为30～60mpa。7.根据权利要求1所述的掺杂ticn耐磨钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述热压烧结过程中通入氢气进行保护，防止复合材料中的cu在真空中挥发。8.一种如权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的掺杂ticn耐磨钨铜复合材料。

技术总结
本发明公开了一种掺杂TiCN耐磨钨铜复合材料的制备方法，具体为按比例分别称量钨粉、铜粉、镀铜钨粉、镍粉和TiCN粉末，然后装入密封罐中进行机械混合，得到成分均匀的复合粉末，并装填入模具中进行热压烧结，待降至室温取出模具即得到掺杂TiCN耐磨钨铜复合材料。本发明采用钨粉、镍粉、铜粉、掺杂TiCN粉末，热压烧结制备钨铜合金，烧结后TiCN硬质颗粒弥散分布在铜相中，能够极显著提高钨铜合金的耐磨性，使其使用寿命得到提高。其使用寿命得到提高。其使用寿命得到提高。


技术研发人员：黄友庭 查元飞 李巍 陈文哲
受保护的技术使用者：福建工程学院
技术研发日：2020.12.16
技术公布日：2022/6/16