一种高耐磨铜基材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高耐磨铜基材料及其制备方法，高耐磨铜基材料由锡青铜粉、氮化硼和强化相组成。本发明专利技术的材料克服了铜‑氮化硼界面不润湿的问题，制得的复合材料具有电阻率低，抗冲击性能好，摩擦系数小，抗弯强度高，硬度高等优点，兼有传统的锡青铜基滑板材料的强度高电阻率低和氮化硼润滑性能好两者的优点，同时制备工艺简单，工艺过程易于控制，没有污染，适用于批量生产。

【技术实现步骤摘要】
一种高耐磨铜基材料及其制备方法
本专利技术涉及一种新型的高耐磨铜基材料及其制备方法，特别涉及一种可用于制备新型电力机车受电弓滑板的高耐磨铜基材料及其制备方法。
技术介绍
随着我国高速铁路的快速发展，作为高速列车最重要的集电元件，受电弓滑板的用量越来越大，因此对滑板材料的要求不断的提高。滑板的发展趋势以碳纤维滑板、碳纤维滑板以及带有自润滑和它润滑功能的金属基复合材料、非金属基复合材料为主。石墨/铜复合材料由于具有较高的强度、良好的导电导热性、减磨耐磨性、耐腐蚀等一系列优点，在受电弓滑板材料中发挥着重要的作用。但国内外在C/Cu复合材料研究方面仍然存在很多实际应用上的问题没有得到满意的解决，主要由于石墨属于软质相，粘合性较强使得其彼此之间很容易团聚，再者由于石墨的平行层状结构，在与铜粉的混合过程中不易均匀，且产生偏析，需要对石墨表面进行改性处理以提高界面强度，如化学法、电镀法等。即便如此，但是还存在以下缺点：(1)制备过程复杂，能耗大(2)改性过程不易控制，生产效率低(3)产品致密度不高，孔隙率大。因此，工艺简单、能耗小、产品组织均匀性好、致密高是铜基自润滑复合材料制备的发展方向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高耐磨铜基材料。本专利技术的另一个目的在于提供一种高耐磨铜基材料的制备方法。本专利技术的再一个目的在于提供基于上述高耐磨铜基材料的受电弓滑板。本专利技术所采取的技术方案是：一种高耐磨铜基材料，由锡青铜粉、氮化硼和强化相组成，其体积比：V(锡青铜粉)：V(氮化硼)：V(强化相)＝(80-85)：(5-15)：(5-15)，强化相选自Cr3C2、Mo2C、WC、Zn中的至少一种。作为上述高耐磨铜基材料的进一步改进，V(锡青铜粉)：V(氮化硼)：V(强化相)＝(80-85)：(8-12)：(8-12)。作为上述高耐磨铜基材料的进一步改进，强化相中各组元质量比为：W(Cr3C2)：W(Mo2C)：W(WC)：W(Zn)＝(1-10)：(1-10)：(1-10)：(70-80)。作为上述高耐磨铜基材料的进一步改进，强化相中各组元质量比为：W(Cr3C2)：W(Mo2C)：W(WC)：W(Zn)＝(4-7)：(4-7)：(4-7)：(70-80)。作为上述高耐磨铜基材料的进一步改进，锡青铜粉中，Sn的质量百分含量为7～13％。一种高耐磨铜基材料的制备方法，高耐磨铜基材料的组成如上所述，其制备方法包括如下步骤：1)将氮化硼和强化相粉末球磨混匀，加水混合，练泥，得到泥料；2)将泥料干燥，800～1100℃保温焙烧完全，得到焙烧料；3)将焙烧料球磨粉碎，与锡青铜粉末混合，加入聚丙烯酰胺溶液，练泥、干燥；4)将粉料置于模具中，冷压成型，得到压坯；5)将压坯升温至500～600℃预烧，之后升温至800～950℃焙烧，冷却后得到初烧结体；6)将初烧结体复压，800～950℃下复烧完全，得到型材。作为上述制备方法的进一步改进，焙烧、预烧和复烧均在还原性气体保护下进行。作为上述制备方法的进一步改进，聚丙烯酰胺溶液的浓度为2～4mol/L。作为上述制备方法的进一步改进，冷压和复压的压力独立不低于1T/cm2，优选为1～3T/cm2。一种受电弓滑板，其主体材料为上述的高耐磨铜基材料或上述的方法制备得到的高耐磨铜基材料。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用锡青铜基体/氮化硼复合材料，氮化硼具有高熔点，高硬度，耐磨耐腐蚀，抗氧化的特点，滑板中引入氮化硼可以改善材料性能。其中的B元素也可以与基体中的合金元素合成硼化物，形成填充粒子与基体间良好的界面结合，起到化学交联点的作用，其配方科学合理，成功解决了铜-氮化硼界面不润湿的问题。制备的受电弓滑板材料具有电阻率低，抗冲击性能好，摩擦系数小，抗弯强度高，硬度高等优点，兼有传统的锡青铜基滑板材料的强度高电阻率低和氮化硼润滑性能好两者的优点，同时制备工艺简单，工艺过程易于控制，没有污染，适用于批量生产。本专利技术的制备过程中向锡青铜/氮化硼复合材料中添加了聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺的网状结构使得它极易卷面缠结，可在复合材料中形成物理交联；而作为表面活性剂，它的酰胺基又具有高极性，容易形成氢键，可提高氮化硼表面活性，增强其与基体的界面结合强度，有利于阻止冲击过程中的裂纹扩展，减缓应力集中。总之，本专利技术工艺简单，操作方便，无需变更现有生产设备，并且改性后的受电弓滑板材料较传统材料有很大的改善，并且成本较低。本专利技术制备的复合材料经过检测，密度为7.3～7.8g/cm3，表面硬度≥130HB，三点抗弯强度≥250MPa，拉伸强度≥180MPa，冲击韧性≥2.5J/cm2，电阻率≤12μΩ·.m，磨损率≤12.0mm/10000km，具有良好的力学性能、良好的导电性以及较低的磨损率等优点。附图说明图1为实施例1的扫描图；图2为实施例2的扫描图；图3是实施例3的最终样品照片；图4为实施例3的扫描图；图5为实施例3的B元素分布图；图6为实施例3的Cr元素分布图；图7为实施例3的Cu元素分布图；图8为实施例3的Sn元素分布图；图9为实施例3的Mo元素分布图；图10为实施例3的W元素分布图；图11为实施例4的扫描图。具体实施方式一种高耐磨铜基材料，由锡青铜粉、氮化硼和强化相组成，其体积比：V(锡青铜粉)：V(氮化硼)：V(强化相)＝(80-85)：(5-15)：(5-15)，强化相选自Cr3C2、Mo2C、WC、Zn中的至少一种。作为上述高耐磨铜基材料的进一步改进，V(锡青铜粉)：V(氮化硼)：V(强化相)＝(82-85)：(7-10)：(8-12)。强化相的作用在于提高材料的强度，可以是本领域公知的与铜基材料相容的强化相。如Zn可以缩小锡青铜的结晶温度范围，提高合金的流动性，减小产生缩松的倾向；碳化物的添加可以显著提高复合材料的硬度；Ni可以无限固溶于α固溶体内，促使α树枝状晶体发达，加入微量的Ni可以使晶粒细化，提高机械性能、耐腐蚀性能和热稳定性。Fe的作用与Ni相似，细化晶粒，提高强度，改善着色性能；P是铜合金的有效脱氧剂，提高锡青铜的流动性；Ti可以与Sn形成TiSn，固溶于铜，有沉淀强化的作用。作为上述高耐磨铜基材料的进一步改进，强化相中各组元质量比为：W(Cr3C2)：W(Mo2C)：W(WC)：W(Zn)＝(1-10)：(1-10)：(1-10)：(70-80)。进一步的，强化相中各组元质量比为：W(Cr3C2)：W(Mo2C)：W(WC)：W(Zn)＝(4-7)：(4-7)：(4-7)：(70-80)。作为上述高耐磨铜基材料的进一步改进，锡青铜粉中，Sn的质量百分含量为7～13％。一种高耐磨铜基材料的制备方法，高耐磨铜基材料的组成如上所述，其制备方法包括如下步骤：1)将氮化硼和强化相粉末球磨混匀，加水混合，练泥，得到泥料；2)将泥料干燥，800～1100℃保温焙烧完全，得到焙烧料；3)将焙烧料球磨粉碎，与锡青铜粉末混合，加入聚丙烯酰胺溶液，练泥、干燥；4)将粉料置于模具中，冷压成型，得到压坯；5)将压坯升温至500～600℃预烧，之后升温至800～950℃焙烧，冷却后得到初烧结体；6)将初烧结体复压，800～950℃下复烧完全，得到型材。步骤1)中焙烧的作用在于使氮化硼与强化相合金充分反应，部分形成硼化物，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高耐磨铜基材料，由锡青铜粉、氮化硼和强化相组成，其体积比：V（锡青铜粉）：V（氮化硼）：V（强化相）=（80‑85）：（5‑15）：（5‑15）。

【技术特征摘要】
1.一种高耐磨铜基材料，由锡青铜粉、氮化硼和强化相组成，其体积比：V（锡青铜粉）：V（氮化硼）：V（强化相）=（80-85）：（5-15）：（5-15）。2.根据权利要求1所述的高耐磨铜基材料，其特征在于：V（锡青铜粉）：V（氮化硼）：V（强化相）=（80-85）：（8-12）：（8-12）。3.根据权利要求1所述的高耐磨铜基材料，其特征在于：强化相中各组元质量比为：W（Cr3C2）：W（Mo2C）：W（WC）：W（Zn）=（1-10）：（1-10）：（1-10）：（70-80）。4.根据权利要求1或2所述的高耐磨铜基材料，其特征在于：强化相中各组元质量比为：W（Cr3C2）：W（Mo2C）：W（WC）：W（Zn）=（4-7）：（4-7）：（4-7）：（70-80）。5.根据权利要求1所述的高耐磨铜基材料，其特征在于：锡青铜粉中，Sn的质量百分含量为7～13%。6.一种高耐磨铜基材料的制备方法，高耐磨...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斌，李婷，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43