一种铜基‑石墨正梯度复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铜基‑石墨正梯度复合材料及其制备方法。该铜基‑石墨正梯度复合材料是由铜合金与具有正梯度结构特征的三维多孔石墨骨架复合而成。制备时，首先利用选择性激光烧结成形技术制备具有正梯度结构特征的三维多孔石墨骨架坯体，然后对其进行碳化处理，获得三维多孔石墨骨架，通过浸渍方式将液态钎料包覆在三维多孔石墨骨架上，最后采取铸造方式将铜合金金属液浇注其中，获得所需的铜基‑石墨正梯度自润滑复合材料。该方法不仅保证了石墨含量由表及里呈正梯度变化，并使石墨在任意摩擦磨损面上分布均匀，也保证了铜合金在复合材料体系中形成连续的网络结构，从而充分发挥铜基体优异的导电导热及力学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铜基-石墨正梯度复合材料及其制备方法，属于自润滑摩擦材料制备
，尤其涉及正梯度自润滑摩擦复合材料的制备。
技术介绍
铜基-石墨复合材料是一种优良的自润滑摩擦材料，被广泛应用于制造受电弓滑板、电刷和自润滑轴承等机械零件。铜基-石墨正梯度复合材料通过控制各组分在复合材料中呈梯度分布而改善其摩擦磨损性能。当石墨含量在复合材料体系中呈现正梯度变化时(即石墨含量由表及里呈线性降低)，在摩擦载荷作用下，由于基体表层的强度始终低于亚表层基体的强度，因而裂纹在铜基体中无法延伸扩展，从而提高了基体的耐磨性，这对铜基-石墨复合材料的发展和应用具有十分重要的意义。目前梯度复合材料制备主要有两种：一种是叠层法，另一种是共同沉降法。叠层法首先将两种粉末按不同比例配比、混合，压制成薄片，然后根据组分梯度变化要求，将压制的薄片排列组装在石墨模具中，进行高温热压烧结成型，获得梯度复合材料。由于层厚的存在，采取叠层法难以保证固体润滑剂在复合材料体系中的呈正梯度变化。共同沉降法是利用不同密度、不同大小的粉末颗粒在液体中具有不同沉降速度的原理，即密度大的粉末材料下降速度较大，密度小的粉末材料下降速度小，将两种密度不同的粉末均匀混合并分布于液体中，让其自由沉降，从而使得沉积层中下部密度大的粉末较多，密度低的材料上层比例较大，从下至上形成组分的梯度分布，压制烧结后，形成梯度复合材料。共同沉降法对粉末自身密度、粒径的梯度变化要求较高，工业生产难以保证。上述两种制备方法工艺过程不仅比较复杂，而且难以保证固体润滑剂如石墨在铜基体中的呈正梯度变化以及在任意截面上的分布均匀性，无法保证铜基体形成三维网络结构体，不利于充分发挥铜基体合金导电、导热及力学性能，此外，因铜合金与石墨热膨胀系数不一致，高温烧结时，两者相互间的界面结合能力较弱，所获得的复合材料孔隙率较高、致密度偏低、耐磨性较差，这极大地限制了铜基-石墨复合材料的发展和应用。
技术实现思路
采取传统的方法制备铜基-石墨复合材料时，不仅工艺过程复杂，而且难于控制石墨呈正梯度分布，无法保证石墨在铜基体中的分布均匀性，不利于构筑铜基体三维网络结构，难以充分发挥铜基体和石墨的各自特性，此外，由于石墨与铜合金界面结合强度不足，导致复合材料耐磨性较差。本专利技术为一种铜基-石墨正梯度复合材料及其制备方法。所述的铜基-石墨正梯度复合材料由铜合金和具有正梯度结构的三维多孔石墨骨架复合而成。铜合金由Cu、WC、Sn组成，WC占铜的质量分数为1.0-2.0％，Sn占铜的质量分数为0.5-1.0％，余为Cu，各金属组元的纯度均大于99.5％；通过设计制备多孔石墨骨架控制石墨含量及其分布，即具有正梯度结构的三维多孔石墨骨架是指由表及里石墨含量呈线性降低，其梯度变化范围为0.1％～10％；由表及里在复合材料任意截面上石墨分布相对均匀。为了保证铜合金基体与多孔石墨骨架结合强度，在所述的多孔石墨骨架上包覆有厚度为0.01-0.5mm过渡层组织，该过渡层为钎料NiCrPCu合金与C、Cu在高温下形成的化合物。本专利技术采取铸造方式铜合金液体浇注到三维多孔网络石墨骨架中，因此，在复合材料内部铜合金自发地形成三维网络结构，这有助于发挥铜合金的力学性能、导电导热等性能。上述中的铜基-石墨正梯度复合材料制备方法主要包括以下几个步骤：步骤一：采取选择性激光烧结成形技术烧结石墨与酚醛树脂的混合物，制备具有正梯度结构特征的三维多孔石墨骨架坯体；步骤二：将步骤一获得的三维多孔石墨骨架坯体置于高温碳化炉内，在氮气或氩气保护下进行碳化处理，获得多孔石墨骨架。碳化处理可增强石墨骨架的强度，以防止铸造过程中被合金溶液冲溃发生坍塌。步骤三：将多孔石墨骨架浸渍于NiCrPCu钎料溶液中，于950-1000℃条件下，保温5-20min，使钎料包覆骨架并与石墨反应形成一层过渡层组织。步骤四：将步骤三处理后的多孔石墨骨架安装在砂型铸型型腔中，再将铜合金溶液浇注其中，待凝固冷却后，获得所需的铜基-石墨正梯度复合材料。所述步骤一的激光烧结混合粉末由石墨粉末(150目，纯度为99.5％)和酚醛树脂粉末(500目)组成，酚醛树脂粉末作为粘接剂，酚醛树脂粉末占混合粉末总质量的25％-50％(优选为600目，酚醛树脂粉末占混合粉末总质量的30％)。利用选择性激光烧结成形技术制备多孔石墨骨架坯体，通过SLS模型控制石墨含量，保证由表及里呈线性降低。所述步骤二的多孔石墨骨架高温碳化处理的参数为：先由室温加热到200℃时，升温速度为60℃/h；再以较慢的升温速度30℃/h升温到600℃；然后再以50℃/h升温到800℃；在800℃保温1h；最后自然冷却到室温。所述步骤三的钎料为NiCrPCu合金，在950-1000℃条件下，将多孔石墨骨架浸渍于钎料溶液中，保温5-30min，在多孔石墨骨架上包覆有厚度为0.01-0.5mm的过渡层组织，该过渡层为钎料NiCrPCu合金与C、Cu在高温下形成的化合物Cr3C2。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术专利提出了具有正梯度结构的铜基-石墨复合材料及其制备方法。该方法使得复合材料内部石墨含量及其分布完全可控，石墨含量由表及里呈现线性降低，在复合材料表层石墨含量较高，里层石墨含量较低，不仅保证了在摩擦磨损初期，快速形成自润滑膜，而且使得摩擦表层的强度始终低于亚表层基体强度，有利于防止裂纹向下扩展，最终在保证自润滑性能的同时，提高了复合材料的耐磨性。此外，由于多孔石墨骨架的连续性，从而也间接保证了铜合金基体在复合材料中形成连续的三维网络结构，这有利于充分发挥铜基体的力学性能、导电导热性能。此外，采用高温浸渍钎料方式在石墨与铜合金之间形成一层过渡层，解决了石墨骨架与铜合金界面结合强度不足的问题。该方法工艺过程简单，成本低，易实现规模化生产。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步说明：图1为实施例中1、2的三维多孔石墨骨架结构示意图。图2为本专利技术的铜合金与具有正梯度结构特征的多孔石墨骨架复合示意图，1.黑色区域为石墨，2.空白区域在后续铸造过程中为铜合金所填充。图3为本专利技术的铜基-石墨正梯度复合材料制备基本过程。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步说明。实施例1：具体制备步骤如下：步骤1：取石墨粉末(200目，纯度为99.5％)和酚醛树脂粉末(600目)，经混合均匀放入选择性激光烧结成型机中，其中酚醛树脂粉末是作为粘接剂，且酚醛树脂粉占混合粉末总质量分数的30％。采取选择性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜基‑石墨正梯度复合材料，其特征在于，所述的铜基‑石墨正梯度复合材料由铜合金和具有正梯度结构特征的三维多孔石墨骨架复合而成。

【技术特征摘要】
1.一种铜基-石墨正梯度复合材料，其特征在于，所述的铜基-石墨正梯度复合材料由铜合
金和具有正梯度结构特征的三维多孔石墨骨架复合而成。
2.权利要求1所述的铜基-石墨正梯度复合材料，其特征在于，所述的铜合金由Cu、WC、
Sn组成，各金属组元的纯度均大于99.5％，其中WC占铜的质量分数为1.0-2.0％，Sn占铜的
质量分数为0.5-1.0％，余为Cu。
3.权利要求1所述的铜基-石墨正梯度复合材料，其特征在于，所述的具有正梯度结构特
征的三维多孔石墨骨架是指由表及里石墨含量呈线性降低，其线性变化范围为0.1～10％；由
表及里在复合材料任意截面上石墨分布相对均匀。
4.权利要求1所述的铜基-石墨正梯度复合材料，其特征在于，所述的多孔石墨骨架上包
覆有厚度为0.01-0.5mm过渡层组织，该过渡层为钎料NiCrPCu合金与C、Cu在高温下形成
的化合物。
5.权利要求1-4任一项所述的铜基-石墨正梯度复合材料的制备方法，其特征在于，
步骤一：采取选择性激光烧结成形技术烧结石墨与酚醛树脂的混合物，制备具有正梯度
结构特征的三维多孔石墨骨架坯体；
步骤二：...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海华，柳宁，董小阳，吴朝，叶喜葱，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42