一种高导弥散铜基高温自润滑复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高导弥散铜基高温自润滑复合材料，包括无氧铜粉末和以下质量分数配比的各组分：氧化铝弥散铜粉末30％～50％、二硫化钼粉末0～2％和石墨6％～8％，当摩擦面温度升高时，摩擦系数不会明显下降，冷却后再使用的恢复能力强，在各温度范围内摩擦系数皆稳定在0.130～0.140之间，具有稳定的摩擦特性，具有低膨胀系数、高导电导热率、高强度和韧性等特性，抗衰退性能强，是一种不仅能同时兼顾高温润滑、耐磨损和导电性能，而且材料在高速滑动的工况下能够保证低摩擦系数和低磨损量的自润滑复合材料，适用于航空、航天、高速铁路、雷达通讯等领域，尤其适用于高速铁路受电弓滑板、雷达电刷、高速打印元件等领域。

A high diffused copper based high temperature self lubricating composite and its preparation method

The invention discloses a high conductivity copper diffusion based high temperature self-lubricating composite material, copper powder and the following groups including the mass fraction ratio of alumina dispersion: copper powder 30% ~ 50%, 0 ~ 2% graphite and MoS2 powder from 6% to 8%, when the friction surface temperature increases, the friction coefficient will decrease, cooling after using the recovery ability, in the temperature range of the friction coefficient is stable at 0.130 ~ 0.140, with stable friction characteristics, has low expansion coefficient, high thermal conductivity rate, high strength and toughness properties, anti fading performance, is a kind of not only taking into account the high temperature lubrication and wear resistance the material and electrical properties, and can ensure the low friction coefficient and low wear rate of the self lubricating composites under high speed sliding conditions, suitable for aerospace, high-speed railway, radar Communication and other fields, especially for high speed railway pantograph slide board, radar brush, high-speed printing element and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种高导弥散铜基高温自润滑复合材料及其制备方法
本专利技术属于粉末冶金材料技术，尤其涉及一种高导弥散铜基高温自润滑复合材料及其制备方法，适用于航空、航天、高速铁路、雷达通讯等领域。
技术介绍
随着航空、航天、高速铁路、雷达通讯等领域的进步和发展，高速、大电流受电摩擦材料得到了广泛应用，如高速列车的受电弓滑板、架空导线芯、各种导电触头，雷达汇流环中的电刷和导电环，航天器的陀螺仪、太阳能阵列、航天发动机的密封圈等。由于高温的工况及高速滑动过程中引起的摩擦热往往超过300℃，这就对该类摩擦材料的高温润滑、导电性、基体强韧性提出了较高的要求。氧化铝弥散强化铜合金是一类有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料。在软韧的铜基体中直接加入或者通过一定工艺原位生成弥散分布的第二相，利用形变强化和第二相的弥散强化来提高材料的强度、耐磨性，既改善复合材料的室温和高温性能，又不明显降低材料的导电性，达到强度、耐磨性能、导电性协调统一，综合提高的效果。田保红等人提出了一种氧化铝粒子弥散强化铜复合材料及其制备方法(参见CN201210006177.3号中国专利申请公开文献)，采用内氧化烧结、热挤压和冷拉拔变形制备出拉伸强度大于500MPa，导电率80％～90％IACS的铜基复合材料。但是该方法工艺复杂，摩擦性能达不到要求。石墨是碳的一种同素异构形态，具有六方晶系的层状晶体结构，层内原子间距小，结合力强，而相互平行的层与层之间原子结合力弱，易剪切，摩擦系数小，具有作为固体润滑剂的最佳性质。同时，石墨由于其化学稳定性好、不溶于药品和溶剂，耐腐蚀、耐高温、又是热和电的良导体、无毒价廉，因而是目前使用最广的固体润滑剂之一。石墨作为固体润滑剂可以在铜基体的摩擦表面形成一层持续/自生的润滑膜，改善材料摩擦磨损性能。然而铜与石墨润湿角大于140°，且即使在1200℃的高温也不发生化学反应。铜/石墨自润滑材料界面缺陷明显，强度低，韧性差，特别是高温环境下(300℃)，其基体强度明显下降，耐磨性降低。铜石墨复合材料性能的不理想及可靠性差的缺点严重阻碍了其实用化进程。章德铭等人提出了一种自润滑复合材料制备方法(参见CN201410645220.X号中国专利申请公开文献)，采用氧化铝弥散强化铜粉和铜包石墨粉制备出高温强度高，摩擦系数达到0.13的自润滑复合材料。然而高比例的氧化铝弥散铜严重影响了复合材料导电性能，不适用于高速载流的工况条件。MoS2具有层状六方形结构，是一种极好的固体润滑剂，单独使用时摩擦系数更是达到0.04。二硫化钼的摩擦系数往往随着载荷的增加而降低，在大载荷的工况下比其他润滑剂表现出更优越的性能。陈贤海等人提出了摩擦材料以及采用该摩擦材料的飞机刹车片制造工艺(参见CN102604596A号中国专利申请公开文献)，采用氮化硼(hBN)、二硫化钼和石墨做润滑组元，摩擦系数保持在0.40(室温至600℃)，然而由于氮化硼对基体组织的割裂作用，所以力学性能不高，硬度只在45～65HB之间。由以上研究可以看出，常规的铜基复合材料难以同时兼顾高温润滑、耐磨损、导电性能，这极大的限制了一些摩擦组件在高温、高速、载流工况下的应用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种不仅能同时兼顾高温润滑、耐磨损和导电性能，而且材料在高速滑动的工况下能够保证低摩擦系数和低磨损量的高导弥散铜基高温自润滑复合材料。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为提供一种高导弥散铜基高温自润滑复合材料，包括无氧铜粉末和以下质量分数配比的各组分：氧化铝弥散铜粉末30％～50％、二硫化钼粉末0～2％和石墨6％～8％。更优选的，在保持一定的强度和韧性，又不过度降低导电率的情况下，该复合材料的最优配比为50％的氧化铝弥散铜粉末(Al2O3的质量分数为0.25％)、2％二硫化钼粉末、6％石墨和余量的无氧铜粉末。上述各组元的质量分数范围是在大量试验基础上确定的，实验证明在这一成分范围内的配料，能使制备过程平稳顺利进行，且使材料性能最佳。原料包括无氧铜粉末、氧化铝弥散铜粉末、二硫化钼粉末和石墨，加入了少量的MoS2，一方面，MoS2可以与铜基体发生反应生成铜的硫化物和铜钼硫化物，铜的硫化物和铜有良好的化学亲和性，可以增加润滑组元与铜基体的机械啮合作用，大大改善铜基体的界面性能，使润滑组元更好的附着于铜基体，结合强度更高，不易脱落；另一方面，MoS2覆盖在摩擦面表面，不仅可有效防止其他组元被氧化，而且生成的MoO3可增强石墨的附着力，使润滑组元不易脱落，可以有效改善材料在高温下的磨损性能。同时MoS2存在极大的提高材料在大气环境下的耐腐蚀性能。另外，MoS2与石墨混合无论是粉体还是在固体膜或复合材料中均显示出协同效应，即材料的摩擦磨损和耐温性能都优于MoS2和石墨单独存在时，通过同时加入石墨和MoS2使润滑组元更好地附着于铜基体，改善自润滑复合材料在高温下的润滑性能和耐磨损性能；当摩擦面的温度升高时，摩擦系数不会明显下降，冷却后再使用的恢复能力强，在各温度范围内摩擦系数皆稳定在0.130～0.140之间，具有稳定的摩擦特性，而且具有低膨胀系数、高导电导热率、高强度和韧性等特性，抗衰退性能强，是一种不仅能同时兼顾高温润滑、耐磨损和导电性能，而且材料在高速滑动的工况下能够保证低摩擦系数和低磨损量的自润滑复合材料，尤其适用于高速铁路受电弓滑板、雷达电刷、高速打印元件等领域。优选的，所述氧化铝弥散铜粉末中所含Al2O3的质量分数为0.18％～0.37％。优选的，所述Al2O3为立方结构的γ-Al2O3，所述Al2O3的晶粒尺寸为10nm～30nm。含有弥散分布的10nm～30nm的γ-Al2O3，起弥散强化作用，可以提高复合材料的高温强度，还可以促进铜基体构成强度高且致密的骨架结构，增加石墨的附着力，起到降低磨损的作用，Al2O3颗粒对强度的贡献主要表现在以下几个方面：①阻碍位错运动，在复合材料中存在位错无法切断的坚硬弥散相Al2O3颗粒，位错只能以奥罗万机制绕过，在外力作用下，形成位错环，增加位错影响区的晶格畸变能，使位错运动的阻力增加，提高材料强度；②抑制晶粒长大，Al2O3颗粒的存在对晶界和亚晶界的运动产生Zener阻力，同时由于Al2O3颗粒的热稳定性，高温下，Zener阻力仍存在，这有助于材料在高温下仍能保持较高强度。优选的，所述二硫化钼粉末的粒度控制为-300～-400目，所述石墨的粒度控制为-100～-150目，所述氧化铝弥散铜粉末和无氧铜粉末的粒度控制在-150～-200目。同时含有较细的弥散铜晶粒与较粗的纯铜晶粒，形成了粗细晶交织的特殊非均匀结构，由于这种非均匀结构中较粗的纯铜晶粒并非特别粗大，且均匀分布，在外力作用下通过铜-石墨界面的裂纹会在占有相当数量的粗晶处受到阻碍，故此种非均匀结构使复合材料同时具有细晶粒的高硬度、高耐磨性和粗晶粒的高韧性。优选的，所述高导弥散铜基高温自润滑复合材料的硬度为75～90HV，平均冲击韧度为3.50～6.50J/cm2，电阻率不大于0.09uΩ·m。优选的，所述高导弥散铜基高温自润滑复合材料在300℃高温下极限压缩强度不低于100MPa，在37m/s的高转速时，摩擦系数为0.130～0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高导弥散铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，包括无氧铜粉末和以下质量分数配比的各组分：氧化铝弥散铜粉末30％～50％、二硫化钼粉末0～2％和石墨6％～8％。

【技术特征摘要】
1.一种高导弥散铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，包括无氧铜粉末和以下质量分数配比的各组分：氧化铝弥散铜粉末30％～50％、二硫化钼粉末0～2％和石墨6％～8％。2.根据权利要求1所述的高导弥散铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，所述氧化铝弥散铜粉末中所含Al2O3的质量分数为0.18％～0.37％。3.根据权利要求2所述的高导弥散铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，所述Al2O3为立方结构的γ-Al2O3，所述Al2O3的晶粒尺寸为10nm～30nm。4.根据权利要求1所述的高导弥散铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，所述二硫化钼粉末的粒度控制为-300～-400目，所述石墨的粒度控制为-100～-150目，所述氧化铝弥散铜粉末和无氧铜粉末的粒度控制在-150～-200目。5.根据权利要求1-4中任一项所述的高导弥散铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，所述高导弥散铜基高温自润滑复合材料的硬度为75～90HV，平均冲击韧度为3.50～6.50J/cm2，电阻率不大于0.09uΩ·m。6.根据权利要求1-4中任一项所述的高导弥散铜基高温自润滑复合材料，其特征在于，所述高导弥散铜基高温自润滑复合材料在300℃高温下极限压缩强度...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘咏，吕信群，谭彦妮，甘子旸，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43