原子堆积理论压力烧结制备SiC/石墨强化Cu-基合金复合材料的方法技术

本发明专利技术涉及原子堆积理论压力烧结制备SiC/石墨强化Cu

【技术实现步骤摘要】
原子堆积理论压力烧结制备SiC/石墨强化Cu
‑
基合金复合材料的方法


[0001]本专利技术涉及原子堆积理论压力烧结制备SiC/石墨(G)强化Cu
‑
基合金复合材在结构优化下对耐磨性能上的影响。

技术介绍

[0002]近年来中国高铁代表了中国科技的发展，成为世界的焦点。然而，高铁的极高的运行速度和稳定性，是评价其综合性能不可缺少的一部分。因此，高铁的制动系统是现在的高铁动车考量其发展水平的一个重要标准。现有高铁动车制动时的表面温度可达500
‑
600℃，其制动盘采用的多是铜基复合材料。目前，对于这类材料的制备方法很多，但由于制造过程还比较繁琐，达不到预期所需要求，且有着过高的成本。粉末冶金法成为了生产大型金属基复合材料的主要成型工艺。然而，粉末冶金成形时，多数材料都会出现各种孔洞缺陷，严重导致了其机械性能的降低。

技术实现思路

[0003]为弥补现有技术不足，本专利技术通过结构优化，利用原子堆积理论拟解决大多数粉末冶金成型时所产生的缺陷。
[0004]为实现上述目的，提供采用原子堆积理论压力烧结制备SiC/石墨强化Cu
‑
基合金复合材料的方法。
[0005]包括如下步骤：
[0006]S1.根据烧结方法、基体材料及强化相选择建模模型；烧结方法采用粉末冶金法；强化相为单相时，选择简单立方模型，强化相为两相时，选择面心立方模型；
[0007]S2.根据模型及公式计算理想状态下的充填体积，得到强化相与基体材料的尺寸比例关系；
[0008]S3.根据步骤S2获得的尺寸比例关系，制备粉末冶金法胚体、烧结得到复合产品。
[0009]进一步的，所述基体材料为Cu基材料，强化相为两相分别是SiC和石墨，选择面心立方模型。
[0010]所述步骤S1，本专利技术使用粉末冶金法，把每一个粉末颗粒看作一个原子。通过不同的原子堆积状态解析宏观上的粉末成型工艺。首先把常见金属晶体结构进行分析：在常见金属晶体模型上有简单立方，体心立方，面心立方与密排六方四种。体心立方模型在八面体间隙下不对称性导致充填颗粒在不同方向上尺寸变化，因此不能做粉末冶金法下建模参考。本专利技术选择强化颗粒为SiC和G两种，在堆积下需使用空隙填隙，因此排除简单立方模型；然而密排六方模型过于复杂，不做建模参考；本专利技术以高铁制动盘Cu
‑
基复合材料为例，因此选用面心立方模型。
[0011]进一步的，所述步骤S2具体为：
[0012]面心立方晶格的八面体间隙半径＝0.414r；(1)
[0013]面心立方晶格的四面体间隙半径＝0.225r；(2)
[0014]理想状态下，微观面心立方晶格模型中四面体与八面体间隙里的充填体积分别为：
[0015][0016][0017]上述公式中，r表示基材颗粒的半径，把每一个粉末颗粒看作一个球体进行计算，单位是μm微米；
[0018]面心立方晶胞下，基材颗粒体积充填率为74％，根据式(3)和(4)计算可知位于四面体间隙与八面体间隙的两种强化相的体积充填量，进而获得两种强化相的充填体积比，根据强化相与基材的比例为1/10和两种强化相的充填体积比，对面心立方晶胞剩余空间进行分配，获得强化相和基材的体积充填量。
[0019]进一步的，所述步骤S3具体为：根据步骤S2获得的基材、强化相的粉末尺寸，充填量，采用粉末冶金法制备胚体，将基材、强化相混合后，加入少许乙醇至凝固态倒入厚20mm，高5cm的圆柱模具中；在油压机下进行预压与终压成型，压制成高1cm的圆柱体胚体；取出圆柱体胚体后放入直径20mm，深2cm的模具内，在上端盖上活塞，放入压力烧结炉内进行烧结成型，烧结温度从0
‑
300℃后添加荷载7.5kg，升至800℃后保温1小时后可取出成品。
[0020]对于烧结工艺的选择：本专利技术采用粉末冶金工艺制备复合材料。在粉末冶金法时，通过原子堆积力量可极大地优化强化相与基体间的内部结构。使材料变得更加致密，提高强化相与基体间的界面结合力。本专利技术通过改变粉末的堆积结构，研究在摩擦速度不同的情况下，颗粒如何堆积会有摩擦系数怎样的变化。以微观的角度解析宏观的成型规律对复合材料摩擦磨损的影响。
[0021]对于建模模型的选择：通过粉末冶金成型在摩擦磨损时发生的解理开裂多为强化相尺寸过大导致的，而强化相尺寸过大的真正原因是其超过了建模后与基体材料间的尺寸比例。而通过粉末冶金成型在摩擦磨损时发生的强化相聚集多为尺寸过小造成的，而过大的真正原因是远低于了建模后与基体材料间的尺寸比例。因此，若想使用大颗粒或小颗粒的粉末用于强化，可根据原子堆积理论下的模型调节基体材料颗粒尺寸，获得最适宜的强化相和基体材料的尺寸比例。原子堆积理论适用于一切粉末冶金法下的成型，可根据添加颗粒种类的不同进行建模选择。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0023]本领域中，多数复合材料的强化相在摩擦时出现解理开裂是由于大颗粒无法有效地在基体中进行充填，通过本专利技术原子堆积理论建模可知，强化颗粒与基体颗粒间有一定的尺寸比例关系，该比例关系使用得当将会得到摩擦稳定的优良复合材料。本专利技术通过建模给出当强化相为两相时，使用面心立方间隙充填最为合适。通过建模，本专利技术获得了强化相与基体之间的尺寸最佳比，通过建模烧结成型后，复合材料表面致密化程度高，并没有出现传统烧结后的孔洞缺陷问题，提高了强化材料与基体合金之间的结合力。
[0024]经过本专利技术提供的方法及结构优化后解决了粉末冶金时原子扩散不充分所产生的缺陷问题。本专利技术制备的SiC/石墨强化Cu
‑
基合金复合材料在变速摩擦时具有优良的制
动效果。
附图说明
[0025]图1为强化相为两相时所选用的建模模型；
[0026]图2四面体和八面体两种间隙示意图模型；
[0027]图3为不同尺寸SiC添加后的微观组织；
[0028]图4转速200r/min下不同尺寸的SiC颗粒添加后摩擦系数；
[0029]图5转速400r/min下不同尺寸的SiC颗粒添加后摩擦系数；
[0030]图6转速800r/min下不同尺寸的SiC颗粒添加后摩擦系数。
具体实施方式
[0031]下面通过具体实施例详述本专利技术，但不限制本专利技术的保护范围。如无特殊说明，本专利技术所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
[0032]实施例1
[0033]本实施例中两相强化相选用面心立方晶体结构建模，进行间隙充填。
[0034]本专利技术拟对Cu基复合材料在摩擦时制动的需求，因此，摩擦时其制动性起主要作用，可以选用大尺寸强化相G颗粒充填八面体间隙，紧密咬合后，为提高耐磨性选用小尺寸强化相SiC充填四面体间隙，其模型示意图如图2所示。若有其他制动需求，强化相可反过来进行充填。即，将G作为小颗粒充填四面体间隙，SiC作为大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.原子堆积理论压力烧结制备SiC/石墨强化Cu
‑
基合金复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.根据烧结方法、基体材料及强化相选择建模模型；烧结方法采用粉末冶金法；强化相为单相时，选择简单立方模型，强化相为两相时，选择面心立方模型；S2.根据模型及公式计算理想状态下的充填体积，得到强化相与基体材料的尺寸比例关系；S3.根据步骤S2获得的尺寸比例关系，制备粉末冶金法胚体、烧结得到复合产品。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基体材料为Cu基材料，强化相为两相分别是SiC和石墨，选择面心立方模型。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2：面心立方晶格的八面体间隙半径＝0.414r；
ꢀꢀ
(1)面心立方晶格的四面体间隙半径＝0.225r；
ꢀꢀ
(2)理想状态下，微观面心立方晶格模型中四面体与八面体间隙里的充填体积分别为：理想状态下，微观面心立方晶格模型中四面体与八面体间隙里的充填体积分别为：上述公式中，r表示基材颗粒的半径，把每一个粉末颗粒看作一个球体进行计算，单位是μm微米；面心立方晶胞下，基材颗粒体积充填率为74％，根据式(3)和(4)计算可知位于四面体间隙与八面体间隙的两种强化相的体积充填量，进而获得两种强化相的充填体积比，根据强化相与基材的比例为1/10和两种强化相的充填体积比，对面心立方晶胞剩余空...

【专利技术属性】
技术研发人员：王通，董桂馥，阎小军，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：