復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種Cu/AlMgB14復合材料及其制備方法，材料的特點是同時具有高強度和低磨損特性，以及可調節(jié)的摩擦系數，屬于潤滑耐磨損材料領域。
技術背景
[0002]銅合金由于其優(yōu)異的物理化學性能(高導熱、導電、耐腐蝕)以及成本低廉、加工性能優(yōu)良等特點，在航空航天、高速列車、船舶以及先進武器裝備系統(tǒng)等高端裝備制造領域有著不可替代的作用，被廣泛應用于微電子元件、剎車片、滑動軸承等運動部件的制作。但是，銅合金強度低、摩擦系數高、耐磨性差，極大的影響了其應用安全和使用壽命，特別是在上述高技術領域，使役工況極端苛刻(高速、高載等多種條件交織)，迫切需要材料具有優(yōu)異的耐磨、減摩和高強特性，這將直接關系到整個裝備和機械系統(tǒng)的安全性和可靠性運行。目前，采用復合化設計手段制備的硬質相顆粒增強銅基復合材料，能夠兼具銅合金優(yōu)異物理化學性能和顆粒增強相高強高硬度特性，有效克服銅基體強度低和耐磨性差的缺陷。中國專利CN 102828060 A公開了一種氮化鈦陶瓷增強銅基復合材料，該材料具有密度低、比強度和比剛度高、耐磨性好、良好的導熱導電性能等優(yōu)點。Tjong等(Materials Letters 43(2000) 274-280)研宄表明20 Vol.%SiC能夠顯著提升銅合金的抗磨粒磨損性能。然而，硬質增強相對銅合金減摩效應作用甚微，一般還需要再加入一定含量的固體潤滑相來獲得自潤滑性能，但這往往又會導致銅基復合材料組分偏多、制備工藝復雜等問題。中國專利CN 104404404 A公開了一種銅基復合材料，由重量份數2份短纖維(碳納米管和SiC晶須)，15份增強體顆粒(A1203、S12,1102和SiC按照質量比2:1:1:1混合物)，100份銅粉組成，需在氬氣氛圍下二次復壓，該復合材料摩擦系數在0.05~0.1之間，布氏硬度HB110。中國專利CN 104328368 A公開了一種自潤滑耐磨銅基復合材料，在銅基體中添加體積分數1~30 %的Si3N4晶須作為增強相，0.5-15 %的固體潤滑劑(石墨粉、氮化硼或碳粉)，磨損率在1.0-4.0XlO-5 mmVm范圍，摩擦系數0.4。
[0003]因此，在銅基體中加入一種兼顧高硬高強和自潤滑性能的陶瓷顆粒增強相，將有效解決目前銅基復合材料存在的力學性能與摩擦性能矛盾的問題。最近，一種超硬陶瓷AlMgB14材料(硬度32~35 GPa)被發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異的自潤滑性能、且密度低(2.66 g/cm3)、導熱和導電性能(1.2-7.2X 10_4 Ω cm)良好，是一種具有潛在應用價值的銅基復合材料增強相。美國專利US 2005/0100748 Al公開了一種脈沖激光沉積々11%814超硬超潤滑薄膜，薄膜硬度為45~51 GPa,摩擦系數低至0.04。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種具有高強度、低磨損且摩擦系數可調的&1/^11%814復合材料及其制備方法。
[0005]一種Cu/AlMgB14復合材料，其特征在于該材料由質量百分數為5~30 %的AlMgB 14和質量百分數為70~95 %的銅組成。
[0006]上述&1/^11%814復合材料的制備方法為:將AlMgB 14粉和銅粉在球磨機中以200-300 r/min的速度混合4~6小時后將其放入石墨模具中，然后置于真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，當溫度達到900~1200°C時，施加壓力10~30 MPa,保溫保壓30~60分鐘，停止加熱、冷卻。
[0007]所述熱壓燒結的條件:真空度小于1.0X KT1 Pa，升溫速率10~15°C /min。
[0008]對上述復合材料進行性能表征:采用排水法進行密度測試；采用三點彎曲試驗測定材料抗彎強度，試樣尺寸30X3X3 mm，跨距20 mm，壓頭下移速度0.1 mm/min ;采用HT-1000高溫摩擦磨損試驗機表征材料摩擦學性能，載荷10 N，滑動速率0.188 m/s，對偶為直徑6.35 mm的Si3N4球。彎曲強度、摩擦系數結果均取3次試驗平均值。
[0009]本發(fā)明的特點之一是:采用新型輕質超滑超硬AlMgB14材料作為增強相來解決銅基材料強度低、易磨損和摩擦系數高的問題。
[0010]本發(fā)明的特點之二是:材料具有低的磨損率(在10_5 mm3/Nm量級)和可調節(jié)的摩擦系數。
[0011]本發(fā)明的特點之三是:材料具有低密度和高強度，材料密度在4.9-7.8 g/cm3，室溫彎曲強度高達600 MPa0
[0012]材料適合制作軸承、軸襯、滑塊、剎車片等摩擦運動部件，在航空航天、高速列車以及船舶等領域具有廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0013]圖1為不同組分和制備工藝的復合材料彎曲強度-撓度曲線。
[0014]圖2為不同組分和制備工藝的復合材料摩擦系數-滑動時間曲線。
[0015]注:CA-5、CA-10和CA-20分別表示含質量百分數為5 %、10 %和20 °從11\%814的Cu/AlMgB14復合材料ο
【具體實施方式】
[0016]實施例1:
按照質量百分比為:AlMgB14 5 %、銅95 %，分別稱取物料，在球磨機中200 r/min的速度下干混4小時，將球磨混合后的物料放入石墨模具，然后置于真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，燒結參數為:真空度0.85 X KT1 Pa，升溫速率15 °C/min，燒結溫度950 °C，施加壓力30 MPa，保溫保壓30分鐘。燒結結束后，材料隨爐冷卻至室溫取出。
[0017]本實施方式所得復合材料密度為7.75 g/cm3 (純銅為8.65 g/cm3)，彎曲強度537MPa，摩擦系數1.0o
[0018]實施例2:
按照質量百分比為:AlMgB14 10 %、銅90 %，分別稱取物料，在球磨機中250 r/min的速度下干混5小時，將球磨混合后的物料放入石墨模具，然后置于真空熱壓燒結爐中加熱進行熱壓燒結，燒結參數為:真空度0.65X10—1 Pa，升溫速率10 V /min，燒結溫度1000 V’施加壓力30 MPa，保溫保壓30分鐘。燒結結束后，材料隨爐冷卻至室溫取出。
[0019]本實施方式所得的復合材料密度6.15 g/cm3，彎曲強度525 MPa，摩擦系數0.6。
[0020]實施例3: 按照質量百分比為:AlMgB14 15 %、銅85 %，分別稱取物料，在球磨機中300 r/min的速度下干混6小時，將球磨混合后的物料放入石墨模具，然后置于真空熱壓燒結爐中加熱進行熱壓燒結，燒結參數為:真空度0.75X KT1 Pa，升溫速率15 V /min，燒結溫度1100 V，施加壓力30 MPa，保溫保壓30分鐘。燒結結束后，材料隨爐冷卻至室溫取出。
[0021]本實施方式所得的復合材料密度5.35 g/cm3，材料兼具高強度(彎曲強度550MPa)、耐磨和低摩擦特性(摩擦系數0.32)。
[0022]實施例4
按照質量百分比為！AlMgB14 20 %、銅80 %，分別稱取物料，在球磨機中300 r/min的速度下干混6小時，將球磨混合后的物料放入石墨模具，然后置于真空熱壓燒結爐中加熱進行熱壓燒結，燒結參數為:真空度0.90X KT1 Pa，升溫速率12 V /min，燒結溫度1150 V，施加壓力25 MPa，保溫保壓40分鐘。燒結結束后，材料隨爐冷卻至室溫取出。
[0023]本實施方式所得的復合材料密度5.02 g/cm3，材料兼具高強度(彎曲強度600MPa)、耐磨和低摩擦特性(摩擦系數0.40)。
【主權項】
1.一種Cu/AlMgB 14復合材料，其特征在于該材料由質量百分數為5~30 %的AlMgB 14和質量百分數為70~95 %的銅組成。
2.如權利要求1所述復合材料的制備方法，其特征在于將AlMgB14粉和銅粉在球磨機中以200~300 r/min的速度混合4~6小時后將其放入石墨模具中，然后置于真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，當溫度達到900~1200 °0時，施加壓力10~30 MPa，保溫保壓30~60分鐘，停止加熱、冷卻。
3.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述熱壓燒結的條件:真空度小于Ι.ΟΧΚΓ1 Pa，升溫速率 10~15 °C/min。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Cu/AlMgB14復合材料，該材料由質量百分數為5~30 %的AlMgB14和質量百分數為70~95 %的銅組成。本發(fā)明所述的Cu/AlMgB14復合材料具有高強度、耐磨損以及摩擦系數可調控等特性，可用于制作軸承、軸襯、滑塊、剎車片等摩擦運動部件。本發(fā)明還公開了該復合材料的制備方法，制備工藝簡單，所需設備簡單，生產周期短。
【IPC分類】C22C1-10, C22C29-14, C22C1-05
【公開號】CN104831149
【申請?zhí)枴緾N201510265444
【發(fā)明人】楊軍, 程軍, 劉維民, 朱圣宇, 喬竹輝
【申請人】中國科學院蘭州化學物理研究所
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月23日