專利名稱：一種高導(dǎo)電高耐磨的銅鉬合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅基復(fù)合材料，具體地說是一種具有高導(dǎo)電性、高耐磨性的銅鉬合金材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，高速、大電流受電摩擦材料得到了廣泛應(yīng)用，如在軌道交通領(lǐng)域、輸變電系統(tǒng)的各種開關(guān)、通訊系統(tǒng)的各種導(dǎo)電觸頭、工業(yè)控制器中的各種接觸器、插拔導(dǎo)電部件等。這類摩擦一導(dǎo)電摩擦材料有如下特性摩擦接觸與導(dǎo)電接觸共存，使用壽命、可靠性與導(dǎo)電性能要求并重，要求材料同時具備摩擦一導(dǎo)電一體化功能。在載流摩擦副中伴隨有摩擦磨損和導(dǎo)電接觸不良等問題。材料的摩擦?xí)斐赡芰康膿p失、摩擦發(fā)熱等問題，使材料性能惡化，相關(guān)產(chǎn)品壽命降低。而磨損可造成材料損失、 使用壽命降低、接觸可靠性降低，高壽命、無拷貝服役條件下材料使用壽命難以滿足基本要求。導(dǎo)電接觸不良可造成導(dǎo)電效率下降和可靠性降低等問題。導(dǎo)電接觸不良可使導(dǎo)軌/滑塊的離線率增高，如國外高速鐵路離線率小于5%，而我國由于導(dǎo)線/滑板的設(shè)計及線路管理等問題，目前離線率高達(dá)15%，受流質(zhì)量低，制約電力機(jī)車有效功率的發(fā)揮。起弧是載流摩擦磨損的另一主要特點(diǎn)之一。電弧與摩擦磨損特性之間存在著強(qiáng)烈的相關(guān)性電弧損傷導(dǎo)致接觸表面破壞，造成表面完整性與均勻性的大幅度降低；而不完整的表面接觸又將導(dǎo)致電接觸性能的明顯惡化，使接觸電阻增加，起弧傾向增大，這又反過來降低了表面材料的性能，促進(jìn)了摩擦磨損性能的進(jìn)一步惡化。因此，提高摩擦/載流材料的性能必須持續(xù)改善表面接觸狀態(tài)。金屬基體中加入固體潤滑劑可以改善摩擦/載流材料的摩擦磨損性能。銅具有高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及優(yōu)良的加工性能，但是純銅的熔點(diǎn)、室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度較低，難以滿足苛刻工況條件要求。傳統(tǒng)的提高銅合金強(qiáng)度的方法是合金化法， 如Cu-Be合金QBe2時效后48%冷變形可以獲得1350MPa的抗拉強(qiáng)度，但是電導(dǎo)率僅為 19.5%IACS。現(xiàn)有的銅合金難以兼顧高導(dǎo)電率和高強(qiáng)度，而復(fù)合強(qiáng)化不僅不會明顯降低銅基體的導(dǎo)電性，同時還可改善基體的室溫及高溫性能，成為獲得高強(qiáng)度、高導(dǎo)電銅基復(fù)合材料的主要強(qiáng)化手段。主要方法有
(1) Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金
在銅基體中直接加入或通過一定的工藝原位生成彌散分布的第二相顆粒，綜合利用形變強(qiáng)化和第二相顆粒的彌散強(qiáng)化，獲得高的材料強(qiáng)度，同時盡量降低銅基體中的固溶態(tài)的溶質(zhì)原子和雜質(zhì)原子含量，使其具有和純銅接近的導(dǎo)電性的一類新型銅基復(fù)合材料。這其中，Al2O3增強(qiáng)顆粒不僅不會明顯降低基體的導(dǎo)電性，而且由于其強(qiáng)化基體的室溫和高溫性能顯著，而被得到重點(diǎn)使用。但是隨著Al203顆粒加入量的提高，材料在耐磨性提高的同時， 導(dǎo)電率大幅度下降。(2)石墨/銅自潤滑材料以銅基粉末冶金材料為基礎(chǔ)，加入易于發(fā)生剪切的石墨材料，在摩擦表面形成一層持續(xù)/自生潤滑膜，改善接觸行為，顯著提高載流與摩擦磨損性能。研究表明石墨銅材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性、載流效率和載流穩(wěn)定性均顯著高于普通銅基材料。然而，銅與石墨互不相溶，即使在1280°C時也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加上銅與石墨比重相差較大等，導(dǎo)致材料成型時混料不均。銅與石墨結(jié)合是一種假合金，材料界面缺陷多，嚴(yán)重制約了其強(qiáng)度和潤滑性能的提高。另外，銅/石墨自潤滑材料抗彎強(qiáng)度低，韌性差，特別是當(dāng)溫度大于等于300°C后，其基體強(qiáng)度明顯下降，耐磨性降低。(3 ) MoS2/銅基自潤滑材料
在氫氣保護(hù)下的燒結(jié)過程中，銅基復(fù)合材料中的潤滑組元MO&與基體銅發(fā)生反應(yīng)，生成銅鉬硫化物、Cu的硫化物和金屬M(fèi)o ；且隨MO&含量增加，燒結(jié)產(chǎn)物有規(guī)律地發(fā)生變化。由于CU-MO&復(fù)合材料中含有二硫化鉬，能充分提供和補(bǔ)充固體潤滑劑，使?jié)櫥さ男迯?fù)與破損過程達(dá)到動態(tài)平衡；加上Cu的硫化物與基體材料具有良好的化學(xué)親和性，由其形成的固體潤滑膜與基體顆粒易于黏合在一起，增加了固體潤滑膜與基體的機(jī)械嚙合作用，使固體潤滑膜與基體附著性更好，結(jié)合強(qiáng)度更高，不易破損脫落。(4)鉬-銅合金
鉬金屬及其合金具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，它具有熔點(diǎn)高、高溫強(qiáng)度高、低膨脹系數(shù)、低比熱、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能、優(yōu)良的抗腐蝕性能及高溫耐磨性能、極好的抗熱震性能及耐熱疲勞性能。鉬是金屬中除金、銀、銅等金屬外，電導(dǎo)和熱導(dǎo)性比最好的元素之一， 因而在電子工業(yè)、國防工業(yè)、宇航工業(yè)、核工業(yè)等高新技術(shù)領(lǐng)域成為非常有應(yīng)用前景的先進(jìn)材料，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)中一種重要的原料和不可替代的戰(zhàn)略物資，具有廣闊的發(fā)展前景。利用銅和鉬各自的優(yōu)良性能，傳統(tǒng)的M0-Cu合金作為電子行業(yè)的真空接觸頭、導(dǎo)電散熱元件、固體動密封、滑動摩擦的加強(qiáng)肋、高溫爐的水冷電極頭，以及電加工電極等得到了廣泛應(yīng)用。這些合金主要包括Mo-30Cu和Mo-50Cu等鉬基合金。由于低膨脹系數(shù)的 Mo和高熱導(dǎo)率的Cu通過粉末冶金方法制得的Mo-Cu合金是一種假合金，且合金中以鉬元素為主，銅含量低，因此合金的導(dǎo)電性較純銅下降很多。由上述研究可以看出，目前研究的銅基合金和鉬合金無法達(dá)到如下性能指標(biāo)合金材料的抗拉強(qiáng)度> 400MPa，硬度> 90HB，在高速滑動和大電流的條件下(速度大于300m/ s、電流大于IkA)材料摩擦系數(shù)< 0. 2，電導(dǎo)率彡70%IACS。各種銅基和鉬基材料中具有如此優(yōu)良高導(dǎo)電、高耐磨性能的材料尚未見報道。因此開發(fā)一種具有高導(dǎo)電性、高耐磨性能的銅鉬合金顯得十分必要和迫切。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高導(dǎo)電性、高溫耐磨性能的銅鉬合金，合金中彌散分布著摩擦組元、潤滑組元和高溫組元，在保證高導(dǎo)性的同時，組元起到減磨、抗磨作用。本發(fā)明實現(xiàn)上述目的采取的技術(shù)方案是一種高導(dǎo)電高耐磨的銅鉬合金材料，由基體合金Cu、摩擦組元=Al2O3、潤滑組元、高溫組元Mo和銅組成，各物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是Al2O3 0. 1 - 0. 5%, MoS2 0. 1 - 0. 5%, Mo 1一5%，其余為銅。制備的合金中 Al2O3、 MoS2和Mo均勻分布于銅基體。高導(dǎo)電高耐磨銅鉬合金以內(nèi)氧化還原制得的含Al2O3的Cu粉、MoS2和Mo粉還原料，經(jīng)高能球磨機(jī)械合金化、預(yù)壓型、冷等靜壓、真空還原燒結(jié)工藝制備而成。具體制備方法如下
一、將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1 — 0. 5%的Al2O3、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 1 — 0. 5%的Mc^2、
質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 — 5%的Mo和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94 — 98. 8%的銅的粉末，按比例配好后，裝入高能球磨機(jī)的不銹鋼研磨罐中，混合研磨5 - 25h，真空操作，真空度不小于10_2Pa，干燥氬氣保護(hù)，制得混合粉體料；
二、將混合粉體料，送入壓力機(jī)，預(yù)壓成坯料，保壓時間8- 15min ；
三、將預(yù)壓后的坯料，送入冷等靜壓機(jī)中，進(jìn)行壓制，壓力180- 220MPa，保壓8 — 20min ；
四、將步驟三靜壓后的坯料，送入真空燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度950- 1050°C，燒結(jié)時間1 一 2h，氫氣保護(hù)，升溫速度10°C /min，出爐，制得產(chǎn)品。本發(fā)明的有益效果是
1、本發(fā)明中，上述各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍是在大量試驗基礎(chǔ)上確定的，實驗證明在這一成分范圍內(nèi)的配料，能使反應(yīng)平穩(wěn)順利進(jìn)行，且使材料性能最佳。2、采用本發(fā)明制備的高導(dǎo)電高耐磨銅鉬合金，其組分可為=Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0. 1 - 0. 5%，MoS2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 1 — 0. 5%，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 一 5%，其余為Cu。3、制備的高導(dǎo)電高耐磨銅鉬合金材料性能優(yōu)良抗拉強(qiáng)度> 400MPa，硬度 ^ 90HB，在高速滑動和大電流的條件下(速度大于300m/s、電流大于IkA)材料摩擦系數(shù) < 0. 2，電導(dǎo)率> 70%IACS。制備生產(chǎn)過程簡單、易于控制，增強(qiáng)顆粒大小、分布均勻。4、本發(fā)明制備的高導(dǎo)電高耐磨銅鉬合金材料中，Al2O3相起到了抗磨作用，MO&相起到了減磨作用，Mo相細(xì)小、均勻彌散分布于Cu基體中，既沒有形成對導(dǎo)電性有較大負(fù)面影響的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，又能充分發(fā)揮Mo相的彌散增強(qiáng)作用，制備的合金具有優(yōu)異的物理與力學(xué)綜合性能，因此本發(fā)明具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
具體實施例方式一種高導(dǎo)電性高耐磨性的銅鉬合金材料由基體合金Cu、摩擦組元=Al2O3、潤滑組元Mo&和高溫組元Mo組成。制備的合金中，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 1 — 0. 5%，MoS2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 1 — 0. 5%，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 一 5%，其余為銅。制備的合金中Al2O3、MoS2和 Mo均勻分布于銅基體。高導(dǎo)電高耐磨銅鉬合金以內(nèi)氧化還原制得的含Al2O3的Cu粉、MoS2和Mo粉還原料，經(jīng)高能球磨機(jī)械合金化、預(yù)壓型、冷等靜壓、真空還原燒結(jié)工藝制備而成。具體制備方法如下
一、將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1 — 0. 5%的Al2O3、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 1 — 0. 5%的Mc^2、
質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 — 5%的Mo和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94 — 98. 8%的銅的粉末，按比例配好后，裝入高能球磨機(jī)的不銹鋼研磨罐中，混合研磨5 - 25h，真空操作，真空度不小于10_2Pa，干燥氬氣保護(hù)，制得混合粉體料；
二、將混合粉體料，送入壓力機(jī)，預(yù)壓成坯料，保壓時間8- 15min ；
三、將預(yù)壓后的坯料，送入冷等靜壓機(jī)中，進(jìn)行壓制，壓力180- 220MPa，保壓8 — 20min ；四、將步驟三靜壓后的坯料，送入真空燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度950 - 1050°C，燒結(jié)時間1 一 2h，氫氣保護(hù)，升溫速度10°C /min，出爐，制得產(chǎn)品。實施例1
一種高導(dǎo)電性高耐磨性的銅鉬合金材料及其制備方法采用的原料為含A12O3的Cu 粉，MoS2粉，純鉬粉；各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)具體配比如下 Al2O3 0. 1% MoS2 0. 1% Mo 1%
其余為Cu，雜質(zhì)含量< 0. 1%。將上述按比例配合好的粉末裝入高能球磨機(jī)的不銹鋼研磨罐中，混合運(yùn)行15h，粉末混合研磨過程中，真空操作，真空度10_2Pa，充入干燥的Ar氣進(jìn)行保護(hù)，轉(zhuǎn)速1400r/min ；
高能球磨后的混合粉體在IOOT壓力機(jī)下預(yù)壓型，保壓IOmin ； 預(yù)壓型后的坯料在冷等靜壓機(jī)上進(jìn)行壓制，壓力180MPa，保壓IOmin ； 在真空燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度950°C，燒結(jié)時間1.5h，真空度10_2Pa，氫氣保護(hù)，升溫速度IO0C /min,出爐，制得產(chǎn)品。實施例2
本實施例制備的是高導(dǎo)電高耐磨銅鉬合金材料，采用的原料為含Al2O3的Cu粉，MoS2 粉，純鉬粉；各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)具體配比如下 Al2O3 0. 2% MoS2 0. 2% Mo 2%
其余為Cu，雜質(zhì)含量< 0. 1%。將上述按比例配合好的粉末裝入高能球磨機(jī)的不銹鋼研磨罐中，混合運(yùn)行20h，粉末混合研磨過程中，真空操作，真空度10_3Pa，充入干燥的Ar氣進(jìn)行保護(hù)，轉(zhuǎn)速1500r/min ；
高能球磨后的混合粉體在100T壓力機(jī)下預(yù)壓型，保壓IOmin ； 預(yù)壓型后的坯料在冷等靜壓機(jī)上進(jìn)行壓制，壓力200MPa，保壓IOmin ； 在真空燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度1000°C，燒結(jié)時間池，真空度10_3Pa，氫氣保護(hù)，升溫速度IO0C /min，出爐制得產(chǎn)品。實施例3
本實施例制備的是高導(dǎo)電高耐磨銅鉬合金材料，采用的原料為含Al2O3的Cu粉，MoS2 粉，純鉬粉；各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)具體配比如下 Al2O3 0. 3% MoS2 0. 3% Mo 3%
其余為Cu，雜質(zhì)含量< 0. 1%。將上述按比例配合好的粉末裝入高能球磨機(jī)不銹鋼研磨罐中，混合運(yùn)行22h，粉末混合研磨過程中，真空操作，真空度10_3Pa，充入干燥的Ar氣進(jìn)行保護(hù)，轉(zhuǎn)速1600r/min ；
高能球磨后的混合粉體在100T壓力機(jī)下預(yù)壓型，保壓12min ； 預(yù)壓型后的坯料在冷等靜壓機(jī)上進(jìn)行壓制，壓力200MPa，保壓15min ；在真空燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度1050°C，燒結(jié)時間池，真空度10_3Pa，氫氣保護(hù)，升溫速度IO0C /min，出爐，制得產(chǎn)品。實施例4
本實施例制備的是高導(dǎo)電高耐磨銅鉬合金材料，采用的原料為含Al2O3的Cu粉，MoS2 粉，純鉬粉；各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)具體配比如下 Al2O3 0. 3% MoS2 0. 5% Mo 5%
其余為Cu，雜質(zhì)含量< 0. 1%。將上述按比例配合好的粉末裝入高能球磨機(jī)不銹鋼研磨罐中，混合運(yùn)行Mh，粉末混合研磨過程中，真空操作，真空度10_3Pa，充入干燥的Ar氣進(jìn)行保護(hù)，轉(zhuǎn)速1600r/min ；
高能球磨后的混合粉體在IOOT壓力機(jī)下預(yù)壓型，保壓15min ； 預(yù)壓型后的坯料在冷等靜壓機(jī)上進(jìn)行壓制，壓力220MPa，保壓15min ； 在真空燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度1050°C，燒結(jié)時間池，真空度10_3Pa，氫氣保護(hù)，升溫速度IO0C /min，出爐，制得產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種高導(dǎo)電高耐磨的銅鉬合金材料，由基體合金Cu、摩擦組元A1A、潤滑組元 MoS2、高溫組元Mo和銅組成，各物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是Al2O3 0. 1 - 0. 5%,MoS2 0. 1 - 0. 5%， Mo 1 - 5%，其余為銅；制備的合金中Al2O3 ,MoS2和Mo均勻分布于銅基體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高導(dǎo)電高耐磨的銅鉬合金材料的制備方法，其特征在于步驟如下一、將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1 — 0. 5%的Al2O3、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 1 — 0. 5%的Mc^2、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1 - 5%的Mo和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94 - 98. 8%的銅的粉末，按比例配好后，裝入高能球磨機(jī)的不銹鋼研磨罐中，混合研磨5 - 25h，真空操作，真空度不小于10_2Pa，干燥氬氣保護(hù)，制得混合粉體料；二、將混合粉體料，送入壓力機(jī)，預(yù)壓成坯料，保壓時間8- 15min ；三、將預(yù)壓后的坯料，送入冷等靜壓機(jī)中，進(jìn)行壓制，壓力180- 220MPa，保壓8 — 20min ；四、將步驟三靜壓后的坯料，送入真空燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度950- 1050°C，燒結(jié)時間1 一 2h，氫氣保護(hù)，升溫速度10°C /min,出爐，制得產(chǎn)品。
全文摘要
一種高導(dǎo)電高耐磨的銅鉬合金材料，由基體合金Cu、摩擦組元Al2O3、潤滑組元MoS2、高溫組元Mo和銅組成，將Al2O3、MoS2、Mo和銅的粉末，按比例配好后，裝入高能球磨機(jī)的不銹鋼研磨罐中制得混合粉體料；將混合粉體料，送入壓力機(jī)，預(yù)壓成坯料，將坯料送入冷等靜壓機(jī)中，進(jìn)行壓制，將靜壓后的坯料，送入真空燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，制得產(chǎn)品。本發(fā)明中，上述各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍是在大量試驗基礎(chǔ)上確定的，實驗證明在這一成分范圍內(nèi)的配料，能使反應(yīng)平穩(wěn)順利進(jìn)行，且使材料性能最佳。
文檔編號C22C1/05GK102268566SQ201010604960
公開日2011年12月7日 申請日期2010年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月25日
發(fā)明者李洛利, 李繼文, 王文焱, 王愛琴, 簡學(xué)全, 謝敬佩, 馬竇琴 申請人:河南科技大學(xué)