專利名稱：一種銅基自潤滑復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅基復(fù)合材料，具體涉及一種銅基自潤滑復(fù)合材料及其制備方法，屬于材料加工及粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料法制備的銅基復(fù)合材料可以依靠增強(qiáng)組元的特性，實現(xiàn)復(fù)合材料性能的重新組合。既發(fā)揮了基體與增強(qiáng)物的協(xié)同作用，增加單一組成材料所不能達(dá)到的綜合性能，又具有很大的設(shè)計自由度，因此是一種具有較大發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅苄虏牧?。銅基復(fù)合材料強(qiáng)度高，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性與純銅相近，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型材料。在實際生產(chǎn)中，由于其力學(xué)性能和導(dǎo)電率不能滿足一定的要求，其應(yīng)用范圍受到極大的限制。如何提高銅基復(fù)合材料的強(qiáng)、硬度，同時保持良好的導(dǎo)電性和高溫?zé)岱€(wěn)定性，成為了當(dāng)前研究的主要 任務(wù)。銅基自潤滑復(fù)合材料是將固體潤滑劑作為組元加入到銅基體中形成的復(fù)合材料，它兼有銅的良好導(dǎo)電性和固體潤滑劑的摩擦特性等特點而得到了廣泛應(yīng)用。中國專利2000年7月19日(公告號CN 1088114C)公開的一種錫青銅基自潤滑復(fù)合材料以錫青銅、鎳、鋁、氧化鋁、石墨、氧化鉛為原料，經(jīng)冷壓成型與自由燒結(jié)法制得，可在室溫至450°C、中低速、中低負(fù)荷條件下使用。目前，銅基復(fù)合材料的制備工藝多采用冷壓燒結(jié)法，但制備得到的復(fù)合材料孔隙率高、致密度較低，且需要后續(xù)的熱壓致密化處理，制備工序復(fù)雜。而熱壓燒結(jié)法其燒結(jié)溫度、升溫速率、保溫時間、壓制壓力等工藝參數(shù)也會對材料組織致密性、增強(qiáng)體的分布形態(tài)、導(dǎo)電性、強(qiáng)度、硬度等性能產(chǎn)生影響，從而直接關(guān)系到復(fù)合材料的性能。因此，研制一種新型銅基自潤滑復(fù)合材料及其制備方法顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種銅基自潤滑復(fù)合材料，兼有固體潤滑劑的摩擦特性和銅的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。同時，本發(fā)明還提供一種銅基自潤滑復(fù)合材料的制備方法。為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種銅基自潤滑復(fù)合材料，由以下重量百分比的組分組成2% 4%的釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3O7-X)，余量為銅，以及不可避免的雜質(zhì)。所述的釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)可以為市售商品。優(yōu)選的，所述的釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)為粒度20 500nm的粉末，其中x為O O. 5內(nèi)的任意值。上述優(yōu)選方案中釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末的制備方法包括如下步驟(I)按照原子比 Y:Ba:Cu 為 1:2:3 稱取 Y(NO3)3、Ba(NO3)2、Cu(NO3)2，加水溶解得水溶液，加入占三種原料總質(zhì)量3 4%的聚乙二醇，得溶液A，再將草酸配制成濃度為O. 06 O. 08g/ml的水溶液作為溶液B ；(2)將溶液B逐滴加入溶液A中混合均勻，待沉淀完畢再在A、B混合液中加入氨水調(diào)節(jié)溶液pH值至6 7，過濾得濾餅備用；(3)將步驟(2)的濾餅在60 80°C下干燥16 24小時，研磨，將研磨得到的粉末加熱，在800 900°C下保溫8 10小時，冷卻降溫至450 500°C并在此溫度下保溫6 8小時，再冷卻至室溫備用；(4)將步驟(3)的粉末再加熱至800 900°C 并在此溫度下保溫8 10小時，冷卻至室溫，研磨即得釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末。優(yōu)選的，采用上述粒度20 500nm的YBa2Cu307_x粉末和過500篩的銅粉末以粉末冶金法制備銅基自潤滑復(fù)合材料。所述的過500目篩的銅粉末可以為市售商品。制備方法包括以下步驟(I)準(zhǔn)確稱取各組分，將釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末和銅粉充分混合后裝入模具，在真空條件下對模具中混合粉料進(jìn)行預(yù)壓，壓力為15 25MPa，預(yù)壓時間為10 15分鐘；(2)將步驟(I)的模具加熱，控制升溫速度，先在60分鐘時間內(nèi)將溫度由室溫升至450 500°C并保溫20 40分鐘，保溫期間提高壓力至30 35MPa，加壓10 15分鐘，再在30分鐘內(nèi)將溫度由450 500°C升至750 760°C并保溫60 80分鐘，保溫期間提高壓力至40 45MPa，加壓30 40分鐘；(3)將步驟(2)的模具降溫，溫度降至450 500°C時調(diào)整壓力為50 55MPa，保持此溫度、壓力25 35分鐘，而后降至室溫，脫模即得。所述真空條件的真空度為O. 01 O. 02Pa。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明采用釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)作為固體潤滑劑，釔鋇銅氧化物不僅具有超導(dǎo)性能和熱穩(wěn)定性，還有良好的耐磨性，在大氣常溫下的摩擦因數(shù)穩(wěn)定在O. 16，且不隨時間改變，與常規(guī)固體潤滑劑如MoS2、石墨相似，YBa2Cu3CVx具有層狀結(jié)構(gòu)，c/a比大，在500°C以上高溫條件下也能展現(xiàn)出良好的固體潤滑性能，具備減摩耐磨的雙重優(yōu)點，但其陶瓷脆性限制了其優(yōu)良性能的發(fā)揮，本發(fā)明將釔鋇銅氧化物與銅基復(fù)合制備出了一種高強(qiáng)度、低摩擦、耐磨損的新型銅基自潤滑復(fù)合材料。本發(fā)明優(yōu)選粒度為20 500nm的釔鋇銅氧化物(YBa2Cu307_x)粉末和過500目篩的銅粉末，保證了原料在壓制燒結(jié)過程中的組織致密性。同時，本發(fā)明采用真空熱壓燒結(jié)法制備復(fù)合材料，原料經(jīng)混料、初壓后采用階段式升溫、階段式加壓壓制、階段式降溫和加壓壓制相結(jié)合的技術(shù)手段，進(jìn)一步提高了復(fù)合材料的組織致密性，避免了復(fù)合材料中氣孔、裂紋等缺陷的出現(xiàn)，制備的復(fù)合材料具有優(yōu)異的物理、機(jī)械性能以及摩擦磨損性能。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明，但不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。實施例1本實施例銅基自潤滑復(fù)合材料由以下重量百分比的組分組成
2. 5% 的釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)，余量為銅，以及不可避免的雜質(zhì)。實施例2本實施例銅基自潤滑復(fù)合材料由以下重量百分比的組分組成2%的釔鋇銅氧化物(YBa2Cu307_x)粉末，粒度為20nm，x值為O余量為銅粉末(市售)，銅粉末過500目篩，以及不可避免的雜質(zhì)。
本實施例中釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末的制備方法包括如下步驟(I)按照原子比 Y:Ba:Cu 為 1:2:3 稱取 Y(NO3)3、Ba(NO3)2、Cu(NO3)2，加水溶解得水溶液，加入占三種原料總質(zhì)量3%的聚乙二醇，得溶液A，再將草酸配制成濃度為O. 06g/ml的水溶液作為溶液B ；(2)將溶液B逐滴加入溶液A中混合均勻，溶液B的加入過量，以使Y3+、Ba2+、Cu2+完全沉淀，待沉淀完畢再在A、B混合液中加入氨水調(diào)節(jié)溶液pH值至6，過濾得濾餅備用；(3)將步驟(2)的濾餅在80°C下干燥16小時，研磨，將研磨得到的粉末加熱，在880°C下保溫9小時，冷卻降溫至500°C并在此溫度下保溫8小時，再冷卻至室溫備用；(4)將步驟(3)的粉末再加熱至880°C并在此溫度下保溫8小時，冷卻至室溫，研磨即得釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末。本實施例中自潤滑復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟(I)準(zhǔn)確稱取上述重量百分比的釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末和銅粉，將釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末和銅粉在行星球磨機(jī)上進(jìn)行混料，球料比為1: 1，轉(zhuǎn)速為250轉(zhuǎn)/分，混料時間為2小時，充分混合后裝入預(yù)先處理好的石墨模具中，即模具的模腔內(nèi)表面涂覆脫模劑(75%三氧化二鋁粉和25%乙醇)并在150°C下干燥2小時，將模具置入真空釬焊機(jī)中，抽真空至真空度為O. 02Pa，對模具中混合粉料進(jìn)行預(yù)壓，壓力為15MPa，預(yù)壓時間為10分鐘；(2)將步驟(I)的模具加熱，控制升溫速度，先在60分鐘時間內(nèi)將溫度由室溫升至480°C并保溫30分鐘，期間提高壓力至30MPa，加壓10分鐘，再在30分鐘內(nèi)將溫度由500°C升至760°C并保溫60分鐘，期間提高壓力至40MPa，加壓40分鐘；(3)將步驟(2)的模具進(jìn)行自然降溫，溫度降至500°C時調(diào)整壓力為50MPa，保持此溫度、壓力35分鐘，而后降至室溫，脫模即得。實施例3本實施例銅基自潤滑復(fù)合材料由以下重量百分比的組分組成2. 5%的釔鋇銅氧化物(YBa2Cu307_x)粉末，粒度為300nm，x值為O. 3，余量為銅粉末,銅粉末過500目篩，以及不可避免的雜質(zhì)。本實施例中釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末的制備方法包括如下步驟(I)按照原子比 Y:Ba:Cu 為 1:2:3 稱取 Y(NO3)3、Ba(NO3)2、Cu(NO3)2，加水溶解得水溶液，加入占三種原料總質(zhì)量4%的聚乙二醇，得溶液A，再將草酸配制成濃度為O. 08g/ml的水溶液作為溶液B ；(2)將溶液B逐滴加入溶液A中混合均勻，溶液B的加入過量，以使Y3+、Ba2+、Cu2+完全沉淀，待沉淀完畢再在A、B混合液中加入氨水調(diào)節(jié)溶液pH值至7，過濾得濾餅備用；(3)將步驟(2)的濾餅在60°C下干燥24小時，研磨，將研磨得到的粉末加熱，在800°C下保溫10小時，冷卻降溫至450°C并在此溫度下保溫8小時，再冷卻至室溫備用；(4)將步驟(3)的粉末再加熱至900°C并在此溫度下保溫8小時，冷卻至室溫，研磨即得釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末。本實施例中自潤滑復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟(I)準(zhǔn)確稱取上述重量百分比的釔鋇銅氧化物(YBa2Cu307_x)YBC0粉末和銅粉，將釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末和銅粉在行星球磨機(jī)上進(jìn)行混料，球料比為1:1，轉(zhuǎn)速為250轉(zhuǎn)/分，混料時間為2. 5小時，充分混合后裝入預(yù)先處理好的石墨模具中，即模具的模腔內(nèi)表面涂覆脫模劑(75%三氧化二鋁粉和25%乙醇)并在150°C下干燥2小時，將模具置入真空釬焊機(jī)中，抽真空至真空度為O. OlPa，對模具中混合粉料進(jìn)行預(yù)壓，壓力為20MPa，預(yù)壓 時間為15分鐘；(2)將步驟(I)的模具加熱，控制升溫速度，先在60分鐘時間內(nèi)將溫度由室溫升至450°C并保溫40分鐘，期間提高壓力至35MPa，加壓10分鐘，再在30分鐘內(nèi)將溫度由450°C升至755°C并保溫70分鐘，期間提高壓力至45MPa，加壓35分鐘；(3)將步驟(2)的模具進(jìn)行自然降溫，溫度降至480°C時調(diào)整壓力為55MPa，保持此溫度、壓力25分鐘，而后降至室溫，脫模即得。實施例4本實施例銅基自潤滑復(fù)合材料由以下重量百分比的組分組成4%的釔鋇銅氧化物(YBa2Cu307_x)粉末，粒度為500nm，x值為O. 5，余量為銅粉末,銅粉末過500目篩，以及不可避免的雜質(zhì)。本實施例中釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末的制備方法包括如下步驟(I)按照原子比 Y:Ba:Cu 為 1:2:3 稱取 Y(NO3)3、Ba(NO3)2、Cu(NO3)2，加水溶解得水溶液，加入占三種原料總質(zhì)量3. 5%的聚乙二醇，得溶液A，再將草酸配制成濃度為O. 06 O. 07g/ml的水溶液作為溶液B ；(2)將溶液B逐滴加入溶液A中混合均勻，溶液B的加入過量，以使Y3+、Ba2+、Cu2+完全沉淀，待沉淀完畢再在A、B混合液中加入氨水調(diào)節(jié)溶液pH值至6. 5，過濾得濾餅備用；(3)將步驟(2)的濾餅在70°C下干燥20小時，研磨，將研磨得到的粉末加熱，在900°C下保溫8小時，冷卻降溫至500°C并在此溫度下保溫6小時，再冷卻至室溫備用；(4)將步驟(3)的粉末再加熱至800°C并在此溫度下保溫10小時，冷卻至室溫，研磨即得釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末。本實施例中自潤滑復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟(I)準(zhǔn)確稱取上述重量百分比的釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末和銅粉，將釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末和銅粉在行星球磨機(jī)上進(jìn)行混料，球料比為1: 1，轉(zhuǎn)速為250轉(zhuǎn)/分，混料時間為3小時，充分混合后裝入預(yù)先處理好的石墨模具中，即模具的模腔內(nèi)表面涂覆脫模劑(75%三氧化二鋁粉和25%乙醇)并在150°C下干燥2小時，將模具置入真空釬焊機(jī)中，抽真空至真空度為O. 02Pa，對模具中混合粉料進(jìn)行預(yù)壓，壓力為25MPa，預(yù)壓時間為10分鐘；
(2)將步驟(I)的模具加熱，控制升溫速度，先在60分鐘時間內(nèi)將溫度由室溫升至500°C并保溫20分鐘，期間提高壓力至30MPa，加壓15分鐘，再在30分鐘內(nèi)將溫度由500°C升至750°C并保溫80分鐘，期間提高壓力至40MPa，加壓40分鐘；(3)將步驟(2)的模具進(jìn)行自然降溫，溫度降至450°C時調(diào)整壓力為50MPa，保持此溫度、壓力30分鐘，而后降至室溫，脫模即得。試驗例將實施例2 4制備的復(fù)合材料采用MH-3型顯微硬度計測定其顯微維氏硬度，在不同位置進(jìn)行多次測量，去除最小值和最大值，計算硬度平均值(單位為HV);采用阿基米德法測定其密度；采用HST-100型高速載流摩擦磨損試驗機(jī)測量其耐磨性。磨損量采用失重法測量，計算其磨損率，詳細(xì)見下表I。表I實施例2 4制得自潤滑復(fù)合材料的綜合性能

權(quán)利要求
1.一種銅基自潤滑復(fù)合材料，其特征在于，由以下重量百分比的組分組成2% 4%的釔鋇銅氧化物(YBa2Cu307_x)，余量為銅，以及不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅基自潤滑復(fù)合材料，其特征在于，所述的釔鋇銅氧化物 (YBa2Cu3CVx)為粒度20 500nm的粉末，x為O O. 5內(nèi)的任意值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銅基自潤滑復(fù)合材料，其特征在于，所述的釔鋇銅氧化物 (YBa2Cu3CVx)粉末的制備方法包括如下步驟(1)按照原子比Y:Ba:Cu為1:2:3稱取Y (NO3) 3、Ba (NO3) 2、Cu (NO3)2,加水溶解得水溶液，加入占三種原料總質(zhì)量3 4%的聚乙二醇，得溶液A，再將草酸配制成濃度為O. 06 O.08g/ml的水溶液作為溶液B ；(2)將溶液B逐滴加入溶液A中混合均勻，待沉淀完畢再在A、B混合液中加入氨水調(diào)節(jié)溶液PH值至6 7，過濾得濾餅備用；(3)將步驟(2)的濾餅在60 80°C下干燥16 24小時，研磨，將研磨得到的粉末加熱，在800 900°C下保溫8 10小時，冷卻降溫至450 500°C并在此溫度下保溫6 8 小時，再冷卻至室溫備用；(4)將步驟(3)的粉末再加熱至800 900°C并在此溫度下保溫8 10小時，冷卻至室溫，研磨即得釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銅基自潤滑復(fù)合材料，其特征在于，所述的銅粉末過500目篩。
5.一種如權(quán)利要求4所述的銅基自潤滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)準(zhǔn)確稱取各組分，將釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3CVx)粉末和銅粉充分混合后裝入模具， 在真空條件下對模具中混合粉料進(jìn)行預(yù)壓，壓力為15 25MPa，預(yù)壓時間為10 15分鐘；(2)將步驟(I)的模具加熱，控制升溫速度，先在60分鐘時間內(nèi)將溫度由室溫升至 450 500°C并保溫20 40分鐘，保溫期間提高壓力至30 35MPa，加壓10 15分鐘，再在30分鐘內(nèi)將溫度由450 500°C升至750 760°C并保溫60 80分鐘，保溫期間提高壓力至40 45MPa，加壓30 40分鐘；(3)將步驟(2)的模具降溫，溫度降至450 500°C時調(diào)整壓力為50 55MPa，保持此溫度、壓力25 35分鐘，而后降至室溫，脫模即得。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的銅基自潤滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述真空條件的真空度為O. 01 O. 02Pa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種銅基自潤滑復(fù)合材料及其制備方法，屬于材料加工及粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域。該復(fù)合材料由以下重量百分比的組分組成2%～4%的釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3O7-x)，余量為銅以及不可避免的雜質(zhì)。釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3O7-x)是一種良好的固體潤滑劑，兼具超導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性和減摩耐磨特性。本發(fā)明優(yōu)選粒度為20～500nm的YBa2Cu3O7-x粉末和過500目篩的銅粉末，原料經(jīng)混料、初壓后采用階段式升溫、階段式加壓壓制、階段式降溫和加壓壓制相結(jié)合的技術(shù)手段，提高了復(fù)合材料的組織致密性，避免了復(fù)合材料中氣孔、裂紋等缺陷的出現(xiàn)，制備的復(fù)合材料具有優(yōu)異的物理、機(jī)械性能以及摩擦磨損性能。
文檔編號C22C1/05GK102994799SQ20121046801
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者王愛琴, 崔利可, 謝敬佩, 李繼文, 孫浩亮, 王文焱, 李洛利 申請人:河南科技大學(xué)