本發(fā)明涉及一種新型的高耐磨銅基材料及其制備方法，特別涉及一種可用于制備新型電力機(jī)車受電弓滑板的高耐磨銅基材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，作為高速列車最重要的集電元件，受電弓滑板的用量越來越大，因此對滑板材料的要求不斷的提高。

滑板的發(fā)展趨勢以碳纖維滑板、碳纖維滑板以及帶有自潤滑和它潤滑功能的金屬基復(fù)合材料、非金屬基復(fù)合材料為主。石墨/銅復(fù)合材料由于具有較高的強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、減磨耐磨性、耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，在受電弓滑板材料中發(fā)揮著重要的作用。但國內(nèi)外在C/Cu復(fù)合材料研究方面仍然存在很多實(shí)際應(yīng)用上的問題沒有得到滿意的解決，主要由于石墨屬于軟質(zhì)相，粘合性較強(qiáng)使得其彼此之間很容易團(tuán)聚，再者由于石墨的平行層狀結(jié)構(gòu)，在與銅粉的混合過程中不易均勻，且產(chǎn)生偏析，需要對石墨表面進(jìn)行改性處理以提高界面強(qiáng)度，如化學(xué)法、電鍍法等。即便如此，但是還存在以下缺點(diǎn)：(1)制備過程復(fù)雜，能耗大(2)改性過程不易控制，生產(chǎn)效率低(3)產(chǎn)品致密度不高，孔隙率大。

因此，工藝簡單、能耗小、產(chǎn)品組織均勻性好、致密高是銅基自潤滑復(fù)合材料制備的發(fā)展方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高耐磨銅基材料。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種高耐磨銅基材料的制備方法。

本發(fā)明的再一個目的在于提供基于上述高耐磨銅基材料的受電弓滑板。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種高耐磨銅基材料，由錫青銅粉、氮化硼和強(qiáng)化相組成，其體積比：V(錫青銅粉)：V(氮化硼)：V(強(qiáng)化相)＝(80-85)：(5-15)：(5-15)，強(qiáng)化相選自Cr₃C₂、Mo₂C、WC、Zn中的至少一種。

作為上述高耐磨銅基材料的進(jìn)一步改進(jìn)，V(錫青銅粉)：V(氮化硼)：V(強(qiáng)化相)＝(80-85)：(8-12)：(8-12)。

作為上述高耐磨銅基材料的進(jìn)一步改進(jìn)，強(qiáng)化相中各組元質(zhì)量比為：W(Cr₃C₂)：W(Mo₂C)：W(WC)：W(Zn)＝(1-10)：(1-10)：(1-10)：(70-80)。

作為上述高耐磨銅基材料的進(jìn)一步改進(jìn)，強(qiáng)化相中各組元質(zhì)量比為：W(Cr₃C₂)：W(Mo₂C)：W(WC)：W(Zn)＝(4-7)：(4-7)：(4-7)：(70-80)。

作為上述高耐磨銅基材料的進(jìn)一步改進(jìn)，錫青銅粉中，Sn的質(zhì)量百分含量為7～13％。

一種高耐磨銅基材料的制備方法，高耐磨銅基材料的組成如上所述，其制備方法包括如下步驟：

1)將氮化硼和強(qiáng)化相粉末球磨混勻，加水混合，練泥，得到泥料；

2)將泥料干燥，800～1100℃保溫焙燒完全，得到焙燒料；

3)將焙燒料球磨粉碎，與錫青銅粉末混合，加入聚丙烯酰胺溶液，練泥、干燥；

4)將粉料置于模具中，冷壓成型，得到壓坯；

5)將壓坯升溫至500～600℃預(yù)燒，之后升溫至800～950℃焙燒，冷卻后得到初燒結(jié)體；

6)將初燒結(jié)體復(fù)壓，800～950℃下復(fù)燒完全，得到型材。

作為上述制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，焙燒、預(yù)燒和復(fù)燒均在還原性氣體保護(hù)下進(jìn)行。

作為上述制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，聚丙烯酰胺溶液的濃度為2～4mol/L。

作為上述制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，冷壓和復(fù)壓的壓力獨(dú)立不低于1T/cm²，優(yōu)選為1～3T/cm²。

一種受電弓滑板，其主體材料為上述的高耐磨銅基材料或上述的方法制備得到的高耐磨銅基材料。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明采用錫青銅基體/氮化硼復(fù)合材料，氮化硼具有高熔點(diǎn)，高硬度，耐磨耐腐蝕，抗氧化的特點(diǎn)，滑板中引入氮化硼可以改善材料性能。其中的B元素也可以與基體中的合金元素合成硼化物，形成填充粒子與基體間良好的界面結(jié)合，起到化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)的作用，其配方科學(xué)合理，成功解決了銅-氮化硼界面不潤濕的問題。制備的受電弓滑板材料具有電阻率低，抗沖擊性能好，摩擦系數(shù)小，抗彎強(qiáng)度高，硬度高等優(yōu)點(diǎn)，兼有傳統(tǒng)的錫青銅基滑板材料的強(qiáng)度高電阻率低和氮化硼潤滑性能好兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時制備工藝簡單，工藝過程易于控制，沒有污染，適用于批量生產(chǎn)。

本發(fā)明的制備過程中向錫青銅/氮化硼復(fù)合材料中添加了聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得它極易卷面纏結(jié)，可在復(fù)合材料中形成物理交聯(lián)；而作為表面活性劑，它的酰胺基又具有高極性，容易形成氫鍵，可提高氮化硼表面活性，增強(qiáng)其與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，有利于阻止沖擊過程中的裂紋擴(kuò)展，減緩應(yīng)力集中?？傊?，本發(fā)明工藝簡單，操作方便，無需變更現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備，并且改性后的受電弓滑板材料較傳統(tǒng)材料有很大的改善，并且成本較低。

本發(fā)明制備的復(fù)合材料經(jīng)過檢測，密度為7.3～7.8g/cm³，表面硬度≥130HB，三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度≥250MPa，拉伸強(qiáng)度≥180MPa，沖擊韌性≥2.5J/cm²，電阻率≤12μΩ·.m，磨損率≤12.0mm/10000km，具有良好的力學(xué)性能、良好的導(dǎo)電性以及較低的磨損率等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1的掃描圖；

圖2為實(shí)施例2的掃描圖；

圖3是實(shí)施例3的最終樣品照片；

圖4為實(shí)施例3的掃描圖；

圖5為實(shí)施例3的B元素分布圖；

圖6為實(shí)施例3的Cr元素分布圖；

圖7為實(shí)施例3的Cu元素分布圖；

圖8為實(shí)施例3的Sn元素分布圖；

圖9為實(shí)施例3的Mo元素分布圖；

圖10為實(shí)施例3的W元素分布圖；

圖11為實(shí)施例4的掃描圖。

具體實(shí)施方式

一種高耐磨銅基材料，由錫青銅粉、氮化硼和強(qiáng)化相組成，其體積比：V(錫青銅粉)：V(氮化硼)：V(強(qiáng)化相)＝(80-85)：(5-15)：(5-15)，強(qiáng)化相選自Cr₃C₂、Mo₂C、WC、Zn中的至少一種。

作為上述高耐磨銅基材料的進(jìn)一步改進(jìn)，V(錫青銅粉)：V(氮化硼)：V(強(qiáng)化相)＝(82-85)：(7-10)：(8-12)。

強(qiáng)化相的作用在于提高材料的強(qiáng)度，可以是本領(lǐng)域公知的與銅基材料相容的強(qiáng)化相。如Zn可以縮小錫青銅的結(jié)晶溫度范圍，提高合金的流動性，減小產(chǎn)生縮松的傾向；碳化物的添加可以顯著提高復(fù)合材料的硬度；Ni可以無限固溶于α固溶體內(nèi)，促使α樹枝狀晶體發(fā)達(dá)，加入微量的Ni可以使晶粒細(xì)化，提高機(jī)械性能、耐腐蝕性能和熱穩(wěn)定性。Fe的作用與Ni相似，細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度，改善著色性能；P是銅合金的有效脫氧劑，提高錫青銅的流動性；Ti可以與Sn形成TiSn，固溶于銅，有沉淀強(qiáng)化的作用。

作為上述高耐磨銅基材料的進(jìn)一步改進(jìn)，強(qiáng)化相中各組元質(zhì)量比為：W(Cr₃C₂)：W(Mo₂C)：W(WC)：W(Zn)＝(1-10)：(1-10)：(1-10)：(70-80)。進(jìn)一步的，強(qiáng)化相中各組元質(zhì)量比為：W(Cr₃C₂)：W(Mo₂C)：W(WC)：W(Zn)＝(4-7)：(4-7)：(4-7)：(70-80)。

作為上述高耐磨銅基材料的進(jìn)一步改進(jìn)，錫青銅粉中，Sn的質(zhì)量百分含量為7～13％。

一種高耐磨銅基材料的制備方法，高耐磨銅基材料的組成如上所述，其制備方法包括如下步驟：

1)將氮化硼和強(qiáng)化相粉末球磨混勻，加水混合，練泥，得到泥料；

2)將泥料干燥，800～1100℃保溫焙燒完全，得到焙燒料；

3)將焙燒料球磨粉碎，與錫青銅粉末混合，加入聚丙烯酰胺溶液，練泥、干燥；

4)將粉料置于模具中，冷壓成型，得到壓坯；

5)將壓坯升溫至500～600℃預(yù)燒，之后升溫至800～950℃焙燒，冷卻后得到初燒結(jié)體；

6)將初燒結(jié)體復(fù)壓，800～950℃下復(fù)燒完全，得到型材。

步驟1)中焙燒的作用在于使氮化硼與強(qiáng)化相合金充分反應(yīng)，部分形成硼化物，利于其與銅基體的結(jié)合。

作為上述制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，焙燒、預(yù)燒和復(fù)燒均在還原性氣體保護(hù)下進(jìn)行。不同的還原性氣氛對效果稍有影響，H₂清潔，來源廣泛，安全性相對更好，是更佳的選擇。

作為上述制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，聚丙烯酰胺溶液的濃度為2～4mol/L。這種濃度的溶液可以得到硬度適中的泥料，方便焙燒料與錫青銅粉末的混合及練泥。

如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的，壓力過小，則不利于得到致密的材料，因此，在條件允許的情況下，壓力應(yīng)盡可能的大，以獲得更為致密的材料。但是實(shí)際情況下，壓力過大會對模具造成損傷，影響其使用壽命。綜合考慮，作為上述制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，冷壓和復(fù)壓的壓力獨(dú)立為1～3T/cm²，更佳為1～2.5T/cm²。

下面結(jié)合實(shí)施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

以下實(shí)施例中，如無特別說明，所有的焙燒、預(yù)燒、復(fù)燒均在H₂保護(hù)氣氛下進(jìn)行。

實(shí)施例1

一種改性銅基受電弓滑板材料，由以下體積分?jǐn)?shù)的原料制成：V(CuSn10)：V(氮化硼)：V(強(qiáng)化相)＝82：10：8，強(qiáng)化相各組元質(zhì)量比為：W(Cr₃C₂)：W(Mo₂C)：W(WC)：W(Zn)＝10：10：10：70；其中，錫青銅粉和其他強(qiáng)化相組元粉末均為300目，錫青銅粉中Sn含量約為10％。

制備方法：

1)將氮化硼和強(qiáng)化相粉末球磨混勻，加水混合，練泥，得到泥料；

2)將泥料干燥，1100℃保溫焙燒90min，得到焙燒料；

3)將焙燒料球磨粉碎，與錫青銅粉末混合，加入3mol/L聚丙烯酰胺溶液，練泥、干燥；

4)將粉料置于模具中，1T/cm²壓力下冷壓成型，得到壓坯；

5)將壓坯升溫至500℃預(yù)燒30min，之后升溫至830℃焙燒90min，冷卻后得到初燒結(jié)體；

6)將初燒結(jié)體1T/cm²壓力下復(fù)壓，830℃下復(fù)燒60min，得到型材。

型材的掃描圖如圖1所示。從圖中可以看出，其內(nèi)部材料分布均勻，各組分間的結(jié)合緊密。

實(shí)施例2

一種改性銅基受電弓滑板材料，由以下體積分?jǐn)?shù)的原料制成：V(CuSn10)：V(氮化硼)：V(強(qiáng)化相)＝83：9：8，強(qiáng)化相各組元質(zhì)量比為：W(Cr₃C₂)：W(Mo₂C)：W(WC)：W(Zn)＝8：6：9：77；其中，錫青銅粉和其他強(qiáng)化相組元粉末均為400目，錫青銅粉中Sn含量約為10％。

制備方法：

1)將氮化硼和強(qiáng)化相粉末球磨混勻，加水混合，練泥，得到泥料；

2)將泥料干燥，1000℃保溫焙燒100min，得到焙燒料；

3)將焙燒料球磨粉碎，與錫青銅粉末混合，加入3mol/L聚丙烯酰胺溶液，練泥、干燥；

4)將粉料置于模具中，1.5T/cm²壓力下冷壓成型，得到壓坯；

5)將壓坯升溫至400℃預(yù)燒50min，之后升溫至840℃焙燒90min，冷卻后得到初燒結(jié)體；

6)將初燒結(jié)體1.5T/cm²壓力下復(fù)壓，840℃下復(fù)燒90min，得到型材。

其掃描圖如圖2所示，可以看出其內(nèi)部材料分布均勻，各組分間的結(jié)合緊密。

實(shí)施例3

一種改性銅基受電弓滑板材料，由以下體積分?jǐn)?shù)的原料制成：V(CuSn10)：V(氮化硼)：V(強(qiáng)化相)＝84：8：8，強(qiáng)化相各組元質(zhì)量比為：W(Cr₃C₂)：W(Mo₂C)：W(WC)：W(Zn)＝4：7：9：80；其中，錫青銅粉和其他強(qiáng)化相組元粉末均為200目，錫青銅粉中Sn含量約為10％。

制備方法：

1)將氮化硼和強(qiáng)化相粉末球磨混勻，加水混合，練泥，得到泥料；

2)將泥料干燥，800℃保溫焙燒150min，得到焙燒料；

3)將焙燒料球磨粉碎，與錫青銅粉末混合，加入3mol/L聚丙烯酰胺溶液，練泥、干燥；

4)將粉料置于模具中，2.0T/cm²壓力下冷壓成型，得到壓坯；

5)將壓坯升溫至400℃預(yù)燒50min，之后升溫至870℃焙燒80min，冷卻后得到初燒結(jié)體；

6)將初燒結(jié)體2.0T/cm²壓力下復(fù)壓，870℃下復(fù)燒80min，得到型材。

型材樣品外形如圖3所示，可以看出其外形平整，完好。其掃描圖如圖4所示，可以看出其內(nèi)部材料分布均勻，各組分間的結(jié)合緊密。圖5～10分別是其B、Cr、Cu、Sn、Mo和W的元素分布圖，從圖中可以看出材料中各元素的分布均勻，特別是BN沒有團(tuán)聚現(xiàn)象。

實(shí)施例4

一種改性銅基受電弓滑板材料，由以下體積分?jǐn)?shù)的原料制成：V(CuSn10)：V(氮化硼)：V(強(qiáng)化相)＝85：7：8，強(qiáng)化相各組元質(zhì)量比為：W(Cr₃C₂)：W(Mo₂C)：W(WC)：W(Zn)＝7：5：8：80；其中，錫青銅粉和其他強(qiáng)化相組元粉末均為300目，錫青銅粉中Sn含量約為10％。

制備方法：

1)將氮化硼和強(qiáng)化相粉末球磨混勻，加水混合，練泥，得到泥料；

2)將泥料干燥，950℃保溫焙燒120min，得到焙燒料；

3)將焙燒料球磨粉碎，與錫青銅粉末混合，加入3mol/L聚丙烯酰胺溶液，練泥、干燥；

4)將粉料置于模具中，2.5T/cm²壓力下冷壓成型，得到壓坯；

5)將壓坯升溫至400℃預(yù)燒50min，之后升溫至900℃焙燒60min，冷卻后得到初燒結(jié)體；

6)將初燒結(jié)體2.5T/cm²壓力下復(fù)壓，900℃下復(fù)燒60min，得到型材。

其掃描圖如圖11所示，可以看出其內(nèi)部材料分布均勻，各組分間的結(jié)合緊密。

制備得到的型材，通過進(jìn)一步的表面處理，如打磨即可制備得到所需要的產(chǎn)品。特別的，型材可以制備成為受電弓滑板。

實(shí)施例5～8

分別同實(shí)施例1～4，不同之處在于3mol/L聚丙烯酰胺溶液替換為等摩爾濃度的聚丙烯酸。

表1、產(chǎn)品性能檢測結(jié)果

說明：

1)維氏硬度測量采用維氏硬度計(jì)，壓力1Kg，保壓時間10s。實(shí)驗(yàn)條件為室溫；

2)體積密度測量采用排水法測量計(jì)算致密度，實(shí)驗(yàn)條件為室溫；

3)拉伸強(qiáng)度測試使用萬能試驗(yàn)機(jī)，試樣尺寸為6mm×9.5mm，實(shí)驗(yàn)條件為室溫；

4)抗彎強(qiáng)度測試采用美國Instron3369材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測定，試樣尺寸為38mm×6mm×3mm，加載速率1.00000mm/min。實(shí)驗(yàn)條件為室溫；

5)沖擊韌性測試采用自制6J懸臂梁式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)條件為室溫；

6)耐磨性能測試采用M-2000型環(huán)塊試驗(yàn)機(jī)，試樣尺寸18mm×18mm×12mm。實(shí)驗(yàn)條件為室溫；

7)電阻率測試采用雙臂電橋，試驗(yàn)尺寸為55mm×5mm×5mm。實(shí)驗(yàn)條件為室溫。

從檢測結(jié)果可知：BN含量越多，硬度越低，BN硬度低，潤滑性好；聚丙烯酰胺可以促使氮化硼和基體更好的結(jié)合，但是BN本身存在會阻礙基體粉末的移動，對燒結(jié)產(chǎn)生很大的影響，在一定程度上阻礙基體粉末顆粒的燒結(jié)擴(kuò)散，從而阻礙燒結(jié)頸的形成，BN含量越大，對燒結(jié)的阻礙越大，當(dāng)BN含量增加到一定程度時會使性能降低。

經(jīng)分析，可能的原因是聚丙烯酰胺的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得它極易卷面纏結(jié)，可在復(fù)合材料中形成物理交聯(lián)；而作為表面活性劑，它的酰胺基又具有高極性，容易形成氫鍵，可提高氮化硼表面活性，增強(qiáng)其與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，有利于阻止沖擊過程中的裂紋擴(kuò)展，減緩應(yīng)力集中，并且處理過程簡單可控，生產(chǎn)效率高，成功解決了銅-氮化硼界面不潤濕的問題。