[發明專利]一種石墨和Cu-Sn金屬基復合材料及制備方法

無效

• 申請號: 201210059869.4
• 申請日: 2012-03-08
• 公開（公告）號: CN102560171A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 張志佳;朱勝利;崔振鐸;楊賢金
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C1/10;C22C9/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王秀奎

技術領域

本發明涉及低溫、原位生成納米石墨強化金屬基復合材料的應用技術，更具體地說，涉及一種石墨/Cu-Sn金屬基復合材料及制備方法。

背景技術

石墨/銅基復合材料是一種比強度高、良好的導電導熱性、良好的抗電弧侵蝕和耐磨減磨性。石墨/銅基復合材料具有廣泛的應用前景，尤其是在電接觸材料和摩擦材料領域得到廣泛應用。石墨/銅基復合材料是由分布在銅合金基體中的石墨和銅合金基體構成，其中石墨具有良好的潤滑性和抗熔焊性對銅合金基體起保護作用，是一種理想的滑動減磨材料并且可以替代滑動減磨材料中常用的鉛元素起到環境保護的作用。石墨/銅基復合材料的使用溫度超過潤滑油的使用范圍，適用于高溫、高真空、輻射環境、惰性或活性氣體中以及海洋流體、食品加工等條件下。

然而，金屬銅的金屬鍵與石墨的共價鍵之間有本質性的區別。二者是固相和液相均不互溶的兩相，潤濕性非常差，尤其是在使用粉末冶金方法制備復合材料時銅與石墨之間僅僅是機械互鎖結合，其界面結合性差、強度低嚴重影響了復合材料的性能。因此，必須開發出界面結合強度高、耐磨減磨性能優異的新型材料，用以替代現有的石墨/銅基復合材料。

石墨/銅基復合材料是由石墨顆粒與銅合金基體構成的復合材料。為了提高銅與石墨的浸潤性，目前解決方法多為對石墨進行化學鍍銅。由于銅與石墨的完全不浸潤性，致使鍍銅層以球型銅顆粒的形式包覆在石墨表面。球化的銅顆粒必然降低石墨與銅合金基體的表面結合性，同時浸潤性的改善也是有限的。同時化學鍍銅工藝復雜，能耗高，產生的廢液嚴重污染環境。這些都是產業化生產所面臨的問題。另外，機械合金化工藝也可以改善浸潤性，因為在復合材料中添加合適的合金元素，可以通過改變界面張力來影響銅和石墨的浸潤性。表面活性元素可以降低液態金屬表面張力和液固界面能。同時，活性元素有著富集在界面的特性，并有時會直接參與界面反應或影響界面反應，從而影響不同相的浸潤過程。

發明內容

本發明目的在于提供一種石墨顆粒與金屬銅、錫顆粒的復合合金化的技術。所述的方法過程簡便、制作工藝易于操控。所制備的石墨/Cu-Sn金屬基復合粉末用于制備銅基合金/石墨復合材料，能提高復合材料耐磨減磨性能和機械性能。

本發明是通過以下技術方案加以實現的：

一種石墨/Cu-Sn金屬基復合材料及其制備方法，按照下述步驟進行制備：

(1)將經過150目和200目篩分的片狀石磨加入體積分數為5-25％的HF水溶液中，在恒溫磁力攪拌器在50℃條件下攪拌10-30分鐘進行表面處理，然后采用抽濾法用去離子水反復洗滌濾出物至濾液pH為7，在真空干燥箱內真空80℃條件下干燥12小時；

(2)將經步驟(1)干燥的片狀石墨加入到濃度為5-15g/L的SnCl₂水溶液中，恒溫磁力攪拌器在50℃條件下攪拌10-40分鐘進行敏化處理，然后采用抽濾法用去離子水反復洗滌濾出物至濾液pH為7，在真空干燥箱內真空80℃條件下干燥12小時；

(3)將經步驟(2)敏化處理的片狀石墨加入到濃度為2-4g/L的AgNO₃水溶液中，恒溫磁力攪拌器在50℃條件下攪拌10-40分鐘進行活化處理，然后采用抽濾法用去離子水反復洗滌濾出物至濾液pH為7，在真空干燥箱內真空80℃條件下干燥12小時；

(4)將經過敏化和活化處理的片狀石墨、銅粉、錫粉和硬脂酸(助劑，即十八烷酸)裝入不銹鋼真空球磨罐中，再加入淬火鋼球同時密封，沖入惰性氣體并保持，實施球磨，待真空不銹鋼球磨罐冷卻至室溫，即可得到石墨/Cu-Sn金屬基復合材料粉末。

其中所述片狀石墨為1-5質量份(優選1.00-5.00g)、銅粉30-32質量份(優選32.00g)、錫粉8-10質量份(優選8.00g)和硬脂酸0.1-0.5質量份(優選0.40g)；所述淬火鋼球為200-600質量份；所述惰性氣體為氮氣、氬氣或者氦氣，保持壓力為0.2MPa；

所述球磨采用行星式高能球磨機，設置參數為轉速350-500rpm、球磨時間55-95h、每隔5h停機1h，以防止不銹鋼真空球磨罐體過熱。

以上述方法制備石墨/Cu-Sn金屬基復合材料粉末的應用，用于制備石墨/銅基合金復合材料，制得的石墨/銅基合金復合材料具有良好耐磨減磨性能和機械性能。