CN102268566A - 一种高导电高耐磨的铜钼合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高导电高耐磨的铜钼合金材料，由基体合金：Cu、摩擦组元：Al₂O₃、润滑组元：MoS₂、高温组元：Mo和铜组成，将Al₂O₃、MoS₂、Mo和铜的粉末，按比例配好后，装入高能球磨机的不锈钢研磨罐中制得混合粉体料；将混合粉体料，送入压力机，预压成坯料，将坯料送入冷等静压机中，进行压制，将静压后的坯料，送入真空烧结炉内烧结，制得产品。本发明中，上述各组元的质量分数范围是在大量试验基础上确定的，实验证明在这一成分范围内的配料，能使反应平稳顺利进行，且使材料性能最佳。

Description

一种高导电高耐磨的铜钼合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜基复合材料，具体地说是一种具有高导电性、高耐磨性的铜钼合金材料及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的进步和发展，高速、大电流受电摩擦材料得到了广泛应用，如在轨道交通领域、输变电***的各种开关、通讯***的各种导电触头、工业控制器中的各种接触器、插拔导电部件等。这类摩擦－导电摩擦材料有如下特性：摩擦接触与导电接触共存，使用寿命、可靠性与导电性能要求并重，要求材料同时具备摩擦－导电一体化功能。

在载流摩擦副中伴随有摩擦磨损和导电接触不良等问题。材料的摩擦会造成能量的损失、摩擦发热等问题，使材料性能恶化，相关产品寿命降低。而磨损可造成材料损失、使用寿命降低、接触可靠性降低，高寿命、无拷贝服役条件下材料使用寿命难以满足基本要求。导电接触不良可造成导电效率下降和可靠性降低等问题。导电接触不良可使导轨/滑块的离线率增高，如国外高速铁路离线率小于5%，而我国由于导线/滑板的设计及线路管理等问题，目前离线率高达15%，受流质量低，制约电力机车有效功率的发挥。

起弧是载流摩擦磨损的另一主要特点之一。电弧与摩擦磨损特性之间存在着强烈的相关性：电弧损伤导致接触表面破坏，造成表面完整性与均匀性的大幅度降低；而不完整的表面接触又将导致电接触性能的明显恶化，使接触电阻增加，起弧倾向增大，这又反过来降低了表面材料的性能，促进了摩擦磨损性能的进一步恶化。因此，提高摩擦/载流材料的性能必须持续改善表面接触状态。金属基体中加入固体润滑剂可以改善摩擦/载流材料的摩擦磨损性能。

铜具有高的导电性、导热性及优良的加工性能，但是纯铜的熔点、室温强度和高温强度较低，难以满足苛刻工况条件要求。传统的提高铜合金强度的方法是合金化法，如Cu-Be合金QBe2时效后48%冷变形可以获得1350MPa的抗拉强度，但是电导率仅为19.5%IACS。

现有的铜合金难以兼顾高导电率和高强度，而复合强化不仅不会明显降低铜基体的导电性，同时还可改善基体的室温及高温性能，成为获得高强度、高导电铜基复合材料的主要强化手段。主要方法有：

（1） Al₂O₃弥散强化铜合金

在铜基体中直接加入或通过一定的工艺原位生成弥散分布的第二相颗粒，综合利用形变强化和第二相颗粒的弥散强化，获得高的材料强度，同时尽量降低铜基体中的固溶态的溶质原子和杂质原子含量，使其具有和纯铜接近的导电性的一类新型铜基复合材料。这其中，Al₂O₃增强颗粒不仅不会明显降低基体的导电性，而且由于其强化基体的室温和高温性能显著，而被得到重点使用。但是随着Al₂O3颗粒加入量的提高，材料在耐磨性提高的同时，导电率大幅度下降。

（2）石墨/铜自润滑材料

以铜基粉末冶金材料为基础，加入易于发生剪切的石墨材料，在摩擦表面形成一层持续/自生润滑膜，改善接触行为，显著提高载流与摩擦磨损性能。研究表明：石墨铜材料的摩擦系数稳定性、载流效率和载流稳定性均显著高于普通铜基材料。然而，铜与石墨互不相溶，即使在1280℃时也不发生化学反应，加上铜与石墨比重相差较大等，导致材料成型时混料不均。铜与石墨结合是一种假合金，材料界面缺陷多，严重制约了其强度和润滑性能的提高。另外，铜/石墨自润滑材料抗弯强度低，韧性差，特别是当温度大于等于300℃后，其基体强度明显下降，耐磨性降低。

（3）MoS₂/铜基自润滑材料

在氢气保护下的烧结过程中，铜基复合材料中的润滑组元MoS₂与基体铜发生反应，生成铜钼硫化物、Cu的硫化物和金属Mo；且随MoS₂含量增加，烧结产物有规律地发生变化。由于Cu-MoS₂复合材料中含有二硫化钼，能充分提供和补充固体润滑剂，使润滑膜的修复与破损过程达到动态平衡；加上Cu的硫化物与基体材料具有良好的化学亲和性，由其形成的固体润滑膜与基体颗粒易于黏合在一起，增加了固体润滑膜与基体的机械啮合作用，使固体润滑膜与基体附着性更好，结合强度更高，不易破损脱落。

（4）钼-铜合金

钼金属及其合金具有优良的物理、化学和机械性能，它具有：熔点高、高温强度高、低膨胀系数、低比热、良好的导热导电性能、优良的抗腐蚀性能及高温耐磨性能、极好的抗热震性能及耐热疲劳性能。钼是金属中除金、银、铜等金属外，电导和热导性比最好的元素之一，因而在电子工业、国防工业、宇航工业、核工业等高新技术领域成为非常有应用前景的先进材料，已经成为国民经济中一种重要的原料和不可替代的战略物资，具有广阔的发展前景。

利用铜和钼各自的优良性能，传统的Mo-Cu合金作为电子行业的真空接触头、导电散热元件、固体动密封、滑动摩擦的加强肋、高温炉的水冷电极头，以及电加工电极等得到了广泛应用。这些合金主要包括：Mo-30Cu和Mo-50Cu等钼基合金。由于低膨胀系数的Mo和高热导率的Cu通过粉末冶金方法制得的Mo-Cu合金是一种假合金，且合金中以钼元素为主，铜含量低，因此合金的导电性较纯铜下降很多。

由上述研究可以看出，目前研究的铜基合金和钼合金无法达到如下性能指标：合金材料的抗拉强度＞400MPa，硬度＞90HB，在高速滑动和大电流的条件下（速度大于300m/s、电流大于1kA）材料摩擦系数＜0.2，电导率≥70%IACS。各种铜基和钼基材料中具有如此优良高导电、高耐磨性能的材料尚未见报道。因此开发一种具有高导电性、高耐磨性能的铜钼合金显得十分必要和迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高导电性、高温耐磨性能的铜钼合金，合金中弥散分布着摩擦组元、润滑组元和高温组元，在保证高导性的同时，组元起到减磨、抗磨作用。

本发明实现上述目的采取的技术方案是：一种高导电高耐磨的铜钼合金材料，由基体合金：Cu、摩擦组元：Al₂O₃、润滑组元：MoS₂、高温组元：Mo和铜组成，各物料的质量分数是： Al₂O₃  0.1－0.5%，MoS₂  0.1－0.5%，Mo 1－5%，其余为铜。制备的合金中Al₂O₃ 、MoS₂和Mo均匀分布于铜基体。

高导电高耐磨铜钼合金以内氧化还原制得的含Al₂O₃的Cu粉、MoS₂和Mo粉还原料，经高能球磨机械合金化、预压型、冷等静压、真空还原烧结工艺制备而成。

具体制备方法如下：

一、将质量分数为0.1－0.5%的Al₂O₃、质量分数为0.1－0.5%的MoS₂、

质量分数为1－5%的Mo和质量分数为94－98.8％的铜的粉末，按比例配好后，装入高能球磨机的不锈钢研磨罐中，混合研磨5－25h，真空操作，真空度不小于10^-2Pa，干燥氩气保护，制得混合粉体料；

二、将混合粉体料，送入压力机，预压成坯料，保压时间8－15min；

三、将预压后的坯料，送入冷等静压机中，进行压制，压力180－220MPa，保压8－20min；

四、将步骤三静压后的坯料，送入真空烧结炉内烧结，烧结温度950－1050℃，烧结时间1－2h，氢气保护，升温速度10℃/min，出炉，制得产品。

本发明的有益效果是：

1、本发明中，上述各组元的质量分数范围是在大量试验基础上确定的，实验证明在这一成分范围内的配料，能使反应平稳顺利进行，且使材料性能最佳。

2、采用本发明制备的高导电高耐磨铜钼合金，其组分可为：Al₂O₃的质量分数为0.1－0.5%，MoS₂的质量分数为0.1－0.5%，Mo的质量分数为1－5%，其余为Cu。

3、制备的高导电高耐磨铜钼合金材料性能优良：抗拉强度≥400MPa，硬度≥90HB，在高速滑动和大电流的条件下（速度大于300m/s、电流大于1kA）材料摩擦系数＜0.2，电导率≥70%IACS。制备生产过程简单、易于控制，增强颗粒大小、分布均匀。

4、本发明制备的高导电高耐磨铜钼合金材料中，Al₂O₃相起到了抗磨作用，MoS₂相起到了减磨作用，Mo相细小、均匀弥散分布于Cu基体中，既没有形成对导电性有较大负面影响的网络结构，又能充分发挥Mo相的弥散增强作用，制备的合金具有优异的物理与力学综合性能，因此本发明具有十分广阔的应用前景。

具体实施方式

一种高导电性高耐磨性的铜钼合金材料由基体合金：Cu、摩擦组元：Al₂O₃、润滑组元：MoS₂和高温组元：Mo组成。制备的合金中，Al₂O₃的质量分数为0.1－0.5%，MoS₂的质量分数为0.1－0.5%，Mo的质量分数为1－5%，其余为铜。制备的合金中Al₂O₃ 、MoS₂和Mo均匀分布于铜基体。

高导电高耐磨铜钼合金以内氧化还原制得的含Al₂O₃的Cu粉、MoS₂和Mo粉还原料，经高能球磨机械合金化、预压型、冷等静压、真空还原烧结工艺制备而成。

具体制备方法如下：

一、将质量分数为0.1－0.5%的Al₂O₃、质量分数为0.1－0.5%的MoS₂、

质量分数为1－5%的Mo和质量分数为94－98.8％的铜的粉末，按比例配好后，装入高能球磨机的不锈钢研磨罐中，混合研磨5－25h，真空操作，真空度不小于10^-2Pa，干燥氩气保护，制得混合粉体料；

二、将混合粉体料，送入压力机，预压成坯料，保压时间8－15min；

三、将预压后的坯料，送入冷等静压机中，进行压制，压力180－220MPa，保压8－20min；

四、将步骤三静压后的坯料，送入真空烧结炉内烧结，烧结温度950－1050℃，烧结时间1－2h，氢气保护，升温速度10℃/min，出炉，制得产品。

实施例1

一种高导电性高耐磨性的铜钼合金材料及其制备方法：采用的原料为：含A_l2O₃的Cu粉，MoS₂粉，纯钼粉；各组元的质量分数具体配比如下：

      Al₂O₃：    0.1%

        MoS₂：    0.1% 

Mo：      1％

其余为Cu，杂质含量＜0.1%。

将上述按比例配合好的粉末装入高能球磨机的不锈钢研磨罐中，混合运行15h，粉末混合研磨过程中，真空操作，真空度10^-2Pa，充入干燥的Ar气进行保护，转速1400r/min；

高能球磨后的混合粉体在100T压力机下预压型，保压10min；

预压型后的坯料在冷等静压机上进行压制，压力180MPa，保压10min；

在真空烧结炉内烧结，烧结温度950℃，烧结时间1.5h，真空度10^-2Pa，氢气保护，升温速度10℃/min，出炉，制得产品。

    实施例2 

本实施例制备的是高导电高耐磨铜钼合金材料，采用的原料为：含Al₂O₃的Cu粉，MoS₂粉，纯钼粉；各组元的质量分数具体配比如下：

      Al₂O₃：    0.2%

        MoS₂：    0.2% 

Mo：      2％

其余为Cu，杂质含量﹤0.1%。

将上述按比例配合好的粉末装入高能球磨机的不锈钢研磨罐中，混合运行20h，粉末混合研磨过程中，真空操作，真空度10^-3Pa，充入干燥的Ar气进行保护，转速1500r/min；

高能球磨后的混合粉体在100T压力机下预压型，保压10min；

预压型后的坯料在冷等静压机上进行压制，压力200MPa，保压10min；

在真空烧结炉内烧结，烧结温度1000℃，烧结时间2h，真空度10^-3Pa，氢气保护，升温速度10℃/min，出炉制得产品。

实施例3

本实施例制备的是高导电高耐磨铜钼合金材料，采用的原料为：含Al₂O₃的Cu粉，MoS₂粉，纯钼粉；各组元的质量分数具体配比如下：

      Al₂O₃：    0.3%

        MoS₂：    0.3% 

Mo：      3％

其余为Cu，杂质含量﹤0.1%。

将上述按比例配合好的粉末装入高能球磨机不锈钢研磨罐中，混合运行22h，粉末混合研磨过程中，真空操作，真空度10^-3Pa，充入干燥的Ar气进行保护，转速1600r/min；

高能球磨后的混合粉体在100T压力机下预压型，保压12min；

预压型后的坯料在冷等静压机上进行压制，压力200MPa，保压15min；

在真空烧结炉内烧结，烧结温度1050℃，烧结时间2h，真空度10^-3Pa，氢气保护，升温速度10℃/min，出炉，制得产品。

实施例4

本实施例制备的是高导电高耐磨铜钼合金材料，采用的原料为：含Al₂O₃的Cu粉，MoS₂粉，纯钼粉；各组元的质量分数具体配比如下：

      Al₂O₃：    0.3%

        MoS₂：    0.5% 

Mo：      5％

其余为Cu，杂质含量﹤0.1%。

将上述按比例配合好的粉末装入高能球磨机不锈钢研磨罐中，混合运行24h，粉末混合研磨过程中，真空操作，真空度10^-3Pa，充入干燥的Ar气进行保护，转速1600r/min；

高能球磨后的混合粉体在100T压力机下预压型，保压15min；

预压型后的坯料在冷等静压机上进行压制，压力220MPa，保压15min；

在真空烧结炉内烧结，烧结温度1050℃，烧结时间2h，真空度10^-3Pa，氢气保护，升温速度10℃/min，出炉，制得产品。

Claims (2)

1.一种高导电高耐磨的铜钼合金材料，由基体合金：Cu、摩擦组元：Al₂O₃、润滑组元：MoS₂、高温组元：Mo和铜组成，各物料的质量分数是： Al₂O₃  0.1－0.5%，MoS₂  0.1－0.5%，Mo 1－5%，其余为铜；制备的合金中Al₂O₃ 、MoS₂和Mo均匀分布于铜基体。

2.根据权利要求1所述的一种高导电高耐磨的铜钼合金材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

一、将质量分数为0.1－0.5%的Al₂O₃、质量分数为0.1－0.5%的MoS₂、质量分数为1－5%的Mo和质量分数为94－98.8％的铜的粉末，按比例配好后，装入高能球磨机的不锈钢研磨罐中，混合研磨5－25h，真空操作，真空度不小于10^-2Pa，干燥氩气保护，制得混合粉体料；

二、将混合粉体料，送入压力机，预压成坯料，保压时间8－15min；

三、将预压后的坯料，送入冷等静压机中，进行压制，压力180－220MPa，保压8－20min；

四、将步骤三静压后的坯料，送入真空烧结炉内烧结，烧结温度950－1050℃，烧结时间1－2h，氢气保护，升温速度10℃/min，出炉，制得产品 。