[发明专利]一种石墨和Cu-Sn金属基复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及低温、原位生成纳米石墨强化金属基复合材料的应用技术，更具体地说，涉及一种石墨/Cu-Sn金属基复合材料及制备方法。

背景技术

石墨/铜基复合材料是一种比强度高、良好的导电导热性、良好的抗电弧侵蚀和耐磨减磨性。石墨/铜基复合材料具有广泛的应用前景，尤其是在电接触材料和摩擦材料领域得到广泛应用。石墨/铜基复合材料是由分布在铜合金基体中的石墨和铜合金基体构成，其中石墨具有良好的润滑性和抗熔焊性对铜合金基体起保护作用，是一种理想的滑动减磨材料并且可以替代滑动减磨材料中常用的铅元素起到环境保护的作用。石墨/铜基复合材料的使用温度超过润滑油的使用范围，适用于高温、高真空、辐射环境、惰性或活性气体中以及海洋流体、食品加工等条件下。

然而，金属铜的金属键与石墨的共价键之间有本质性的区别。二者是固相和液相均不互溶的两相，润湿性非常差，尤其是在使用粉末冶金方法制备复合材料时铜与石墨之间仅仅是机械互锁结合，其界面结合性差、强度低严重影响了复合材料的性能。因此，必须开发出界面结合强度高、耐磨减磨性能优异的新型材料，用以替代现有的石墨/铜基复合材料。

石墨/铜基复合材料是由石墨颗粒与铜合金基体构成的复合材料。为了提高铜与石墨的浸润性，目前解决方法多为对石墨进行化学镀铜。由于铜与石墨的完全不浸润性，致使镀铜层以球型铜颗粒的形式包覆在石墨表面。球化的铜颗粒必然降低石墨与铜合金基体的表面结合性，同时浸润性的改善也是有限的。同时化学镀铜工艺复杂，能耗高，产生的废液严重污染环境。这些都是产业化生产所面临的问题。另外，机械合金化工艺也可以改善浸润性，因为在复合材料中添加合适的合金元素，可以通过改变界面张力来影响铜和石墨的浸润性。表面活性元素可以降低液态金属表面张力和液固界面能。同时，活性元素有着富集在界面的特性，并有时会直接参与界面反应或影响界面反应，从而影响不同相的浸润过程。

发明内容

本发明目的在于提供一种石墨颗粒与金属铜、锡颗粒的复合合金化的技术。所述的方法过程简便、制作工艺易于操控。所制备的石墨/Cu-Sn金属基复合粉末用于制备铜基合金/石墨复合材料，能提高复合材料耐磨减磨性能和机械性能。

本发明是通过以下技术方案加以实现的：

一种石墨/Cu-Sn金属基复合材料及其制备方法，按照下述步骤进行制备：

(1)将经过150目和200目筛分的片状石磨加入体积分数为5-25％的HF水溶液中，在恒温磁力搅拌器在50℃条件下搅拌10-30分钟进行表面处理，然后采用抽滤法用去离子水反复洗涤滤出物至滤液pH为7，在真空干燥箱内真空80℃条件下干燥12小时；

(2)将经步骤(1)干燥的片状石墨加入到浓度为5-15g/L的SnCl₂水溶液中，恒温磁力搅拌器在50℃条件下搅拌10-40分钟进行敏化处理，然后采用抽滤法用去离子水反复洗涤滤出物至滤液pH为7，在真空干燥箱内真空80℃条件下干燥12小时；

(3)将经步骤(2)敏化处理的片状石墨加入到浓度为2-4g/L的AgNO₃水溶液中，恒温磁力搅拌器在50℃条件下搅拌10-40分钟进行活化处理，然后采用抽滤法用去离子水反复洗涤滤出物至滤液pH为7，在真空干燥箱内真空80℃条件下干燥12小时；

(4)将经过敏化和活化处理的片状石墨、铜粉、锡粉和硬脂酸(助剂，即十八烷酸)装入不锈钢真空球磨罐中，再加入淬火钢球同时密封，冲入惰性气体并保持，实施球磨，待真空不锈钢球磨罐冷却至室温，即可得到石墨/Cu-Sn金属基复合材料粉末。

其中所述片状石墨为1-5质量份(优选1.00-5.00g)、铜粉30-32质量份(优选32.00g)、锡粉8-10质量份(优选8.00g)和硬脂酸0.1-0.5质量份(优选0.40g)；所述淬火钢球为200-600质量份；所述惰性气体为氮气、氩气或者氦气，保持压力为0.2MPa；

所述球磨采用行星式高能球磨机，设置参数为转速350-500rpm、球磨时间55-95h、每隔5h停机1h，以防止不锈钢真空球磨罐体过热。

以上述方法制备石墨/Cu-Sn金属基复合材料粉末的应用，用于制备石墨/铜基合金复合材料，制得的石墨/铜基合金复合材料具有良好耐磨减磨性能和机械性能。