本發(fā)明涉及一種在常溫尤其是高溫下使用的耐磨材料的制備方法，具體涉及一種高耐磨的梯度結(jié)構(gòu)碳化物復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
：鎢銅合金是由高熔點、高硬度的鎢和高導(dǎo)電、導(dǎo)熱率的銅所構(gòu)成的假合金。具有良好的耐電弧侵蝕性、抗熔焊性和高強度、高硬度、減磨耐磨性等優(yōu)點，被廣泛地用做中、高壓開關(guān)中的電接觸材料；航空航天器件的耐高溫材料；高性能電極材料。然而，磨損作為工程構(gòu)件的主要失效形式之一，越來越受到人們的關(guān)注。鎢銅合金因其特殊的性能，近年來逐漸被人們用作耐磨件，比如電視機生產(chǎn)線上的導(dǎo)軌，型材生產(chǎn)線上的導(dǎo)衛(wèi)材料、高鐵上的電弓材料等。這是因為工作溫度高達(dá)上千度的導(dǎo)衛(wèi)件，只有高熔點的材料才能不會因高溫軟化而失效；另一方面是導(dǎo)衛(wèi)材料的摩擦系數(shù)大，軋件與導(dǎo)衛(wèi)材料發(fā)生相對運動，會產(chǎn)生摩擦磨損，若摩擦系數(shù)太大將大大損耗導(dǎo)衛(wèi)板和軋件。鎢銅基導(dǎo)衛(wèi)材料基體中鎢的熔點為3410℃，該復(fù)合材料在高溫下仍然能保持其高強硬度的特點，不易發(fā)生粘著；而低熔點的銅在高溫條件下，軟化后使合金表面能形成一層潤滑膜，降低摩擦系數(shù)，銅鎢基復(fù)合材料還具有較好的導(dǎo)熱性，能快速使導(dǎo)衛(wèi)板溫度降低可大大降低導(dǎo)衛(wèi)工作時的溫度，從而對導(dǎo)衛(wèi)板起到了保護作用，延長了導(dǎo)衛(wèi)的使用壽命。在常溫下使用的導(dǎo)軌則因鎢銅高的硬度、抗氧化性、耐腐蝕、摩擦系數(shù)低等特點而作為耐磨件的首選。傳統(tǒng)鎢銅合金的耐磨性差，特別是在室溫和高溫下耐磨性更差?，F(xiàn)有的鎢銅合金材料用作高溫耐磨件的壽命較短，從而會影響與其相互接觸件的服役狀況。為進(jìn)一步提高鎢銅復(fù)合材料的表面硬度和耐磨性，本發(fā)明介紹一種高耐磨性鎢銅復(fù)合材料制備方法。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種高耐磨的梯度結(jié)構(gòu)碳化物復(fù)合材料的制備方法。本方法所制備的一種高耐磨的梯度結(jié)構(gòu)碳化物復(fù)合材料，能夠作為溫度不超過1000℃服役條件下的耐磨件。本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種高耐磨的梯度結(jié)構(gòu)碳化物復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟：①機械混合：將鎢粉、碳化鎢粉、銅粉、鎳粉和溶劑有機機械混合；②壓制成型：將機械混合后的物料壓制成型成壓坯；③熔滲燒結(jié)：然后將壓坯采用熔滲銅燒結(jié)制備鎢銅復(fù)合材料；④滲碳：將經(jīng)步驟③制成的鎢銅復(fù)合材料置于滲碳爐中進(jìn)行滲碳，得到表面是滲碳層、內(nèi)部是各個組成相均勻分布的具有高耐磨性的復(fù)合材料；其中，所述的鎢粉、碳化鎢粉、銅粉及鎳粉的質(zhì)量比為74-76:4-6:4-6:0.1-0.3，所述的有機溶劑的量按照每千克鎢粉、碳化鎢粉、銅粉及鎳粉制成的混合粉料加5-10毫升的溶劑。進(jìn)一步地，所述的高耐磨的梯度結(jié)構(gòu)碳化物復(fù)合材料的制備方法，還包括步驟⑤噴砂：將經(jīng)步驟④滲碳后的復(fù)合材料置于固體噴砂機中進(jìn)行噴砂，用來去除表面粘附的炭黑，噴砂的沖擊速度為10～20米/秒，噴砂所用的砂粒不大于200目。通過步驟⑤噴砂能使本發(fā)明的復(fù)合材料具有更高的耐磨性。進(jìn)一步地，具體操作時，為了使?jié)B碳更加均勻，在滲碳前去除掉零件表面多余的覆銅。將步驟4溶滲好的復(fù)合材料表面多余的覆銅通過車削(回轉(zhuǎn)體的材料)或銑削(方形的材料)去掉。進(jìn)一步地，所述的①機械混合為：將鎢粉、碳化鎢粉、銅粉及鎳粉與溶劑(優(yōu)選汽油)共同攪拌混合2～3小時，然后過40目的篩網(wǎng)放置1～2小時，所述的有機溶劑的量按照每千克鎢粉、碳化鎢粉、銅粉及鎳粉制成的混合粉料加5-10毫升的溶劑。為了使鎢銅復(fù)合材料內(nèi)部的各個相更加均勻，所述的鎢粉的粒徑為4～6μm，碳化鎢粉的粒徑為6～10μm，銅粉的粒徑為50～80μm，鎳粉的粒徑為1～5μm。進(jìn)一步地，所述的②壓制成型步驟為：根據(jù)所加工產(chǎn)品的尺寸即產(chǎn)品的體積和壓坯的密度，計算所需要的壓坯的質(zhì)量，即(壓坯的質(zhì)量＝壓坯的密度*零件的體積)，然后稱取壓坯的質(zhì)量相同的混合粉裝入鋼制模具中，以6～8噸/厘米2的壓力壓制成型，再將壓坯從模具中以小于30％的壓制壓力脫出。進(jìn)一步地，所述的壓坯的密度是理論密度的85％，即13～13.2克/立方厘米。進(jìn)一步地，所述的③熔滲銅燒結(jié)包括：將步驟②壓制成型的壓坯放入石墨舟中，然后將石墨舟放入在高溫保護氣氛燒結(jié)爐內(nèi)熔滲銅燒結(jié)，溶滲的銅的質(zhì)量是壓坯質(zhì)量的17％；燒結(jié)時，在石墨舟上面設(shè)置用來滲銅的銅坯塊，周圍設(shè)置高純氧化鋁填料；燒結(jié)時，控制保護氣氛流量為0.3～0.6立方米每小時，溫度為1400℃～1460℃，燒結(jié)時間為2～2.5小時。進(jìn)一步地，所述的銅坯塊為用純銅粉壓制而成的銅棒或現(xiàn)有的純銅棒，高純氧化鋁填料的目數(shù)為80～100目，所述的保護氣氛為氫氣或氦氣。進(jìn)一步地，所述的④滲碳包括：將步驟③熔滲銅燒結(jié)后的坯料放在含有滲碳劑的滲碳爐中，加熱到950～980℃，保溫12～24小時進(jìn)行滲碳，等滲碳結(jié)束后，隨爐冷卻到室溫，再去掉滲碳劑。所述的滲碳劑為液體滲碳劑或固體滲碳劑，液體滲碳劑的用量按照每分鐘2～5毫升，所述的固體滲碳劑的用量按照每千克鎢粉、碳化鎢粉、銅粉及鎳粉混合粉加200克固體滲碳劑，所述的有機溶劑為汽油、酒精或丙酮。所述液體滲碳劑優(yōu)選煤油或甲烷，所述固體滲碳劑優(yōu)選尿素。較之現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：滲碳后在鎢銅合金的表面有存在一層硬度較高的碳化鎢耐磨層，另外，熔滲的低熔點銅在高溫摩擦磨損時自身的揮發(fā)也會帶走大量的熱量，從而提高該材料的抗磨損性能并可以延長使用壽命。同時，本發(fā)明也有利于提高材料的表面強度，與心部的較軟基體配合，能夠充分發(fā)揮該材料的綜合強韌性，用在軍工和特殊服役條件下。通過高溫滲碳和添加硬質(zhì)相碳化鎢，不僅表面得到強化，心部也有一定的硬度提高，更重要的是心部與表面的強韌性得到一個較為理想的配合，從而發(fā)揮材料的最佳性能。附圖說明圖1為相同載荷相同速度不同溫度下梯度結(jié)構(gòu)碳化物復(fù)合材料的摩擦磨損表面形貌。具體實施方式(一)具體實施方式一種高耐磨的梯度結(jié)構(gòu)碳化物復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟：①機械混合：將鎢粉、碳化鎢粉、銅粉、鎳粉和有機溶劑機械混合；②壓制成型：將機械混合后的物料壓制成型成壓坯；③熔滲燒結(jié)：然后將壓坯采用熔滲銅燒結(jié)制備鎢銅復(fù)合材料；④滲碳：將經(jīng)步驟③制成的鎢銅復(fù)合材料置于滲碳爐中進(jìn)行滲碳，得到表面是滲碳層、內(nèi)部是各個組成相均勻分布的具有高耐磨性的復(fù)合材料；其中，所述的鎢粉、碳化鎢粉、銅粉及鎳粉的質(zhì)量比優(yōu)選為74-76:4-6:4-6:0.1-0.3，也可以是在這比例附近的其它比例，所述的有機溶劑的量按照每千克鎢粉、碳化鎢粉、銅粉及鎳粉制成的混合粉料優(yōu)選加5-10毫升的溶劑。進(jìn)一步地，所述的高耐磨的梯度結(jié)構(gòu)碳化物復(fù)合材料的制備方法，還包括步驟⑤噴砂：將經(jīng)步驟④滲碳后的復(fù)合材料置于固體噴砂機中進(jìn)行噴砂，用來去除表面粘附的炭黑，噴砂的沖擊速度優(yōu)選為10～20米/秒，噴砂所用的砂粒優(yōu)選為不大于200目。通過步驟⑤噴砂能使本發(fā)明的復(fù)合材料具有更高的耐磨性。進(jìn)一步地，具體操作時，為了使?jié)B碳更加均勻，在滲碳前去除掉零件表面多余的覆銅。將步驟4溶滲好的復(fù)合材料表面多余的覆銅通過車削(回轉(zhuǎn)體的材料)或銑削(方形的材料)去掉。進(jìn)一步地，所述的①機械混合為：將鎢粉、碳化鎢粉、銅粉及鎳粉與溶劑(優(yōu)選汽油)共同攪拌混合2～3小時，然后過40目的篩網(wǎng)放置1～2小時。為了使鎢銅復(fù)合材料內(nèi)部的各個相更加均勻，所述的鎢粉的粒徑為4～6μm，碳化鎢粉的粒徑為6～10μm，銅粉的粒徑為50～80μm，鎳粉的粒徑為1～5μm。進(jìn)一步地，所述的②壓制成型步驟為：根據(jù)所加工產(chǎn)品的尺寸即產(chǎn)品的體積和壓坯的密度，計算所需要的壓坯的質(zhì)量，即(壓坯的質(zhì)量＝壓坯的密度*零件的體積)，然后稱取壓坯的質(zhì)量相同的混合粉裝入鋼制模具中，以6～8噸/厘米2的壓力壓制成型，再將壓坯從模具中以小于30％的壓制壓力脫出。進(jìn)一步地，所述的壓坯的密度是理論密度的85％，即13～13.2克/立方厘米。進(jìn)一步地，所述的③熔滲銅燒結(jié)包括：將步驟②壓制成型的壓坯放入石墨舟中，然后將石墨舟放入在高溫保護氣氛燒結(jié)爐內(nèi)熔滲銅燒結(jié)，溶滲的銅的質(zhì)量是壓坯質(zhì)量的17％；燒結(jié)時，在石墨舟上面設(shè)置用來滲銅的銅坯塊，周圍設(shè)置高純氧化鋁填料；燒結(jié)時，控制保護氣氛流量為0.3～0.6立方米每小時，溫度為1400℃～1460℃，燒結(jié)時間為2～2.5小時。進(jìn)一步地，所述的銅坯塊為用純銅粉壓制而成的銅棒或現(xiàn)有的純銅棒，高純氧化鋁填料的目數(shù)為80～100目，所述的保護氣氛為氫氣或氦氣。進(jìn)一步地，所述的④滲碳包括：將步驟③熔滲銅燒結(jié)后的坯料放在含有滲碳劑的滲碳爐中，加熱到950～980℃，保溫12～24小時進(jìn)行滲碳，等滲碳結(jié)束后，隨爐冷卻到室溫，再去掉滲碳劑。所述的滲碳劑為液體滲碳劑或固體滲碳劑，液體滲碳劑的用量按照每分鐘2～5毫升，所述的固體滲碳劑的用量按照每千克鎢粉、碳化鎢粉、銅粉及鎳粉混合粉加200克固體滲碳劑。所述液體滲碳劑優(yōu)選煤油或甲烷，所述固體滲碳劑優(yōu)選尿素，所述的有機溶劑為汽油、酒精或丙酮。(二)具體實施例實施例1(制備Φ30×50mm的鎢銅耐磨棒)步驟1.機械混合選取鎢粉的粒徑為4～6μm，碳化鎢粉的粒徑為6～10μm，銅粉的粒徑為50～80μm，鎳粉的粒徑為1～5μm，四種原料的質(zhì)量比分別是75:5:5:0.2，加入5％(每公斤混合粉料約5毫升)的溶劑汽油，共同攪拌混合2小時，然后過40目的篩網(wǎng)放置1小時。步驟2.計算稱料量根據(jù)所加工零件的尺寸，計算體積V，該零件的體積是35.3立方厘米，壓坯的密度是理論密度的85％，即13～13.2克/立方厘米。這樣得到的壓坯質(zhì)量是13V克,即459克。步驟3.壓制成型按照步驟2計算的量，稱取步驟1的混合粉裝入內(nèi)徑為30毫米，高為140毫米鋼制圓形模具中，以50噸的壓力壓制成型，再將壓坯從模具中以小于15噸的壓制壓力脫出。步驟4.熔滲燒結(jié)將步驟3的壓坯放入石墨舟中，上面放置需要滲銅的坯塊(該坯塊可以用純銅粉壓制或截取純銅棒)，周圍加80～100目的高純氧化鋁填料。在高溫保護氫氣氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，氣氛流量在0.3～0.6立方米每小時，控制溫度1400℃℃，保溫2～2.5小時進(jìn)行熔滲燒結(jié)成型。溶滲的銅量是壓坯質(zhì)量的17％，即為81克。步驟5.機械加工將步驟4溶滲好的復(fù)合材料表面多余的覆銅通過車削去掉。步驟6.高溫滲碳將步驟5加工好的零件放在滲碳爐中，加熱到950℃，用煤油或甲烷(液體滲碳劑的用量是每分鐘2～5毫升)或尿素(固體滲碳劑是每公斤原料200克)作為滲碳劑，保溫12小時進(jìn)行滲碳。等滲碳結(jié)束后，隨爐冷卻到室溫，再去掉滲碳劑。步驟7.表面噴砂將步驟6滲碳后的鎢銅復(fù)合材料，在固體噴砂機中進(jìn)行噴砂，所用砂粒不大于200目，沖擊速度在10米/秒，去除表面粘附的炭黑，即為所得的高耐磨性鎢銅圓柱棒材。實施例2(制備尺寸為20×10×100mm的鎢銅耐磨板)步驟1.機械混合選取鎢粉的粒徑為4～6μm，碳化鎢粉的粒徑為6～10μm，銅粉的粒徑為50～80μm，鎳粉的粒徑為1～5μm，四種原料的質(zhì)量比分別是74:4:4:0.1，加入5％(每公斤混合粉料約10毫升)的溶劑酒精，共同攪拌混合2小時，然后過40目的篩網(wǎng)放置1.5小時。步驟2.計算稱料量根據(jù)所加工零件的尺寸，計算體積V，該零件的體積是20立方厘米，壓坯的密度是理論密度的85％，即13～13.2克/立方厘米。這樣得到的壓坯質(zhì)量是13V克,即260克。步驟3.壓制成型按照步驟2計算的量，稱取步驟1的混合粉裝入內(nèi)腔尺寸長100毫米、寬20毫米、高40毫米鋼制方形模具中，以120噸的壓力壓制成型，再將壓坯從模具中以小于30噸的壓制壓力脫出。步驟4.熔滲燒結(jié)將步驟3的壓坯放入石墨舟中，上面放置需要滲銅的坯塊(該坯塊可以用純銅粉壓制或截取純銅棒)，周圍加80～100目的高純氧化鋁填料。在高溫保護氫氣氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，氣氛流量在0.3～0.6立方米每小時，控制溫度1400℃，保溫2.5小時進(jìn)行熔滲燒結(jié)成型。溶滲的銅量是壓坯質(zhì)量的17％，即為44克。步驟5.機械加工將步驟4溶滲好的復(fù)合材料表面多余的覆銅通過銑床去掉。步驟6.高溫滲碳將步驟5加工好的零件放在滲碳爐中，加熱到970℃，用煤油或甲烷(液體滲碳劑的用量是每分鐘2～5毫升)或尿素(固體滲碳劑是每公斤原料200克)作為滲碳劑，保溫20小時進(jìn)行滲碳。等滲碳結(jié)束后，隨爐冷卻到室溫，再去掉滲碳劑。步驟7.表面噴砂將步驟6滲碳后的鎢銅復(fù)合材料，在固體噴砂機中進(jìn)行噴砂，所用砂粒不大于200目，沖擊速度在15米/秒，去除表面粘附的炭黑，即為所得的高耐磨性鎢銅板材。實施例3(制備Φ40×120mm的鎢銅耐磨棒)步驟1.機械混合選取鎢粉的粒徑為4～6μm，碳化鎢粉的粒徑為6～10μm，銅粉的粒徑為50～80μm，鎳粉的粒徑為1～5μm，四種原料的質(zhì)量比分別是76:6:6:0.6，加入5％(每公斤混合粉料約5毫升)的溶劑丙酮，共同攪拌混合2小時，然后過40目的篩網(wǎng)放置2小時。步驟2.計算稱料量根據(jù)所加工零件的尺寸，計算體積V，該零件的體積是150立方厘米，壓坯的密度是理論密度的85％，即13～13.2克/立方厘米。這樣得到的壓坯質(zhì)量是13V克,即1959克。步驟3.壓制成型按照步驟2計算的量，稱取步驟1的混合粉裝入內(nèi)徑為40毫米，長為120毫米“U型”鋼制模具中(該零件需要躺著成型)，以500噸的壓力壓制成型，再將壓坯從模具中以小于100噸的壓制壓力脫出。步驟4.熔滲燒結(jié)將步驟3的壓坯放入石墨舟中，上面放置需要滲銅的坯塊(該坯塊可以用純銅粉壓制或截取純銅棒)，周圍加80～100目的高純氧化鋁填料。在高溫保護氫氣氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，氣氛流量在0.3～0.6立方米每小時，控制溫度1460℃，保溫2.5小時進(jìn)行熔滲燒結(jié)成型。溶滲的銅量是壓坯質(zhì)量的17％，即為333克。步驟5.機械加工將步驟4溶滲好的復(fù)合材料表面多余的覆銅通過車削去掉。同時通過車床對該棒材進(jìn)行整形(車削加工)，得到較為規(guī)整的圓柱形棒材。步驟6.高溫滲碳將步驟5加工好的零件放在滲碳爐中，加熱到980℃，用煤油或甲烷(液體滲碳劑的用量是每分鐘2～5毫升)或尿素(固體滲碳劑是每公斤原料200克)作為滲碳劑，保溫24小時進(jìn)行滲碳。等滲碳結(jié)束后，隨爐冷卻到室溫，再去掉滲碳劑。步驟7.表面噴砂將步驟6滲碳后的鎢銅復(fù)合材料，在固體噴砂機中進(jìn)行噴砂，所用砂粒不大于200目，沖擊速度在20米/秒，去除表面粘附的炭黑，即為所得的高耐磨性鎢銅圓柱棒材。上述實施例的高耐磨性鎢銅復(fù)合材料表面硬度(HRc)、內(nèi)部硬度(HRc)、摩擦系數(shù)(室溫、高溫)和室溫磨損速率(mg/h)的性能如表1所示。表1高耐磨鎢銅復(fù)合材料的性能性能指標(biāo)實施例1實施例2實施例3表面硬度(HRc)565254內(nèi)部硬度(HRc)504849摩擦系數(shù)(室溫、高溫)0.600.210.42室溫磨損速率(mg/h)4.113.332.75如圖1所示的是相同載荷相同速度不同溫度下梯度結(jié)構(gòu)碳化物復(fù)合材料的摩擦磨損表面形貌，其中(a)、(b)、(c)和(d)分別在25℃、300℃、500℃和700℃下的摩擦磨損表面形貌，根據(jù)摩擦磨損的形貌可以判斷它的磨損機制主要是粘著磨損、接觸疲勞和氧化磨損。當(dāng)前第1頁1 2 3