一种钛元素改性Ti3SiC2增强铜基受电弓滑板的制备方法与流程

本发明属于耐磨复合材料制备技术领域，具体涉及一种钛元素改性ti3sic2增强铜基受电弓滑板的制备方法。

背景技术：

我国在现阶段正在大力的发展轨道交通，其中包括了高速铁路、地铁和轻轨铁路等。受电弓滑板作为轨道交通核心部件之一，对未来相关领域的发展至关重要，因此研制出新型的受电弓滑板材料的任务迫在眉睫。ti3sic2增强铜基材复合材料具有优良的导电、导热性能，又保持陶瓷的特性，处于高温状态下仍能表现出良好的刚度和塑性，拥有较好的热震稳定性；同时该材料的抗氧化性能极好，还能够保持较高的强度。在受电弓滑板材料领域具有广泛的应用潜力。

纯铜是优良的导电、导热体，有着优良的延展性，但耐磨性能较差，其力学性能较低。而陶瓷材料与之相比硬度高、耐磨性好，但仍存在着脆性大、不耐冲击、韧性低、导热导电性能差以及机加工困难等问题，这些缺点一直制约着其进一步的发展。三元层状化合物ti3sic2是一种新型陶瓷材料，它的一些性能和金属一样，导电、导热性能优良，在高温下仍能保持较好的塑性，并且具有良好的抗热震性；同时也像普通陶瓷材料一样具有较高的熔点、良好的耐腐蚀性、高屈服强度以及优秀的抗氧化性。ti3sic2兼具金属与陶瓷两者特点于一体，在受电弓滑板领域具有很大的应用前景和极大的发展潜力。

以ti3sic2陶瓷颗粒作为增强相与铜基材料进行复合，可以使铜基复合材料的力学性能和摩擦磨损性能得到明显的改善。但是，由于cu-ti3sic2复合材料在制备过程中，在高温下ti3sic2不能与cu金属元素处于平衡态，导致ti3sic2易扩散分解失效。因为分解反应的存在，对于ti3sic2增强cu基复合材料的成分组成而言，ti3sic2相体积分数很少超过30％vol。同时，ti3sic2陶瓷与铜基体的界面结合强度不高，润湿性较差。因此性能仍然达不到使用要求，限制了材料在受电弓滑板领域的推广与发展。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钛元素改性ti3sic2增强铜基受电弓滑板的制备方法，提高复合材料力学性能和抗磨损性能，保证受电弓滑板的服役使用寿命。

本发明采用以下技术方案：

一种钛元素改性ti3sic2增强铜基受电弓滑板的制备方法，采用多弧离子镀覆工艺在ti3sic2表面获得原位生成的tin镀层；然后将ti3sic2与金属粉末倒入模具，进行冷压、烧结、复压和复烧处理，冷却脱模后得到ti3sic2增强铜基受电弓滑板。

具体的，先利用蒸馏水洗涤ti3sic2粉末，然后蒸发干燥，将干燥后的ti3sic2粉末进行多弧离子镀镀覆处理。

进一步的，其特征在于，蒸发干燥的温度为80～90℃，时间为0.5～1小时。

进一步的，ti3sic2粉末的粒度为200～300目、纯度为97.5～99.5％，且形状结构不规则。

具体的，多弧离子镀覆处理的镀覆时间为0.5～1小时，镀覆气氛为氩气，气氛压强为2×10^-1～3×10^-1pa，镀覆温度为250～270℃，占空比50～60％，偏压25～35v。

具体的，将镀覆后的ti3sic2粉末与金属粉末进行球磨2～3小时，然后倒入模具里以500～700mpa压力进行冷压。

进一步的，金属粉末为制备减摩材料的铜基合金。

具体的，烧结具体为：

将烧结炉抽至真空，自室温以10～20℃/min的升温速度升温至400～450℃，然后以5～8℃/min的升温速度升温至820～850℃，在820～850℃保温1～1.5小时，然后随炉冷却。

具体的，复压处理的压力为500～600mpa。

具体的，复烧处理具体为：

将烧结炉抽至真空，自室温以10～20℃/min的升温速度升温至400～450℃，然后以5～8℃/min的升温速度升温至800～810℃，在800～810℃保温0.5～1小时，然后随炉冷却，脱模后得到受电弓滑板。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明中引入的钛元素既能在cu-ti3sic2复合材料界面处，原位形成tin相，使cu基体与ti3sic2形成冶金结合，提高复合材料的界面结合性能；又能通过tin抑制ti3sic2分解，保证ti3sic2结构完整，从而提高复合材料力学性能和抗磨损性能，保证受电弓滑板的服役使用寿命。

进一步的，通过洗涤干燥可以有效去除ti3sic2粉末表面污染物与氧化物，使钛元素沉积更加有效。多弧离子镀工艺可以高效的在ti3sic2粉末表面镀覆高纯度钛层，无杂质和其他相沉积。

进一步的，在200～300目的不规则ti3sic2粉末粒度时可以有效保证粉末能够弥散分布在铜基体当中、高纯度ti3sic2粉末保证了在烧结过程中无其他杂质生成。

进一步的，多弧离子镀覆在以上参数设定下进行镀覆，可以有效保证靶材在镀覆过程中不断弧，且保证钛镀层在ti3sic2粉末的均匀性。

进一步的，ti3sic2粉末与金属粉末球磨处理可以均匀分散粉末，使ti3sic2粉末在烧结过程呈弥散分布，冷压工艺可以直接进行坯体成型，同时防止热压过程中ti3sic2粉末分解。

进一步的，金属粉末为制备减摩材料的铜基合金可以保证高导电率，还能在摩擦过程中起到减摩作用。

进一步的，在以上烧结参数下成型，能使ti3sic2表面的钛镀层与铜基体之间原位形成tin相，有效防止ti3sic2粉末分解，还能提高界面结合强度。

进一步的，在以上复烧参数下成型，可以有效防止ti3sic2粉末分解，同时降低烧结坯体的孔隙率，提高致密度。

综上所述，本发明综上所述，可以有效防止制备过程时ti3sic2在铜基体的分解，同时提高了复合材料界面，提高了硬度，抗弯强度等力学性能和抗磨损性能，保证了使用寿命。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为多弧离子镀示意图；

图2为镀ti的cu-ti3sic2扫描电子显微镜微观组织低倍形貌；

图3为镀ti的cu-ti3sic2扫描电子显微镜微观组织高倍形貌；

图4为镀ti的cu-ti3sic2界面扫描电子显微镜微观组织高倍形貌；

图5为镀ti的cu-ti3sic2界面线扫描峰图；

图6为镀ti的cu-ti3sic2力学性能。

具体实施方式

请参阅图1，本发明提供了一种钛元素改性ti3sic2增强铜基受电弓滑板的制备方法，采用多弧离子镀覆工艺在ti3sic2表面获得原位生成的tin镀层；然后将ti3sic2与金属粉末倒入模具，进行冷压、烧结、复压和复烧处理，冷却脱模后得到ti3sic2增强铜基受电弓滑板。本发明中引入的钛元素既能在cu-ti3sic2复合材料界面处，原位形成tin相，使cu基体与ti3sic2形成冶金结合，提高复合材料的界面结合性能；又能通过tin抑制ti3sic2分解，保证ti3sic2结构完整，从而提高复合材料力学性能和抗磨损性能，保证受电弓滑板的服役使用寿命。

本发明钛元素改性ti3sic2增强铜基受电弓滑板的制备方法的具体步骤如下：

s1、先利用蒸馏水充分洗涤ti3sic2粉末，然后蒸发干燥，将干燥后的ti3sic2粉末进行多弧离子镀镀覆处理；

蒸发干燥的温度80～90℃，时间0.5～1小时。

ti3sic2粉末为粒度200～300目、纯度97.5～99.5％的不规则ti3sic2粉末；多弧离子镀是指镀覆时间为0.5～1小时，镀覆气氛为氩气，气氛压强为2～3×10^-1pa，镀覆温度为250～270℃，占空比50～60％，偏压25～35v的镀覆处理。

s2、将镀覆后的ti3sic2粉末与金属粉末进行球磨2～3小时，然后倒入模具里以500～700mpa压力进行冷压；

金属粉末为制备减摩材料的铜基合金。

s3、对冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以10～20℃/min的升温速度升温至400～450℃，然后以5～8℃/min的升温速度升温至820～850℃，在820～850℃保温1～1.5小时，然后随炉冷却；

s4、对烧结完成的坯体放入模具中以500～600mpa压力进行复压。然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以10～20℃/min的升温速度升温至400～450℃，然后以5～8℃/min的升温速度升温至800～810℃。在800～810℃保温0.5～1小时，然后随炉冷却，脱模后得到受电弓滑板。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

高速铁路受电弓滑板

1)首先，先利用蒸馏水充分洗涤ti3sic2粉末，然后在80℃下蒸发干燥1小时。将干燥后的ti3sic2粉末进行多弧离子镀镀覆处理。具体镀覆参数为镀覆时间为1小时，镀覆气氛为氩气，气氛压强为3×10^-1pa，镀覆温度为270℃，占空比60％，偏压35v。

2)将镀覆后的ti3sic2粉末与金属粉末进行球磨2小时，然后倒入模具里以700mpa压力进行冷压。

3)对冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以10℃/min的升温速度升温至400℃，然后以5℃/min的升温速度升温至820℃，在820℃保温1小时，然后随炉冷却。

4)对烧结完成的坯体放入模具中以600mpa压力进行复压。然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以10℃/min的升温速度升温至400℃，然后以5℃/min的升温速度升温至800℃。在800℃保温1小时，然后随炉冷却，脱模后得到高速铁路受电弓滑板。

实施例2

重载货运铁路受电弓滑板

1)首先，先利用蒸馏水充分洗涤ti3sic2粉末，然后在90℃下蒸发干燥0.5小时。将干燥后的ti3sic2粉末进行多弧离子镀镀覆处理。具体镀覆参数为镀覆时间为0.5小时，镀覆气氛为氩气，气氛压强为2×10^-1pa，镀覆温度为250℃，占空比50％，偏压25v。

2)将镀覆后的ti3sic2粉末与金属粉末进行球磨3小时，然后倒入模具里以500mpa压力进行冷压。

3)对冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以20℃/min的升温速度升温至450℃，然后以8℃/min的升温速度升温至850℃。在850℃保温1.5小时，然后随炉冷却。

4)对烧结完成的坯体放入模具中以500mpa压力进行复压。然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以20℃/min的升温速度升温至450℃，然后以8℃/min的升温速度升温至810℃。在810℃保温1小时，然后随炉冷却，脱模后得到重载货运受电弓滑板。

实施例3

轻轨/地铁受电弓滑板

1)首先，先利用蒸馏水充分洗涤ti3sic2粉末，然后在85℃下蒸发干燥45分钟。将干燥后的ti3sic2粉末进行多弧离子镀镀覆处理。具体镀覆参数为镀覆时间为40分钟，镀覆气氛为氩气，气氛压强为2.5×10^-1pa，镀覆温度为260℃，占空比55％，偏压30v。

2)将镀覆后的ti3sic2粉末与金属粉末进行球磨2.5小时，然后倒入模具里以600mpa压力进行冷压。

3)对冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以15℃/min的升温速度升温至420℃，然后以6℃/min的升温速度升温至830℃。在830℃保温1.2小时，然后随炉冷却。

4)对烧结完成的坯体放入模具中以550mpa压力进行复压。然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以15℃/min的升温速度升温至420℃，然后6℃/min的升温速度升温至805℃。在805℃保温40分钟，然后随炉冷却，脱模后得到轻轨/地铁受电弓滑板。

通过以上实施例中的方法制备出受电弓滑板样品，其扫描电子显微镜图像如图2、3所示，可以看到，ti3sic2颗粒分布均匀且弥散，与铜基良好结合，界面清晰，同时单个第二相颗粒完整，无破碎和分解现象；通过图4、5所示的eds线扫描示意图可以发现，相界面处曲线陡，斜率高，元素含量变化大，且第二相中cu元素含量少，基体中几乎不含si，说明扩散程度低。图6我们可以看到镀ti后受电弓滑板的抗弯性能显著增强，尤其是在第二相含量较高时，这种增强更为突出。以上这些发现均对钛元素改性ti3sic2增强铜基受电弓滑板的效果起着证明的作用，对金属基复合材料制备受电弓滑板提供了重要的依据，有助于增强性能、提高寿命的同时降低成本。

综上所述，本发明制备工艺可控性强，适用范围广泛，可在轨道交通行业中大范围推广应用，有效提高轨道交通装备的性能和使用寿命，推动我国经济建设发展。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。