專利名稱：一種玻璃/金屬復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種復合材料的制備方法，特別涉及一種玻璃/金屬銅復合材料及其制備方法。
背景技術：
目前，各種機械傳動裝置用的軸套、軸瓦、導航、滑板等有相對滑動運動的零部件，在不同的工況下使用相應的減摩、耐磨材料，常用的有銅基耐磨合金、巴氏合金等。在國內外有關文獻上也有許多自潤滑減摩材料的報導，例如1984年粉末冶金(Powder metallurgyvo I I, No 1:30-38)報導了 “粉末冶金法生產金屬玻璃復合材料”;該方法采用粉末冶金制備金屬玻璃復合材料，制備共復雜，效率低。1987年國際粉末冶金雜志(The International
Journal of Powder metallurgy Vol 23. No. 2)第 95-101 頁報導了“添加玻璃對自潤滑青銅軸承某些性能的影響”;文章介紹了把玻璃作為添加劑加入到粉末冶金青銅軸承中，討論了玻璃的加入量對軸承的強度、孔隙度、密度等性能的影響，指出隨玻璃含量的增加、強度提高、密度降低、孔隙度降低，因此含油體積也降低。上述軸承主要依靠預先浸油才能自潤滑，因軸承中必須保證含有一定數量開放性孔隙，故玻璃的加入量受到限制。因此。其抗拉強度和壓潰強度較低，不能承受重載荷，使其應用范圍受限。另外在有關專利文獻中也公開了多層復合材料，如中國專利CN1071179 “碳素纖維增強聚四氟乙烯密封材料及其制造方法” ；CN1043550 “新型復合材料渦輪”；還有美國專利US5573846、US466712、US4812367、日本專利62-75127、62-109843、62-184225、59-2839等，也報導過鋼背復合材料，但其工作表面均是以高分子聚合物為基體，再添加玻璃纖維、碳纖維、石墨粉等材料，來提高其耐磨性和強度，使之具有自潤滑性能。然而上述復合材料主要適用于低載荷、高轉速條件下工作。當工作溫度超過150°C，其磨損率急劇升高，因而其耐磨性較差，遠不能適應高溫、粉塵等惡劣工況，也不適于重載、低速條件下使用。佘直昌等，選取軟化溫度為650°C的硅酸鹽低溫玻璃粉為摩擦改進劑，采用加壓燒結方法制備含有低溫玻璃粉(LMGP)的銅基摩擦材料，研究低溫玻璃粉含量對銅基摩擦材料摩擦磨損性能的影響。結果表明少量的低溫玻璃粉有助于增強材料耐磨性，當質量分數超過6%時，材料磨損加劇；低溫玻璃粉的加入提高了材料的摩擦因數，這與摩擦初期低溫玻璃粉顆粒在摩擦表面未軟化時硬度高有關；用掃描電鏡(SEM)觀察摩擦表面可知未加低溫玻璃粉試樣主要以剝層磨損為主，而添加低溫玻璃粉試樣主要以磨粒磨損為主并伴隨著黏著磨損(佘直昌；姚萍屏；樊坤陽；丁莉；低溫玻璃粉對風電機組用銅基摩擦材料性能的影響潤滑與密封，Lubrication Engineering, 2011, (06): 12-16)。該方法所用玻璃粉含量低，高含量情況下，已經不能達到材料的使用要求。張雷等使用廢玻璃和廢鋁為原料，采用機械攪拌法制備玻璃/鋁基廢棄物復合材料，研究復合材料的耐磨性能。隨著玻璃顆粒的加入，材料的抗拉強度和硬度較基體都有所提高，尤其耐磨性能，較基體提高了 4. 62倍，已達到皮帶運輸機托輥的性能要求標準(張雷；孫可偉；廢玻璃/廢鋁耐磨復合材料的性能有色金屬，2010，(01)40-43)o該方法所用玻璃溫度低，復合物中玻璃含量低，且僅和鋁進行復合。

發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種玻璃粉加入量高，可批量生產的玻璃/金屬銅復合材料的制備方法。按照本發明制備方法制得的玻璃/金屬銅復合材料強度高，使用溫度高于600°C，耐酸性及耐堿性優良，原料價格低廉，來源豐富，制備工藝簡單，所制備的玻璃/金屬銅復合材料可作為高質量的銅金屬的代替材料及高質量的耐磨耐高溫復合材料。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是第一步玻璃粉的制備I)首先，按質量分數將50 56%的SiO2,11 14%的Al2O3,15 22%的CaO,0^5%的MgO7O ~ 10%的B2O3,0. Γ2%的Na2O, O. I 1%的Sb2O3混合均勻后，形成配合料；·2)然后，將配合料的一半加入已經升溫至1400°C的剛玉坩堝中通過10分鐘升溫至1550°C，并保溫20分鐘；再將剩余配合料再加入剛玉坩堝中，并通過10分鐘升溫至1550 1600°C，保溫60min后，將熔制好的玻璃液倒入水中水淬；3)最后，將水淬后的玻璃渣撈出，烘干球磨后過400目標準篩，既得玻璃/金屬復合材料用玻璃粉末；第二步玻璃/金屬復合材料的制備 I)首先，按照質量分數將45飛5%的玻璃粉末，55 45%的銅粉末混合均勻形成混合料；2)然后，再向混合料中加入混合料質量分數I 3%蒸餾水，并混合均勻；3)然后，將加水的混料放入密閉的容器中，室溫下放置8小時備用；4)然后，將混合料裝入模具中，于50 SOMPa的壓力下成型；5)然后，將成型的試樣放入110°C烘箱中，保溫20 48小時；6)然后，將干燥后的試樣放入馬弗爐中，按照15 20°C /h的速度升溫至900°C，保溫5 30分鐘后，隨爐冷卻至50°C以下，既得玻璃/金屬復合材料。所述的3102通過石英砂引入，純度為99.9%，粒度為150目，所述的CaO、A1203、Na2O, MgO、B203、Sb2O3分別由分析純的碳酸鈣、氫氧化鋁、碳酸鈉、碳酸鎂，硼酸、三氧化二銻引入。所述的銅粉粒度小于200目。本發明通過粉末燒結法制備玻璃/金屬銅復合材料，避免了傳統制備方法工藝復雜，時間長，玻璃含量低，所制備材料使用溫度低等缺點。本發明提供了一種玻璃粉加入量高，可批量生產的玻璃/金屬銅復合材料的制備方法。按照本發明制備方法制得的玻璃/金屬銅復合材料強度高，使用溫度高于600°C，耐酸性及耐堿性優良，原料價格低廉，來源豐富，制備工藝簡單，有利于工業化生產。所制備的玻璃/金屬銅復合材料可作為高質量的銅金屬的代替材料及高質量的耐磨耐高溫復合材料。


圖I是實施例I制備的玻璃/金屬復合材料的熱膨脹曲線圖，其中橫坐標為試樣溫度，縱坐標為試樣的伸長率。圖2是實施例I制備的玻璃/金屬復合材料試樣斷面在掃描電子顯微鏡下的照片。圖3是是實施例2制備的玻璃/金屬復合材料的熱膨脹曲線圖，其中橫坐標為試樣溫度，縱坐標為試樣的伸長率。
具體實施例方式實施例I :第一步玻璃粉的制備
I)首先，按質量分數將 54% 的 SiO2,13% 的 Al2O3, 21% 的 CaO，3% 的 MgO，7. 5% 的 B2O3,1%的Na2O, O. 5%的Sb2O3混合均勻后，形成配合料；所述的3102通過石英砂引入，純度為99.9%，粒度為150目，所述的CaO、A1203、Na2O, MgO、B203、Sb2O3分別由分析純的碳酸鈣、氫氧化鋁、碳酸鈉、碳酸鎂，硼酸、三氧化二銻引入；2)然后，將配合料的一半加入已經升溫至1400°C的剛玉坩堝中通過10分鐘升溫至1550°C，并保溫20分鐘；再將剩余配合料再加入剛玉坩堝中，并通過10分鐘升溫至15500C，保溫60min后，將熔制好的玻璃液倒入水中水淬；3)最后，將水淬后的玻璃渣撈出，烘干球磨后過400目標準篩，既得玻璃/金屬復合材料用玻璃粉末；第二步玻璃/金屬復合材料的制備I)首先，按照質量分數將50%的玻璃粉末，50%粒度小于200目的銅粉末混合均勻形成混合料；2)然后，再向混合料中加入混合料質量分數3%蒸餾水，并混合均勻；3)然后，將加水的混料放入密閉的容器中，室溫下放置8小時備用；4)然后，將混合料裝入模具中，于50MPa的壓力下成型；5)然后，將成型的試樣放入110°C烘箱中，保溫20小時；6)然后，將干燥后的試樣放入馬弗爐中，按照15°C /h的速度升溫至900°C，保溫10分鐘后，隨爐冷卻至50°C以下，既得玻璃/金屬復合材料。參見附圖1，是所制備玻璃/金屬復合材料，室溫至800°C的熱膨脹曲線圖，其中橫坐標為試樣溫度，縱坐標為試樣的伸長率。由圖I可以看出，所制備的玻璃/金屬復合材料的線膨脹系數為68. 6X10_V°C，轉變溫度為615°C。參見附圖2，是所制備玻璃/金屬復合材料試樣斷面在掃描電子顯微鏡下不同放大倍數的照片，從圖中可以看出，試樣斷面中金屬銅與玻璃粉結合緊密。實施例2，第一步玻璃粉的制備I)首先，按質量分數將 50% 的 SiO2,12% 的 Al2O3, 20% 的 CaO，5% 的 MgO，10% 的 B2O3,2%的Na20,1%的Sb2O3混合均勻后，形成配合料；所述的3102通過石英砂引入，純度為99.9%，粒度為150目，所述的CaO、A1203、Na2O, MgO、B203、Sb2O3分別由分析純的碳酸鈣、氫氧化鋁、碳酸鈉、碳酸鎂，硼酸、三氧化二銻引入；2)然后，將配合料的一半加入已經升溫至1400°C的剛玉坩堝中通過10分鐘升溫至1550°C，并保溫20分鐘；再將剩余配合料再加入剛玉坩堝中，并通過10分鐘升溫至15800C，保溫60min后，將熔制好的玻璃液倒入水中水淬；3)最后，將水淬后的玻璃渣撈出，烘干球磨后過400目標準篩，既得玻璃/金屬復合材料用玻璃粉末；第二步玻璃/金屬復合材料的制備I)首先，按照質量分數將48%的玻璃粉末，52%粒度小于200目的銅粉末混合均勻形成混合料；2)然后，再向混合料中加入混合料質量分數2%蒸餾水，并混合均勻； 3)然后，將加水的混料放入密閉的容器中，室溫下放置8小時備用；4)然后，將混合料裝入模具中，于SOMPa的壓力下成型；5)然后，將成型的試樣放入110°C烘箱中，保溫48小時；6)然后，將干燥后的試樣放入馬弗爐中，按照20°C /h的速度升溫至900°C，保溫20分鐘后，隨爐冷卻至50°C以下，既得玻璃/金屬復合材料。參見附圖3，是所制備玻璃/金屬復合材料，室溫至600°C的熱膨脹曲線圖，其中橫坐標為試樣溫度，縱坐標為試樣的伸長率。由圖3可以看出，所制備的玻璃/金屬復合材料的線膨脹系數為69. 8 X 10_7/°C。實施例3，第一步玻璃粉的制備I)首先，按質量分數將 55% 的 SiO2,14% 的 Al2O3,15% 的 CaO,4. 9% 的 MgO, 10% 的B2O3,1%的Na2O, O. 1%的Sb2O3混合均勻后，形成配合料；所述的3102通過石英砂引入，純度為99.9%，粒度為150目，所述的CaO、A1203、Na2O, MgO、B203、Sb2O3分別由分析純的碳酸鈣、氫氧化鋁、碳酸鈉、碳酸鎂，硼酸、三氧化二銻引入；2)然后，將配合料的一半加入已經升溫至1400°C的剛玉坩堝中通過10分鐘升溫至1550°C，并保溫20分鐘；再將剩余配合料再加入剛玉坩堝中，并通過10分鐘升溫至16000C，保溫60min后，將熔制好的玻璃液倒入水中水淬；3)最后，將水淬后的玻璃渣撈出，烘干球磨后過400目標準篩，既得玻璃/金屬復合材料用玻璃粉末；第二步玻璃/金屬復合材料的制備I)首先，按照質量分數將52%的玻璃粉末，48%粒度小于200目的銅粉末混合均勻形成混合料；2)然后，再向混合料中加入混合料質量分數2%蒸餾水，并混合均勻；3)然后，將加水的混料放入密閉的容器中，室溫下放置8小時備用；4)然后，將混合料裝入模具中，于70MPa的壓力下成型；5)然后，將成型的試樣放入110°C烘箱中，保溫48小時；6)然后，將干燥后的試樣放入馬弗爐中，按照18°C /h的速度升溫至900°C，保溫30分鐘后，隨爐冷卻至50°C以下，既得玻璃/金屬復合材料。實施例4，第一步玻璃粉的制備I)首先，按質量分數將 54% 的 SiO2,11% 的 Al2O3,19% 的 CaO,4. 4% 的 MgO, 10% 的B2O3,1%的Na2O, O. 6%的Sb2O3混合均勻后，形成配合料；
所述的3102通過石英砂引入，純度為99.9%，粒度為150目，所述的CaO、A1203、Na2O, MgO、B203、Sb2O3分別由分析純的碳酸鈣、氫氧化鋁、碳酸鈉、碳酸鎂，硼酸、三氧化二銻引入；2)然后，將配合料的一半加入已經升溫至1400°C的剛玉坩堝中通過10分鐘升溫至1550°C，并保溫20分鐘；再將剩余配合料再加入剛玉坩堝中，并通過10分鐘升溫至15700C，保溫60min后，將熔制好的玻璃液倒入水中水淬；3)最后，將水淬后的玻璃渣撈出，烘干球磨后過400目標準篩，既得玻璃/金屬復合材料用玻璃粉末；第二步玻璃/金屬復合材料的制備I)首先，按照質量分數將45%的玻璃粉末，55%粒度小于200目的銅粉末混合均勻形成混合料；·
2)然后，再向混合料中加入混合料質量分數1%蒸餾水，并混合均勻；3)然后，將加水的混料放入密閉的容器中，室溫下放置8小時備用；4)然后，將混合料裝入模具中，于60MPa的壓力下成型；5)然后，將成型的試樣放入110°C烘箱中，保溫30小時；6)然后，將干燥后的試樣放入馬弗爐中，按照19°C /h的速度升溫至900°C，保溫5分鐘后，隨爐冷卻至50°C以下，既得玻璃/金屬復合材料。實施例5，第一步玻璃粉的制備I)首先，按質量分數將 55% 的 SiO2,14% 的 Al2O3, 22% 的 CaO, 8% 的 B2O3,0. 1% 的Na2O, O. 9%的Sb2O3混合均勻后，形成配合料；所述的3102通過石英砂引入，純度為99.9%，粒度為150目，所述的CaO、A1203、Na2O, MgO、B203、Sb2O3分別由分析純的碳酸鈣、氫氧化鋁、碳酸鈉、碳酸鎂，硼酸、三氧化二銻引入；2)然后，將配合料的一半加入已經升溫至1400°C的剛玉坩堝中通過10分鐘升溫至1550°C，并保溫20分鐘；再將剩余配合料再加入剛玉坩堝中，并通過10分鐘升溫至15900C，保溫60min后，將熔制好的玻璃液倒入水中水淬；3)最后，將水淬后的玻璃渣撈出，烘干球磨后過400目標準篩，既得玻璃/金屬復合材料用玻璃粉末；第二步玻璃/金屬復合材料的制備I)首先，按照質量分數將55%的玻璃粉末，45%粒度小于200目的銅粉末混合均勻形成混合料；2)然后，再向混合料中加入混合料質量分數2. 5%蒸餾水，并混合均勻；3)然后，將加水的混料放入密閉的容器中，室溫下放置8小時備用；4)然后，將混合料裝入模具中，于65MPa的壓力下成型；5)然后，將成型的試樣放入110°C烘箱中，保溫40小時；6)然后，將干燥后的試樣放入馬弗爐中，按照16°C /h的速度升溫至900°C，保溫15分鐘后，隨爐冷卻至50°C以下，既得玻璃/金屬復合材料。實施例6，第一步玻璃粉的制備I)首先，按質量分數將 56% 的 SiO2,14% 的 Al2O3, 22% 的 CaO，5% 的 MgO，2% 的 Na2O,1%的Sb2O3混合均勻后,形成配合料；所述的3102通過石英砂引入，純度為99.9%，粒度為150目，所述的CaO、A1203、Na2O, MgO、B203、Sb2O3分別由分析純的碳酸鈣、氫氧化鋁、碳酸鈉、碳酸鎂，硼酸、三氧化二銻引入；2)然后，將配合料的一半加入已經升溫至1400°C的剛玉坩堝中通過10分鐘升溫至1550°C，并保溫20分鐘；再將剩余配合料再加入剛玉坩堝中，并通過10分鐘升溫至15600C，保溫60min后，將熔制好的玻璃液倒入水中水淬；3)最后，將水淬后的玻璃渣撈出，烘干球磨后過400目標準篩，既得玻璃/金屬復合材料用玻璃粉末；第二步玻璃/金屬復合材料的制備
I)首先，按照質量分數將50%的玻璃粉末，50%粒度小于200目的銅粉末混合均勻形成混合料；2)然后，再向混合料中加入混合料質量分數I. 5%蒸餾水，并混合均勻；3)然后，將加水的混料放入密閉的容器中，室溫下放置8小時備用；4)然后，將混合料裝入模具中，于75MPa的壓力下成型；5)然后，將成型的試樣放入110°C烘箱中，保溫35小時；6)然后，將干燥后的試樣放入馬弗爐中，按照17°C /h的速度升溫至900°C，保溫25分鐘后，隨爐冷卻至50°C以下，既得玻璃/金屬復合材料。本發明通過粉末燒結法制備玻璃/金屬銅復合材料，避免了傳統制備方法工藝復雜，時間長，玻璃含量低，所制備材料使用溫度低等缺點。本發明提供了一種玻璃粉加入量高，可批量生產的玻璃/金屬銅復合材料的制備方法。按照本發明制備方法制得的玻璃/金屬銅復合材料強度高，使用溫度高于600°C，耐酸性及耐堿性優良，原料價格低廉，來源豐富，制備工藝簡單，有利于工業化生產。所制備的玻璃/金屬銅復合材料可作為高質量的銅金屬的代替材料及高質量的耐磨耐高溫復合材料。
權利要求
1.一種玻璃/金屬復合材料的制備方法，其特征在于 第一步玻璃粉的制備 1)首先，按質量分數將50 56%的SiO2,11 14%的Al2O3,15 22%的Ca0，0 5%的MgO,O 10%的B2O3,0. Γ2%的Na2O, O. I 1%的Sb2O3混合均勻后，形成配合料； 2)然后，將配合料的一半加入已經升溫至1400°C的剛玉坩堝中通過10分鐘升溫至1550°C，并保溫20分鐘；再將剩余配合料再加入剛玉坩堝中，并通過10分鐘升溫至1550 16000C，保溫60min后，將熔制好的玻璃液倒入水中水淬； 3)最后，將水淬后的玻璃渣撈出，烘干球磨后過400目標準篩，既得玻璃/金屬復合材料用玻璃粉末； 第二步玻璃/金屬復合材料的制備 O首先，按照質量分數將45飛5%的玻璃粉末，55 45%的銅粉末混合均勻形成混合料； 2)然后，再向混合料中加入混合料質量分數I 3%蒸餾水，并混合均勻； 3)然后，將加水的混料放入密閉的容器中，室溫下放置8小時備用； 4)然后，將混合料裝入模具中，于50 SOMPa的壓力下成型； 5)然后，將成型的試樣放入110°C烘箱中，保溫20 48小時； 6)然后，將干燥后的試樣放入馬弗爐中，按照15 20°C/h的速度升溫至900°C，保溫5 30分鐘后，隨爐冷卻至50°C以下，既得玻璃/金屬復合材料。
2.根據權利要求I所述的玻璃/金屬復合材料，其特征在于所述的Si02通過石英砂引入，純度為99. 9%，粒度為150目，所述的CaO、Al203、Na20、Mg0、B2O3> Sb2O3分別由分析純的碳酸鈣、氫氧化鋁、碳酸鈉、碳酸鎂，硼酸、三氧化二銻引入。
3.根據權利要求I所述的玻璃/金屬復合材料，其特征在于所述的銅粉粒度小于200目。
全文摘要
一種玻璃/金屬復合材料及其制備方法，首先，按照質量分數將50~56%的SiO2，11～14%的Al2O3，15~22%的CaO，0~5%的MgO，0～10%的B2O3，0.1~2%的Na2O，0.1～1%的Sb2O35混合均勻后，形成配合料后經過熔制、水淬后成玻璃粉。然后，按照質量分數將45~55%的玻璃粉末，55～45%的銅粉末成型燒結后即制備出玻璃/金屬復合材料。本發明避免了傳統制備方法工藝復雜，時間長，玻璃含量低，所制備材料使用溫度低等缺點。按照本發明制備方法制得的玻璃/金屬銅復合材料強度高，使用溫度高于600℃，耐酸性及耐堿性優良，原料價格低廉，來源豐富，制備工藝簡單，有利于工業化生產。所制備的玻璃/金屬銅復合材料可作為高質量的銅金屬的代替材料及高質量的耐磨耐高溫復合材料。
文檔編號C22C32/00GK102912163SQ201210409089
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月23日 優先權日2012年10月23日
發明者郭宏偉, 劉新年, 劉盼, 王順逆, 高檔妮, 張文亮, 段國杰, 蔡曉正 申請人:陜西科技大學