一种Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于铜基复合材料制备
技术领域
，具体涉及一种Ni掺杂Ti3SiC2/Cu 复合材料及其制备方法和应用。背景技术
道岔是铁路线路的重要部件，与曲线、接头并称为轨道的三大薄弱环节，其正常运转是行车安全的基本保证。道岔具有数量多、构造复杂、使用寿命短、限制列车速度、行车安全性低、养护维修投入大等诸多特点。根据我国铁路管理办法，道岔转换部分的维护工作由车站负责，由于道岔布置在车站两端，相距较远，在日常维护中，为保证道岔的正常转换，车站需要安排专人定期进行道岔涂油养护，以减小道岔尖轨的转换阻力。然而，这种方法虽然能起到减摩润滑的目的，却有较为明显的缺陷：气候的变化如雨、雪会使润滑油乳化变质，而烈日暴晒会使润滑油黏度降低而流失，同时列车运输货物的散漏与铁道上难免的尘土、沙粒、煤粉等杂物与润滑油掺和在一起，致使转换阻力增加，道岔转换不良。涂油作业不仅污染了环境，造成了大量人力、物力浪费，而且随着列车速度的提高和行车密度的增加还会对道岔维护人员的人身安全造成很大的威胁。滑床台板是道岔的重要组成部分，它在整个尖轨长度范围内起到承托尖轨和扣压基本轨的作用。它的润滑状态好坏直接影响道岔的运行可靠性，关系到行车安全。在尖轨转换时，尖轨和滑床板的摩擦力是道岔转换力的主要组成部分，设法减小这种摩擦力是减小道岔转换力、提高道岔可靠性及列车安全性的有效方法。而对于大号码的高速道岔与长尖轨来说，更需要减小尖轨和滑床板的摩擦力。因此，鉴于目前我国的高速铁路正在蓬勃发展，研制具有自润滑的新型道岔滑床台板材料非常有必要。
目前我国铁路道岔使用的滑床板主要是由Q235钢制造的焊接件，通过电镀硬铬等表面处理工艺进行强化，但仍然需要对滑床板涂刷稀油或者涂料进行减摩、抗磨和防腐进行防护。以最普通的AT尖轨道岔为例，在无行车的情况下，滑床板主要承受尖轨的压力和转换时的摩擦力。铁路干线上每天要通过几十对列车，当列车通过时，滑床板主要承受尖轨的压力和巨大的冲击力，尖轨的压力一般不超过0.5kN。尖轨转换时的最大转换力为10kN，一般不会超过6kN。在厂矿煤场、货运车站咽喉道岔以及汽运生产交汇的工业区域，由于在煤炭加工、周转、汽运过程中，扬尘煤灰及列车上散落物多且线路下沉，粉尘与润滑涂油结淤积泥，使道岔滑床板受到严重污染和侵蚀。这种污染和侵蚀会导致道岔的转动阻力增加，电动转辙机使用寿命与普通轨道环境相比少1～2年。因润滑故障问题导致道岔停用、中断行车作业的事件时有发生，道岔护维修问题十分突出。所以，在以上的工况条件下更需要一种减摩、抗磨、防腐性能优良的道岔滑床台板材料。
发明内容
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Ni 掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料及其制备方法和应用，通过机械方式固定在Q235钢板表面并形成嵌入式自润滑层，在服役时发挥优良的减摩、抗磨、防腐性能。
本发明采用以下技术方案：
一种Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料得制备方法，包括以下步骤：
S1、将Ti3SiC2粉末、Ni粉和Cu粉混合后进行球磨处理；
S2、将球磨处理好的粉末装入模具中进行冷压和无压烧结处理，获得Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料，Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料中Ti3SiC2的含量为10Vol.％～30Vol.％。
具体的，步骤S1中，Ti3SiC2粉末、Ni粉和Cu粉的成分比例为：Ti3SiC2粉末成分为10Vol.％～30Vol.％，Ni粉的成分为8Vol.％～10Vol.％，Cu粉的成分为 60Vol.％～82Vol.％。
具体的，步骤S1中，Ti3SiC2粉末的粒度为200～325目，纯度为97.5％～99.0％； Ni粉的粒度为100～200目，纯度为98.5％～99.9％；Cu粉的粒度为100～200目，纯度为98.5％～99.9％。
进一步的，Ti3SiC2粉末的形状结构为不规则形，Ni粉为水雾化球形粉，Cu 粉为水雾化球形粉。
具体的，步骤S1中，球磨处理的时间为3～4小时，球磨处理的速度为 200～250rpm。
具体的，步骤S2中，模具为尺寸20mm×20mm×5mm～80mm×80mm× 10mm的长方体模具。
具体的，步骤S2中，冷压处理的载荷为400～800MPa，保载时间为180～240 秒。
具体的，步骤S2中，无压烧结处理中，将温度从室温至500℃时，升温速度 10～12℃/min，烧结温度为800～1000℃，保温时间为2～2.5小时。
本发明的另一技术方案是，Ti3SiC2/Cu复合材料的硬度为107.5～165.6HV，抗弯强度为72.6～235.6MPa。
本发明的另一技术方案是，制备的Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料在道岔滑床台板中的应用。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料及其制备方法，经球磨、冷压、无压烧结参数下成型，不但能够保证少量Ti3SiC2颗粒分解成TiC，以此提高力学、耐蚀和耐磨性能，而且还能防止大量Ti3SiC2颗粒发生分解，保证Ti3SiC2颗粒起到自润滑作用，滑床台板服役工况下材料的摩擦系数可降低至0.2以下，材料抗弯强度达到235.6MPa，显微维氏硬度达到165.6HV，使材料的服役性能和服役寿命大大提升。
进一步的，Ti3SiC2粉末、Ni粉和Cu粉的成分比例为：Ti3SiC2粉末成分为 10Vol.％～30Vol.％，Ni粉的成分为8Vol.％～10Vol.％，Cu粉的成分为 60Vol.％～82Vol.％，有效提高耐蚀和耐磨性能，延长材料服役寿命。
进一步的，Ti3SiC2粉末的粒度为200～325目，纯度为97.5％～99.0％；Ni粉的粒度为100～200目，纯度为98.5％～99.9％；Cu粉的粒度为100～200目，纯度为98.5％～99.9％，可以保证杂质降低到最小程度，使晶界和相界无有害相析出，进一步提升材料性能。
进一步的，Ti3SiC2粉末的形状结构为不规则形，Ni粉为水雾化球形粉，Cu 粉为水雾化球形粉，可以保证在球磨过程中陶瓷颗粒与金属粉末能充分混合均匀。
进一步的，球磨处理的时间为3～4小时，球磨处理的速度为200～250rpm，可以保证陶瓷颗粒与金属粉末能充分混合均匀，且在后续烧结过程中降低孔隙、烧不足等缺陷。
进一步的，模具为尺寸20mm×20mm×5mm至80mm×80mm×10mm的长方体模具，可以保证小试样工件和大试样工件。
进一步的，冷压处理的载荷为400～800MPa，保载时间为180～240秒，可以保证工件尺寸精度，以及降低烧结缺陷产生，避免应力过大产生的试样件炸裂。
进一步的，无压烧结处理中，将温度从室温至500℃时，升温速度10～12℃ /min，烧结温度为800～1000℃，保温时间为2～2.5小时，可以保证无因为烧结升温速率过快导致的试样件炸裂、分层、偏析、变形等缺陷，降低组织中的孔隙，使Ni元素充分掺杂进入至组织中。
Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料在道岔滑床台板中的应用，通过利用Ni掺杂 Ti3SiC2/Cu复合材料制备成自润滑层，通过机械方式固定在Q235钢板上，最终获得新型铜基自润滑铁路道岔滑床台板，该滑床台板在干摩擦条件下具有良好的减摩、耐磨、耐蚀性能且无须人工养护，以替代目前依靠涂油润滑的传统滑床台板，以此保证运输的安全，降低铁路运营成本，适应未来铁路发展需求，具有广阔的应用前景。
综上所述，本发明，针对目前现有道岔滑床台板的不足，该材料可以通过机械方式固定在Q235钢板表面并形成嵌入式自润滑层，在服役时发挥优良的减摩、抗磨、防腐性能，具有广泛的应用市场。
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Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料的无压烧结温度曲线图；
图2为Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料的扫描电子显微镜微观组织低倍形貌图；
图3为Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料的扫描电子显微镜微观组织高倍形貌图；
图4为Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料的微观组织面扫描区域高倍形貌图；
图5为Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料的面扫描谱图。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料及其制备方法，采用无压烧结粉末冶金技术工艺结合Ni掺杂成分特点，根据可用于嵌入式的道岔滑床台板材料服役工况特征，设计成分为20Vol.％～25Vol.％Ti3SiC2含量的Ti3SiC2/Cu复合材料。该材料依靠Ti3SiC2颗粒可实现自润滑功能，通过Ni元素的掺杂不但提高了材料的硬度和抗弯强度等力学性能，而且提高了材料的耐蚀与耐磨性能，通过配粉、球磨、冷压、无压烧结等步骤后，获得可用于道岔滑床台板的Ni掺杂 Ti3SiC2/Cu复合材料。本材料可以通过机械方式固定在Q235钢板表面并形成嵌入式自润滑层，在服役时发挥优良的减摩、抗磨、防腐性能，具有广泛的应用市场。
本发明一种Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料及其制备方法，包括以下步骤：
S1、将Ti3SiC2粉末、Ni粉和Cu粉按一定成分比例进行配粉，并倒入球磨罐中进行球磨；
Ti3SiC2粉末、Ni粉和Cu粉的成分比例为：Ti3SiC2粉末成分为 10Vol.％～30Vol.％，Ni粉的成分为8Vol.％～10Vol.％，Cu粉的成分为 60Vol.％～82Vol.％。
Ti3SiC2粉末的粒度为200～325目、纯度为97.5％～99.0％，且形状结构不规则；Ni粉的粒度为100～200目、纯度为98.5％～99.9％，水雾化球形粉；Cu粉的粒度为100～200目、纯度为98.5％～99.9％，水雾化球形粉。
球磨参数为球磨时间为3～4小时，球磨速度为200～250rpm。
S2、将球磨好、分散均匀的粉末装入特定模具中，进行冷压和无压烧结处理，然后即可获得可用于道岔滑床台板的Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料。
其中，采用尺寸为20mm×20mm×5mm至80mm×80mm×10mm的长方体模具。
冷压参数为载荷400～800MPa，保载时间为180～240秒。
请参阅图1，无压烧结具体参数为室温至500℃时，升温速度10～12℃/min，烧结温度800～1000℃，保温时间为2～2.5小时。
Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料相比于传统的Ti3SiC2增强铜基复合材料的力学性能得到了提高。材料成分中的Ti3SiC2增强相有较高的硬度以及对基体起到弥散强化作用，同时少量Ti3SiC2可以分解形成硬度更高的TiC，有效形成第二相强化，此外Ni元素的掺杂使材料产生固溶强化，显著提高材料的强度和硬度。其中，Ti3SiC2含量为10Vol.％和30Vol.％的Ti3SiC2/Cu复合材料的硬度分别为 107.5HV和165.6HV。此外，Ni元素的掺杂对Ti3SiC2/Cu复合材料的抗弯强度也有明显的提高，当Ti3AlC2含量为10Vol.％和30Vol.％时，掺杂Ni元素后复合材料的抗弯强度从201.8MPa和68.5MPa分别提高至235.6MPa和72.6MPa。
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
磁悬浮道岔滑床台板
1)将30Vol.％的Ti3SiC2粉末、10Vol.％的Ni粉和60Vol.％的Cu粉混合，并倒入球磨罐中进行球磨。
Ti3SiC2粉末的粒度为325目、纯度为99.0％，且形状结构不规则；Ni粉的粒度为200目、纯度为99.9％，水雾化球形粉；Cu粉的粒度为200目、纯度为99.9％，水雾化球形粉。球磨参数为球磨时间为4小时，球磨速度为250rpm。
2)将球磨好、分散均匀的粉末装入特定模具中，进行冷压和无压烧结处理，然后即可获得可用于道岔滑床台板的Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料。
采用尺寸为20mm×200mm×5mm的长方体模具。冷压参数为载荷800MPa，保载时间为240秒。无压烧结具体参数为室温至500℃时，升温速度10℃/min，烧结温度800℃，保温时间为2.5小时。
实施例2
高原铁路道岔滑床台板
1)将20Vol.％的Ti3SiC2粉末、9Vol.％的Ni粉和71Vol.％的Cu粉混合，并倒入球磨罐中进行球磨。
Ti3SiC2粉末的粒度为250目、纯度为98.0％，且形状结构不规则；Ni粉的粒度为150目、纯度为99.0％，水雾化球形粉；Cu粉的粒度为150目、纯度为99.0％，水雾化球形粉。球磨参数为球磨时间为4小时，球磨速度为200rpm。
2)将球磨好、分散均匀的粉末装入特定模具中，进行冷压和无压烧结处理，然后即可获得可用于道岔滑床台板的Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料。
其中，采用尺寸为70mm×70mm×8mm的长方体模具。冷压参数为载荷700 MPa，保载时间为200秒。无压烧结具体参数为室温至500℃时，升温速度11℃ /min，烧结温度900℃，保温时间为2小时。
实施例3
轻轨道岔滑床台板
1)将25Vol.％的Ti3SiC2粉末、8Vol.％的Ni粉和67Vol.％的Cu粉混合，并倒入球磨罐中进行球磨。
Ti3SiC2粉末的粒度为200目、纯度为98.0％，且形状结构不规则；Ni粉的粒度为150目、纯度为99.0％，水雾化球形粉；Cu粉的粒度为150目、纯度为99.0％，水雾化球形粉。球磨参数为球磨时间为3.5小时，球磨速度为220rpm。
2)将球磨好、分散均匀的粉末装入特定模具中，进行冷压和无压烧结处理，然后即可获得可用于道岔滑床台板的Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料。
其中，采用尺寸为50mm×50mm×6mm的长方体模具。冷压参数为载荷 600MPa，保载时间为200秒。无压烧结具体参数为室温至500℃时，升温速度 10℃/min，烧结温度950℃，保温时间为2小时。
实施例4
重载铁路道岔滑床台板
1)将10Vol.％的Ti3SiC2粉末、10Vol.％的Ni粉和80Vol.％的Cu粉混合，并倒入球磨罐中进行球磨。
Ti3SiC2粉末的粒度为200目、纯度为97.5％，且形状结构不规则；Ni粉的粒度为100目、纯度为98.5％，水雾化球形粉；Cu粉的粒度为100目、纯度为98.5％，水雾化球形粉。球磨参数为球磨时间为3小时，球磨速度为200rpm。
2)将球磨好、分散均匀的粉末装入特定模具中，进行冷压和无压烧结处理，然后即可获得可用于道岔滑床台板的Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料。
其中，采用尺寸为80mm×80mm×10mm的长方体模具。冷压参数为载荷400MPa，保载时间为180秒。无压烧结具体参数为室温至500℃时，升温速度 10℃/min，烧结温度1000℃，保温时间为2小时。
通过以上实施例中的方法制备出可用于道岔滑床台板的Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料，其 扫描电子显微镜图像如图2和图3所示，可以看到，Ti3SiC2颗粒以及少量的TiC分布均匀且 弥散；通过图4和图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，基体中仅仅含有少量Si元素，说明扩散程度低。图 5可以看到Ni掺杂后的Ti3AlC2/Cu复合材料力学性能显著增强，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Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料的组织性能以及Ni元素的掺杂起着证明的作用，为Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料的大规模推广提供了一种可行的制备方法。
综上所述，本发明一种Ni掺杂Ti3SiC2/Cu复合材料及其制备方法，制备工艺可控性强，适用范围广泛，可在高速铁路、高原铁路、重载铁路、轻轨、磁悬浮等领域大范围推广应用，有效提高道岔滑床台板零部件的性能和使用寿命，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。
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