專利名稱：無(wú)鉛銅基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自潤(rùn)滑復(fù)合材料，具體是一種無(wú)鉛銅基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
銅基粉末冶金含油軸承和銅基合金軸瓦，其潤(rùn)滑劑多為各種潤(rùn)滑油脂，當(dāng)溫度超過(guò)350℃達(dá)到500℃時(shí)，因潤(rùn)滑油脂分解基體強(qiáng)度下降，導(dǎo)致材料摩擦系數(shù)增大，耐磨性降低，磨損急驟加大而失效。金屬鉛具有質(zhì)軟易變形、熔點(diǎn)低、與潤(rùn)滑油的親和性好、邊界潤(rùn)滑特性以及其價(jià)格便宜等特性，含鉛錫青銅更具有優(yōu)良的摩擦學(xué)特性，以及抗氧化性、耐腐蝕性等性能，在滑動(dòng)軸承中得到普遍使用。然而，鉛及鉛元素屬劇毒物質(zhì)，長(zhǎng)期廣泛的使用含鉛產(chǎn)品會(huì)給人類環(huán)境帶來(lái)不可忽視的危害，隨著環(huán)保化、綠色化意識(shí)的提高，各國(guó)對(duì)產(chǎn)品涉及環(huán)保和有害物質(zhì)企業(yè)的管理態(tài)勢(shì)更加嚴(yán)格，在追求產(chǎn)品高性能的同時(shí)，要求產(chǎn)品無(wú)鉛化。無(wú)鉛化的實(shí)施將使銅基滑動(dòng)軸承材料減摩性能降低、順應(yīng)性變差、抗咬合等性能下降。如何使無(wú)鉛銅基滑動(dòng)軸承材料達(dá)到含鉛銅基滑動(dòng)軸承材料的性能，德國(guó)ArwedUecker、日本那須和重等人利用Zn取代銅基材料中的鉛，研制的無(wú)鉛銅基材料在低載荷電器產(chǎn)品軸承及汽車電刷方面得到應(yīng)用。日本神谷等人研制的Cu-Sn-Ag軸承合金，在高速重載滑動(dòng)條件下，固溶合金中錫、銀向軸承表面富集，形成一層很薄的Sn-Ag軟質(zhì)附著層，起著降低摩擦、抵抗粘著的作用，具有較好的滑動(dòng)軸承特性，在重載柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中得到應(yīng)用。歐美等國(guó)研制的鋁錫表面合金涂層、特殊樹(shù)脂基二硫化鉬涂層，利用軟質(zhì)涂層的減摩性能好、抗咬合的特點(diǎn)，也在高壓滑動(dòng)軸承中得到了應(yīng)用。然而，無(wú)論是涂層材料還是Cu-Sn-Ag軸承合金，都存在不耐高溫的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種不含鉛的、能在300℃--500℃時(shí)正常工作的無(wú)鉛銅基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明無(wú)鉛銅基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料的特點(diǎn)是復(fù)合材料的基體為銅合金，自潤(rùn)滑組元為石墨，其化學(xué)成份為Ni(5-15)％+C(5-12)％+Sn(4-8)％+Zn(4-8)％+MX(0.2-1.6)％+Fe(1-3)％+Cu余量；其中的MX為以下非金屬化合物或金屬化合物中的任意一種BN、Si3N4、SiC、Al2O3、TiN、TiC、Cr3C2。
其中的C為石墨和碳纖維，且碳纖維占材料總體積百分比為0.5-3％。
本發(fā)明所述的碳纖維直徑為5-10μm，長(zhǎng)度為1-3mm。
本發(fā)明中的石墨和碳纖維表面均采用復(fù)合鍍。其鍍層可以為內(nèi)層為銅鍍層，外層為鐵鍍層；或內(nèi)層為銅鍍層，外層為鎳鍍層；或內(nèi)層為鎳磷合金鍍層，外層為銅鍍層。
本發(fā)明采用銅粉或預(yù)合金銅粉加入所需合金元素和相應(yīng)的化合物以及表面經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍的石墨粉和碳纖維，經(jīng)混料、壓制、燒結(jié)，復(fù)壓復(fù)燒等工序制成所需材料。
本發(fā)明在銅基體中添加鎳、鐵、錫、鋅等合金元素起固溶強(qiáng)化作用；加入的MX為非金屬化合物或金屬化合物兩類，起到彌散強(qiáng)化作用，提高材料耐熱性能和抗高溫蠕變性能；加入碳纖維，使基體進(jìn)一步增強(qiáng)增韌，從而提高熱變形溫度。由于潤(rùn)滑組元石墨和碳纖維與銅基體不相容，界面結(jié)合強(qiáng)度低，因此在石墨和碳纖維的表面采用化學(xué)鍍，形成復(fù)合鍍層，在燒結(jié)過(guò)程中，鍍層與銅基體通過(guò)擴(kuò)散、固溶、反應(yīng)來(lái)提高界面結(jié)合強(qiáng)度，從而提高復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能。
經(jīng)測(cè)定，本發(fā)明材料的主要技術(shù)參數(shù)如下表所示

本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明的無(wú)鉛化避免了廣泛使用含鉛產(chǎn)品會(huì)給人類環(huán)境帶來(lái)的危害，對(duì)追求綠色、促進(jìn)環(huán)保有著積極的意義。
2、本發(fā)明使銅基自潤(rùn)滑材料的最高使用溫度由原先350℃提高到500℃。
3、本發(fā)明具有抗氧化，耐腐蝕、自潤(rùn)滑與高溫耐磨損等特性，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，主要用于200-500℃范圍的軸承和導(dǎo)套，如用于食品加熱機(jī)械上的軸承和滑塊，工程機(jī)械高壓泵側(cè)板，用于鋁壓鑄機(jī)和注塑機(jī)上的導(dǎo)套，用于鋼廠軋機(jī)上的軋輥軸承套，鋼包吊耳軸承，鐵路機(jī)車和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上耐溫承載襯套以及等。
附圖
為本發(fā)明工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式采用銅粉或預(yù)合金銅粉加入所需合金元素和相應(yīng)的化合物以及表面經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍的石墨粉和碳纖維，經(jīng)混料、壓制、燒結(jié)和后續(xù)加工制成所需材料。
實(shí)施例1
用錫青銅預(yù)合金粉，加入-200目的鎳粉、鐵粉，超細(xì)氮化硼粉和經(jīng)過(guò)表面復(fù)合鍍的石墨粉和碳纖維。石墨粉為鱗片狀天然石墨粉，碳纖維直徑為5-10μm，長(zhǎng)度為1-3mm，且碳纖維占材料總體積百分比為0.5-3％。石墨粉和碳纖維分別用化學(xué)鍍，先鍍銅后鍍鐵，形成Cu+Fe的復(fù)合鍍層。具體化學(xué)成份見(jiàn)表1。
表1

將上述原料裝入“V”型混料機(jī)中混合2小時(shí)。
把混合好的料裝入鋼制模具中，在液壓機(jī)上單位壓制壓力為400MPa，壓制成所需形狀的壓坯，將壓坯放入氨分解保護(hù)氣氛中，燒結(jié)溫度880℃，保溫60分鐘。將燒后坯在500-600Mpa壓力下復(fù)壓，600-800℃退火處理。復(fù)合材料的力學(xué)性能見(jiàn)表2，摩擦磨損性能見(jiàn)表3。
表2 復(fù)合材料力學(xué)性能

表3 復(fù)合材料的摩擦磨損性能

表中，μ為摩擦系數(shù)，w為磨損體積(10-11m3)摩擦系數(shù)在MG-200高速高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。
磨損試驗(yàn)采用大越式高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)條件為干摩擦磨損狀況，對(duì)磨材料為Cr12鋼，試驗(yàn)溫度在空氣中從室溫到500℃，摩擦線速度0.51m/s、載荷2.6Kg，每次磨損試驗(yàn)行程為600M。
實(shí)施例2用錫青銅預(yù)合金粉，加入-200目的鎳粉、鐵粉、超細(xì)氮化硼粉和經(jīng)過(guò)表面復(fù)合鍍的石墨粉和碳纖維。石墨粉為鱗片狀天燃石墨粉，碳纖維直徑為5-10μm，長(zhǎng)度為1-3mm，且碳纖維占材料總體積百分比為0.5-3％。石墨粉和碳纖維用化學(xué)鍍，先鍍鎳磷合金再鍍銅，形成Ni-P+Cu的復(fù)合鍍層。具體化學(xué)成份見(jiàn)表4。
表4

將上述原料裝入“V”型混料機(jī)中混合2小時(shí)。把混合好的料裝入石墨模具中，在熱壓機(jī)上壓制成所需形狀的壓坯。復(fù)合材料的力學(xué)性能見(jiàn)表5，摩擦磨損性能見(jiàn)表6。
表5 復(fù)合材料力學(xué)性能

表6 復(fù)合材料的摩擦磨損性能

實(shí)施例3用錫青銅預(yù)合金粉，加入-200目的鎳粉、鐵粉、超細(xì)氮化硼和經(jīng)過(guò)表面復(fù)合鍍的石墨粉和碳纖維。石墨粉為鱗片狀天然石墨粉，碳纖維直徑為5-10μm，長(zhǎng)度為1-3mm，且碳纖維占材料總體積百分比為0.5-3％。石墨粉和碳纖維用化學(xué)鍍，先鍍銅后鍍鐵，形成Cu+Fe的復(fù)合鍍層。具體化學(xué)成份見(jiàn)表7。
表7

將上述原料裝入“V”型混料機(jī)中混合2小時(shí)。把混合好的料裝入鋼制模具中，在液壓機(jī)上單位壓制壓力為400MPa，壓制成所需形狀的壓坯，將壓坯放入氨分解保護(hù)氣氛中，燒結(jié)溫度850℃，保溫60分鐘，再經(jīng)復(fù)壓復(fù)燒。復(fù)合材料的力學(xué)性能見(jiàn)表8。復(fù)合材料的摩擦磨損性能見(jiàn)表9。
表8 復(fù)合材料力學(xué)性能

表9 復(fù)合材料的摩擦磨損性能

實(shí)施例4用100目電解銅粉，加入-200目的鎳粉、鉬粉、鐵粉鋅粉、錫粉、超細(xì)氮化硼和經(jīng)過(guò)表面復(fù)合鍍的石墨粉和碳纖維。石墨粉為鱗片狀天然石墨粉，碳纖維直徑為5-10μm，長(zhǎng)度為1-3mm，且碳纖維占材料總體積百分比為0.5-3％。石墨粉和碳纖維用化學(xué)鍍，先鍍銅層，后鍍鎳層，形成Cu+Ni的復(fù)合鍍層。具體化學(xué)成份見(jiàn)表10。
表10

將上述原料裝入“V”型混料機(jī)中混合2小時(shí)。把混合好的料裝入鋼制模具中，在液壓機(jī)上單位壓制壓力為400MPa，壓制成所需形狀的壓坯，將壓坯放入氨分解保護(hù)氣氛中，燒結(jié)溫度850℃，保溫60分鐘，再經(jīng)復(fù)壓復(fù)燒。復(fù)合材料的力學(xué)性能見(jiàn)表11，復(fù)合材料的摩擦磨損性能表12。
表11 復(fù)合材料力學(xué)性能

表12 復(fù)合材料的摩擦磨損性能

實(shí)施例5用錫青銅預(yù)合金粉，加入-200目的鎳粉、鐵粉、超細(xì)氮化硼和經(jīng)過(guò)表面復(fù)合鍍的石墨粉和碳纖維。石墨粉為鱗片狀天然石墨粉，碳纖維直徑為5-10μm，長(zhǎng)度為1-3mm，且碳纖維占材料總體積百分比為0.5-3％。石墨粉和碳纖維用化學(xué)鍍，先鍍銅層，后鍍鐵層，形成Cu+Fe的復(fù)合鍍層。具體化學(xué)成份見(jiàn)表13。
表13

將上述原料裝入“V”型混料機(jī)中混合2小時(shí)。把混合好的料裝入鋼制模具中，在液壓機(jī)上單位壓制壓力為400MPa，壓制成所需形狀的壓坯，將壓坯放入氨分解保護(hù)氣氛中，燒結(jié)溫度850℃，保溫60分鐘，再經(jīng)復(fù)壓復(fù)燒。復(fù)合材料的力學(xué)性能見(jiàn)表14。復(fù)合材料的摩擦磨損性能見(jiàn)表15。
表14 復(fù)合材料力學(xué)性能

表15 復(fù)合材料的摩擦磨損性能

實(shí)施例6用錫青銅預(yù)合金粉，加入-200目的鎳粉、鐵粉、超細(xì)氮化硼和經(jīng)過(guò)表面復(fù)合鍍的石墨粉和碳纖維。石墨粉為鱗片狀天然石墨粉，碳纖維直徑為5-10μm，長(zhǎng)度為1-3mm，且碳纖維占材料總體積百分比為0.5-3％。石墨粉和碳纖維用化學(xué)鍍，先鍍銅層，后鍍鎳層，形成Cu+Ni的復(fù)合鍍層。具體化學(xué)成份見(jiàn)表16。
表16

將上述原料裝入“V”型混料機(jī)中混合2小時(shí)。把混合好的料裝入鋼制模具中，在液壓機(jī)上單位壓制壓力為400MPa，壓制成所需形狀的壓坯，將壓坯放入氨分解保護(hù)氣氛中，燒結(jié)溫度850℃，保溫60分鐘，再經(jīng)復(fù)壓復(fù)燒。復(fù)合材料的力學(xué)性能見(jiàn)表17。復(fù)合材料的摩擦磨損性能見(jiàn)表18。
表17 復(fù)合材料力學(xué)性能

表18 復(fù)合材料的摩擦磨損性能

針對(duì)上述實(shí)施例1～6，將其中的BN等量更換為Si3N4或SiC或Al2O3或TiN或TiC或Cr3C2，采用相同的制作工藝，同樣可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)鉛銅基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料，其特征在于復(fù)合材料的基體為銅合金，自潤(rùn)滑組元為石墨，其化學(xué)成份為Ni(5-15)％+C(5-12)％+Sn(4-8)％+Zn(4-8)％+MX(0.2-1.6)％+Fe(1-3)％+Cu余量；其中的MX為以下非金屬化合物或金屬化合物中的任意一種BN、Si3N4、SiC、Al2O3、TiN、TiC、Cr3C2。其中的C為石墨和碳纖維，且碳纖維占材料總體積百分比為0.5-3％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征是所述的碳纖維直徑為5-10μm，長(zhǎng)度為1-3mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于石墨和碳纖維表面均采用復(fù)合鍍；其鍍層中的內(nèi)層為銅鍍層，外層為鐵鍍層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于石墨和碳纖維表面均采用復(fù)合鍍；其鍍層中的內(nèi)層為銅鍍層，外層為鎳鍍層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于石墨和碳纖維表面均采用復(fù)合鍍；其內(nèi)層為鎳磷合金鍍層，外層為銅鍍層。
全文摘要
無(wú)鉛銅基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料，其特征在于復(fù)合材料的基體為銅合金，自潤(rùn)滑組元為石墨，其化學(xué)成分為Ni+C+Sn+Zn+MX+Fe+Cu。其中的MX為以下非金屬化合物或金屬化合物中的任意一種BN、Si
文檔編號(hào)C22C9/06GK1718795SQ200510040950
公開(kāi)日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2005年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月11日
發(fā)明者徐偉, 馬少波 申請(qǐng)人:合肥波林新材料有限公司