專利名稱：無鉛銅基高溫自潤滑復合材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及自潤滑復合材料，具體是一種無鉛銅基高溫自潤滑復合材料。
背景技術：
銅基粉末冶金含油軸承和銅基合金軸瓦，其潤滑劑多為各種潤滑油脂，當溫度超過350℃達到500℃時，因潤滑油脂分解基體強度下降，導致材料摩擦系數增大，耐磨性降低，磨損急驟加大而失效。金屬鉛具有質軟易變形、熔點低、與潤滑油的親和性好、邊界潤滑特性以及其價格便宜等特性，含鉛錫青銅更具有優良的摩擦學特性，以及抗氧化性、耐腐蝕性等性能，在滑動軸承中得到普遍使用。然而，鉛及鉛元素屬劇毒物質，長期廣泛的使用含鉛產品會給人類環境帶來不可忽視的危害，隨著環保化、綠色化意識的提高，各國對產品涉及環保和有害物質企業的管理態勢更加嚴格，在追求產品高性能的同時，要求產品無鉛化。無鉛化的實施將使銅基滑動軸承材料減摩性能降低、順應性變差、抗咬合等性能下降。如何使無鉛銅基滑動軸承材料達到含鉛銅基滑動軸承材料的性能，德國ArwedUecker、日本那須和重等人利用Zn取代銅基材料中的鉛，研制的無鉛銅基材料在低載荷電器產品軸承及汽車電刷方面得到應用。日本神谷等人研制的Cu-Sn-Ag軸承合金，在高速重載滑動條件下，固溶合金中錫、銀向軸承表面富集，形成一層很薄的Sn-Ag軟質附著層，起著降低摩擦、抵抗粘著的作用，具有較好的滑動軸承特性，在重載柴油發動機中得到應用。歐美等國研制的鋁錫表面合金涂層、特殊樹脂基二硫化鉬涂層，利用軟質涂層的減摩性能好、抗咬合的特點，也在高壓滑動軸承中得到了應用。然而，無論是涂層材料還是Cu-Sn-Ag軸承合金，都存在不耐高溫的問題。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種不含鉛的、能在300℃--500℃時正常工作的無鉛銅基高溫自潤滑復合材料。
本發明解決技術問題所采用的技術方案是本發明無鉛銅基高溫自潤滑復合材料的特點是復合材料的基體為銅合金，自潤滑組元為石墨，其化學成份為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％。
本發明所述的碳纖維直徑為5-10μm，長度為1-3mm。
本發明中的石墨和碳纖維表面均采用復合鍍。其鍍層可以為內層為銅鍍層，外層為鐵鍍層；或內層為銅鍍層，外層為鎳鍍層；或內層為鎳磷合金鍍層，外層為銅鍍層。
本發明采用銅粉或預合金銅粉加入所需合金元素和相應的化合物以及表面經過化學鍍的石墨粉和碳纖維，經混料、壓制、燒結，復壓復燒等工序制成所需材料。
本發明在銅基體中添加鎳、鐵、錫、鋅等合金元素起固溶強化作用；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，使基體進一步增強增韌，從而提高熱變形溫度。由于潤滑組元石墨和碳纖維與銅基體不相容，界面結合強度低，因此在石墨和碳纖維的表面采用化學鍍，形成復合鍍層，在燒結過程中，鍍層與銅基體通過擴散、固溶、反應來提高界面結合強度，從而提高復合材料的高溫力學性能。
經測定，本發明材料的主要技術參數如下表所示
本發明的有益效果體現在1、本發明的無鉛化避免了廣泛使用含鉛產品會給人類環境帶來的危害，對追求綠色、促進環保有著積極的意義。
2、本發明使銅基自潤滑材料的最高使用溫度由原先350℃提高到500℃。
3、本發明具有抗氧化，耐腐蝕、自潤滑與高溫耐磨損等特性，其應用領域廣泛，主要用于200-500℃范圍的軸承和導套，如用于食品加熱機械上的軸承和滑塊，工程機械高壓泵側板，用于鋁壓鑄機和注塑機上的導套，用于鋼廠軋機上的軋輥軸承套，鋼包吊耳軸承，鐵路機車和汽車發動機上耐溫承載襯套以及等。
附圖
為本發明工藝流程圖。
具體實施例方式采用銅粉或預合金銅粉加入所需合金元素和相應的化合物以及表面經過化學鍍的石墨粉和碳纖維，經混料、壓制、燒結和后續加工制成所需材料。
實施例1
用錫青銅預合金粉，加入-200目的鎳粉、鐵粉，超細氮化硼粉和經過表面復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鍍，先鍍銅后鍍鐵，形成Cu+Fe的復合鍍層。具體化學成份見表1。
表1
將上述原料裝入“V”型混料機中混合2小時。
把混合好的料裝入鋼制模具中，在液壓機上單位壓制壓力為400MPa，壓制成所需形狀的壓坯，將壓坯放入氨分解保護氣氛中，燒結溫度880℃，保溫60分鐘。將燒后坯在500-600Mpa壓力下復壓，600-800℃退火處理。復合材料的力學性能見表2，摩擦磨損性能見表3。
表2 復合材料力學性能
表3 復合材料的摩擦磨損性能
表中，μ為摩擦系數，w為磨損體積(10-11m3)摩擦系數在MG-200高速高溫摩擦磨損試驗機進行。
磨損試驗采用大越式高溫摩擦磨損試驗機進行，試驗條件為干摩擦磨損狀況，對磨材料為Cr12鋼，試驗溫度在空氣中從室溫到500℃，摩擦線速度0.51m/s、載荷2.6Kg，每次磨損試驗行程為600M。
實施例2用錫青銅預合金粉，加入-200目的鎳粉、鐵粉、超細氮化硼粉和經過表面復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鍍，先鍍鎳磷合金再鍍銅，形成Ni-P+Cu的復合鍍層。具體化學成份見表4。
表4
將上述原料裝入“V”型混料機中混合2小時。把混合好的料裝入石墨模具中，在熱壓機上壓制成所需形狀的壓坯。復合材料的力學性能見表5，摩擦磨損性能見表6。
表5 復合材料力學性能
表6 復合材料的摩擦磨損性能
實施例3用錫青銅預合金粉，加入-200目的鎳粉、鐵粉、超細氮化硼和經過表面復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鍍，先鍍銅后鍍鐵，形成Cu+Fe的復合鍍層。具體化學成份見表7。
表7
將上述原料裝入“V”型混料機中混合2小時。把混合好的料裝入鋼制模具中，在液壓機上單位壓制壓力為400MPa，壓制成所需形狀的壓坯，將壓坯放入氨分解保護氣氛中，燒結溫度850℃，保溫60分鐘，再經復壓復燒。復合材料的力學性能見表8。復合材料的摩擦磨損性能見表9。
表8 復合材料力學性能
表9 復合材料的摩擦磨損性能
實施例4用100目電解銅粉，加入-200目的鎳粉、鉬粉、鐵粉鋅粉、錫粉、超細氮化硼和經過表面復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鍍，先鍍銅層，后鍍鎳層，形成Cu+Ni的復合鍍層。具體化學成份見表10。
表10
將上述原料裝入“V”型混料機中混合2小時。把混合好的料裝入鋼制模具中，在液壓機上單位壓制壓力為400MPa，壓制成所需形狀的壓坯，將壓坯放入氨分解保護氣氛中，燒結溫度850℃，保溫60分鐘，再經復壓復燒。復合材料的力學性能見表11，復合材料的摩擦磨損性能表12。
表11 復合材料力學性能
表12 復合材料的摩擦磨損性能
實施例5用錫青銅預合金粉，加入-200目的鎳粉、鐵粉、超細氮化硼和經過表面復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鍍，先鍍銅層，后鍍鐵層，形成Cu+Fe的復合鍍層。具體化學成份見表13。
表13
將上述原料裝入“V”型混料機中混合2小時。把混合好的料裝入鋼制模具中，在液壓機上單位壓制壓力為400MPa，壓制成所需形狀的壓坯，將壓坯放入氨分解保護氣氛中，燒結溫度850℃，保溫60分鐘，再經復壓復燒。復合材料的力學性能見表14。復合材料的摩擦磨損性能見表15。
表14 復合材料力學性能
表15 復合材料的摩擦磨損性能
實施例6用錫青銅預合金粉，加入-200目的鎳粉、鐵粉、超細氮化硼和經過表面復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鍍，先鍍銅層，后鍍鎳層，形成Cu+Ni的復合鍍層。具體化學成份見表16。
表16
將上述原料裝入“V”型混料機中混合2小時。把混合好的料裝入鋼制模具中，在液壓機上單位壓制壓力為400MPa，壓制成所需形狀的壓坯，將壓坯放入氨分解保護氣氛中，燒結溫度850℃，保溫60分鐘，再經復壓復燒。復合材料的力學性能見表17。復合材料的摩擦磨損性能見表18。
表17 復合材料力學性能
表18 復合材料的摩擦磨損性能
針對上述實施例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，同樣可實現本發明目的。
權利要求
1.一種無鉛銅基高溫自潤滑復合材料，其特征在于復合材料的基體為銅合金，自潤滑組元為石墨，其化學成份為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.根據權利要求1所述的復合材料，其特征是所述的碳纖維直徑為5-10μm，長度為1-3mm。
3.根據權利要求1所述的復合材料，其特征在于石墨和碳纖維表面均采用復合鍍；其鍍層中的內層為銅鍍層，外層為鐵鍍層。
4.根據權利要求1所述的復合材料，其特征在于石墨和碳纖維表面均采用復合鍍；其鍍層中的內層為銅鍍層，外層為鎳鍍層。
5.根據權利要求1所述的復合材料，其特征在于石墨和碳纖維表面均采用復合鍍；其內層為鎳磷合金鍍層，外層為銅鍍層。
全文摘要
無鉛銅基高溫自潤滑復合材料，其特征在于復合材料的基體為銅合金，自潤滑組元為石墨，其化學成分為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C22C9/06GK1718795SQ200510040950
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月11日 優先權日2005年7月11日
發明者徐偉, 馬少波 申請人:合肥波林新材料有限公司