本發明屬于自潤滑耐磨材料領域，涉及一種銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料及其制備方法。本發明所述復合材料適用于在經受交變載荷沖擊作用下工作的自潤滑軸承、滑板、受電弓及航空泵用動密封等部件，該復合材料在交變載荷作用下不產生裂紋且在油膜被破壞或油潤滑不充分的情況下自身仍具備良好的低摩擦、抗干磨特性。
背景技術：
現代航空、航天、高速鐵路及電力等行業的應用中普遍存在震動、交變載荷和高速等極端苛刻工況，而其相關運動部件的潤滑、耐磨及密封性能的提高已成為影響整個系統可靠性和壽命的關鍵技術。因此，對在交變載荷作用下仍具有低摩擦、抗干磨性能的新型潤滑耐磨材料提出了迫切需求。近年來，在銅基自潤滑耐磨材料和自潤滑合金方面，已經進行了許多卓有成效的工作，取得了比較好的潤滑效果（專利：CN101985703A、CN103436730A、CN102051553A、CN102925741A等），多種材料已獲得了工程應用。但大部分工作都集中在如何提高銅基復合材料的耐磨性能研究上，尚未檢索到既考慮材料的低摩擦耐磨損特性，又考慮材料耐沖擊性能的相關專利。而相關涉及銅基潤滑材料的沖擊韌性研究的論文（郭斌等“銅基受電弓滑板材料抗拉強度和沖擊韌性研究”，材料科學與工藝，2003,1（11）：59-63）得到Cu-石墨復合材料的最大沖擊韌性僅為1.38J/cm2。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種同時具備良好摩擦磨損性能和耐沖擊性能的銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料及其制備方法。雙層結構復合材料相比單層復合材料在提高復合材料韌性方面有它的優勢，雙層結構復合材料由于“分層”效應的存在，在交變載荷作用下由于交變載荷垂直于雙層結合界面，而雙層界面的結合又相比同種材料弱，所以在交變載荷作用下界面會產生二次裂紋，使垂直于結合界面的原始裂紋伸展受阻，并且松馳了應力，因而可提高材料的韌性。因此，本發明基于雙層結構設計，選用具有良好力學和耐沖擊性能的銅基合金CuSn10為支撐層，設計以CuSn10為基體，添加強化相、潤滑相等成分的潤滑層，制備了銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料。為達到上述目的，本發明所述的一種銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料，其特征在于該復合材料由支撐層和潤滑層組成，所述支撐層為CuSn10合金，所述潤滑層由CuSn10合金、強化相和潤滑相組成；所述強化相所含組分為鎳、鉻和鈦；所述潤滑相所含組分為二硫化鉬和石墨，所述潤滑層中各組分的質量百分含量分別為：鎳：10～15%，鉻：0.5～1%，鈦：0～1%，CuSn10：67~79.5%，二硫化鉬：10～15%，石墨：0～1%。銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料的制備方法包括以下步驟：1）將鎳、鉻、鈦和CuSn10的粉末按鎳：10～15%、鉻：0.5～1%、鈦：0～1%、CuSn10：67~79.5%的質量百分含量混合后采用濕法球磨15~20小時，轉速為300~400r/min，球料質量比為5：1~10：1，然后將二硫化鉬和石墨的粉末按二硫化鉬：10～15%、石墨：0～1%的質量百分含量混合后加入上述混合物中，采用上述的濕法球磨工藝將其球磨5~10小時，混勻即可，經烘干后，得到混合粉末；2）稱取CuSn10合金粉末和上述混合粉末在石墨模具中進行分步雙層鋪粉，冷壓預成型，然后在真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，真空度≥1.0×10-2Pa，燒結溫度為650~750℃，達到溫度后施加正壓力20～25MPa，保溫保壓時間為50～60min，隨爐自然冷卻，即可制備銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料。所述鎳、鉻、鈦、CuSn10、二硫化鉬和石墨的純度均大于99.0%。本發明銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料的沖擊韌性在JB6型沖擊試驗機測得（αKU），而材料潤滑層的摩擦磨損性能在M-2000型摩擦磨損試驗機測得（200N，0.424m/s，1h，大氣環境，φ40mm的淬火45#鋼對偶環，干磨狀態）。本發明所述的具備支撐層（沖擊韌性：55J/cm2）和潤滑層（沖擊韌性：4J/cm2）的新型雙層結構復合材料，既具備易磨合、抗干磨、自潤滑、不粘銅的性能，又具備足夠的沖擊韌性（支撐層/潤滑層厚度比為7:3時，αKU>46J/cm2）。相對于很多潤滑材料，此種新型雙層結構復合材料在經受交變載荷作用下材料基體不產生裂紋，且在油潤滑不充分的情況下材料自身仍具備良好的低摩擦、抗干磨性能，并且在二硫化鉬和石墨的協同潤滑下材料的摩擦系數為0.349，磨損體積僅為0.53mm3。綜上所述，本發明制備的銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料同時具備良好的摩擦磨損性能和耐沖擊性能，滿足復雜工況條件下對自潤滑耐磨復合材料沖擊韌性的要求，可用于解決現代航空、航天、高速鐵路及電力等高新技術產業中普遍存在的震動、交變載荷和高速等極端苛刻工況下相關滑動部件的潤滑和耐磨問題。具體實施方式為進一步闡述本發明特提供以下實施例，但本發明的實施方式并不限于以下實施例。實施例1銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料潤滑層各組分及其質量百分含量分別為：鎳：10%、鉻：0.5%、鈦：1%、CuSn10：78.5%、二硫化鉬：10%。首先將純度大于99.0%的鎳、鉻、鈦、CuSn10粉末按鎳：10%、鉻：0.5%、鈦：1%、CuSn10：78.5%的質量百分含量混合后采用濕法球磨20小時，轉速400r/min，球料比10：1，然后將粉末純度大于99.0%的二硫化鉬（MoS2）粉末按10%的質量百分含量加入上述混合物中，再將上述混合物采用上述的濕法球磨工藝球磨5小時，混勻即可，經烘干后，得到混合粉末，稱取支撐層合金粉末和上述混合粉末在石墨模具中進行分步雙層鋪粉，冷壓預成型，然后在真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，真空度1.0×10-2Pa，燒結溫度為700℃，達到溫度后施加正壓力25MPa，保溫保壓時間為60min，隨爐自然冷卻，即可制備銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料（支撐層和潤滑層的厚度比為7:3）。本實施方式制得的銅基復合材料，材料潤滑層的布氏硬度（HB）為192，抗壓強度為739MPa，抗彎強度為407MPa，摩擦系數為0.346，磨損體積為1.84mm3；雙層金屬復合材料整體的沖擊韌性為47.9J/cm2。實施例2銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料潤滑層各組分及其質量百分含量分別為：鎳：15%、鉻：0.5%、鈦：1%、CuSn10：73.5%、二硫化鉬：10%。首先將純度大于99.0%的鎳、鉻、鈦、CuSn10粉末按鎳：15%、鉻：0.5%、鈦：1%、CuSn10：73.5%的質量百分含量混合后采用濕法球磨20小時，轉速400r/min，球料比10：1，然后將粉末純度大于99.0%的二硫化鉬（MoS2）粉末按10%的質量百分含量加入上述混合物中，再將上述混合物采用上述的濕法球磨工藝球磨5小時，混勻即可，經烘干后，得到混合粉末，稱取支撐層合金粉末和上述混合粉末在石墨模具中進行分步雙層鋪粉，冷壓預成型，然后在真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，真空度1.0×10-2Pa，燒結溫度為700℃，達到溫度后施加正壓力25MPa，保溫保壓時間為60min，隨爐自然冷卻，即可制備銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料（支撐層和潤滑層的厚度比為7:3）。本實施方式制得的銅基復合材料，材料潤滑層的布氏硬度（HB）為196，抗壓強度為751MPa，抗彎強度為392MPa，摩擦系數為0.327，磨損體積為1.55mm3；雙層金屬復合材料整體的沖擊韌性為47.3J/cm2。實施例3銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料潤滑層各組分及其質量百分含量分別為：鎳15%、鉻：1%、鈦：1%、CuSn10：68%、二硫化鉬：15%。首先將純度大于99.0%的鎳、鉻、鈦、CuSn10粉末按鎳：15%、鉻：1%、鈦：1%、CuSn10：67%的質量百分含量混合后采用濕法球磨20小時，轉速400r/min，球料比10：1，然后將粉末純度大于99.0%的二硫化鉬（MoS2）粉末按15%的質量比加入上述混合物中，再將上述混合物采用上述的濕法球磨工藝球磨5小時，混勻即可，經烘干后，得到混合粉末，稱取支撐層合金粉末和上述混合粉末在石墨模具中進行分步雙層鋪粉，冷壓預成型，然后在真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，真空度1.0×10-2Pa，燒結溫度為700℃，達到溫度后施加正壓力25MPa，保溫保壓時間為60min，隨爐自然冷卻，即可制備銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料（支撐層和潤滑層的厚度比為7:3）。本實施方式制得的銅基復合材料，材料潤滑層的布氏硬度（HB）為201，抗壓強度為705MPa，抗彎強度為287MPa，摩擦系數為0.329，磨損體積為1.11mm3；雙層金屬復合材料整體的沖擊韌性為47.1J/cm2。實施例4銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料潤滑層各組分及其質量百分含量分別為：鎳：15%、鉻：1%、CuSn10：69%、二硫化鉬：14%、石墨：1%。首先將純度大于99.0%的鎳、鉻、CuSn10粉末按鎳：15%、鉻：1%、CuSn10：69%的質量百分含量混合后采用濕法球磨20小時，轉速400r/min，球料比10：1，然后將粉末純度大于99.0%的二硫化鉬（MoS2）、石墨（Gr）粉末按二硫化鉬：14%、石墨：1%的質量百分含量混合，并加入上述混合物中，再將上述混合物采用上述的濕法球磨工藝球磨5小時，混勻即可，經烘干后，得到混合粉末，稱取支撐層合金粉末和上述混合粉末在石墨模具中進行分步雙層鋪粉，冷壓預成型，然后在真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，真空度1.0×10-2Pa，燒結溫度為700℃，達到溫度后施加正壓力25MPa，保溫保壓時間為60min，隨爐自然冷卻，即可制備銅基耐磨耐沖擊雙金屬復合材料（支撐層和潤滑層的厚度比為7:3）。本實施方式制得的銅基復合材料，材料潤滑層的布氏硬度（HB）為194，抗壓強度為520MPa，抗彎強度為220MPa，摩擦系數為0.349，磨損體積為0.53mm3；雙層金屬復合材料整體的沖擊韌性46.7J/cm2。