一種銅合金-鋼雙金屬復合材料及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是涉及一種銅合金-鋼雙金屬復合材料及其制備方法和應用，屬于雙金屬復合材料技術領域。
【背景技術】
[0002]滑動軸承是汽車(特別是發(fā)動機)中非常重要的摩擦易損件，與發(fā)動機曲軸、活塞銷、凸輪軸及汽車底盤上的某些軸類零件組成重要的摩擦副。滑動軸承材料的性能在一定程度上影響或決定著汽車和發(fā)動機的壽命、可靠性及某些主要經(jīng)濟技術指標。因此，隨著汽車及發(fā)動機性能的不斷提高，對滑動軸承材料的性能要求也不斷提高。
[0003]目前的重載發(fā)動機滑動軸承一般使用鉛青銅-鋼雙金屬復合材料，因為鉛青銅-鋼雙金屬復合材料具有良好的減摩性、耐磨性、抗咬合性、承載能力和抗疲勞性等，鉛是滑動軸承材料中的潤滑組元，對于提高重載、中速和高速發(fā)動機滑動軸承材料的抗咬合性能至關重要。但隨著人類社會對環(huán)境保護越來越重視，要求限制使用鉛的呼聲也越來越高，因此，滑動軸承材料無鉛化成為近年來材料科學的研宄熱點。
[0004]近年來，一些國內(nèi)外材料科學工作者在滑動軸承材料無鉛化方面通過引入固體潤滑劑如石墨或短碳纖維來替代潤滑組元鉛。由于石墨的硬度較低，銅合金中添加石墨會降低其硬度和耐磨性。雖然碳纖維硬度較高，但是碳纖維端面的棱和角容易引起應力集中，成為疲勞裂紋萌生的源頭；且由于碳和銅不互溶，它們之間的潤濕性很差，因此復合在銅基體中碳組元與銅之間僅僅是機械結合，結合強度很低；為了改善碳組元與銅基體之間的界面結合，人們在制備碳纖維增強銅基復合材料時，會預先在碳纖維表面電鍍或化學鍍一層鎳。但是這種工藝成本非常高，在工業(yè)上難以推廣應用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]針對現(xiàn)有技術存在的上述問題和需求，本發(fā)明的目的是提供一種銅合金-鋼雙金屬復合材料及其制備方法和應用。
[0006]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0007]一種銅合金-鋼雙金屬復合材料，是由碳含量小于等于0.25?〖％的碳素鋼基層與添加有中間相炭微球的銅合金層復合而成；所述銅合金的組成配方為:錫3.0?13.0wt
鎳L O?5.0wt%、銅81.5?99.5wt%，其它雜質含量總和不超過0.5wt%o
[0008]作為優(yōu)選方案，所述中間相炭微球的粒徑< 50 μ mo
[0009]作為優(yōu)選方案，所述中間相炭微球在銅合金層中的體積分數(shù)為3?20%。
[0010]一種制備所述的銅合金-鋼雙金屬復合材料的方法，為粉末冶金法，包括如下步驟:
[0011]a)將添加有中間相炭微球的銅合金粉均勻地鋪在經(jīng)預處理后的碳素鋼板的表面；
[0012]b)在還原性保護氣氛下、于760?870°C進行初次燒結(簡稱初燒)，燒結時間為15?100分鐘；
[0013]c)將初燒后的材料在冷軋機上進行初軋矯平；
[0014]d)在還原性保護氣氛下、于850?960°C進行再次燒結(簡稱復燒)，燒結時間為15?100分鐘；
[0015]e)將復燒后的材料在冷軋機上進行精軋矯平。
[0016]作為優(yōu)選方案，所述銅合金粉的粒徑< 200 μ mo
[0017]作為優(yōu)選方案，所述銅合金粉的制備采用高壓水霧法，包括:配料一熔煉一霧化一脫水干燥一篩分步驟。
[0018]作為進一步優(yōu)選方案，其中的熔煉溫度為1300?1500°C，霧化所用高壓水的壓力為 8 ?12MPa。
[0019]作為優(yōu)選方案，所述的還原性保護氣氛為氫氣、氨分解氣或氫氣與氮氣的混和氣氛。
[0020]作為優(yōu)選方案，將中間相炭微球添加到銅合金粉中的操作如下:將銅合金粉與中間相炭微球和粘合劑按質量比為1: (0.022?0.033):0.013混合均勻，然后進行干燥。
[0021 ] 作為進一步優(yōu)選方案，所述粘合劑為質量百分比濃度為5 %?15 %的聚乙烯醇水溶液。
[0022]作為進一步優(yōu)選方案，所述干燥是在80?120°C干燥18?30小時。
[0023]由于本發(fā)明所述的銅合金-鋼雙金屬復合材料的硬度及摩擦系數(shù)與現(xiàn)有的鉛青銅相近，因此，本發(fā)明所述的銅合金-鋼雙金屬復合材料可替代現(xiàn)有的鉛青銅-鋼雙金屬復合材料用作滑動軸承材料。
[0024]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的銅合金-鋼雙金屬復合材料不僅不含重金屬鉛、符合環(huán)保要求，而且還具有高強度、硬度和機械承載能力及優(yōu)良的耐磨性能，可替代現(xiàn)有的鉛青銅-鋼雙金屬復合材料用作滑動軸承材料；另外，本發(fā)明所述材料的制備工藝簡單，原材料價廉易得，易于規(guī)模化生產(chǎn)，具有顯著的工業(yè)應用價值。
【附圖說明】
[0025]圖1為實施例3所制備的添加有中間相炭微球的銅合金層的掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0026]下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細地說明。
[0027]實施例1
[0028]實驗目的:制備總厚度為2.5mm、寬度為120mm、銅合金層的厚度為0.5mm的銅合金-鋼雙金屬復合板材。
[0029]制備步驟:
[0030]a)對碳素鋼板進行預處理:選用碳含量小于等于0.25wt%的碳素鋼板(如SPCC牌)，將大張的鋼板剪切成設計的2.5mm X 126mm X 625mm，進行除油除銹后，改軋至(2.0±0.01) mm X 106mm X 780mm，并校平，平面度< 0.5mm ;
[0031]b)制備銅合金粉:采用高壓水霧法制備銅合金粉(粒徑< 200 μπι)，工藝流程為:配料一熔煉一霧化一脫水干燥一篩分；其中:熔煉溫度為1380°C，霧化所用高壓水的壓力為1MPa ;銅合金粉的組成配方為:錫13.0wt%、鎳5.0wt%、銅81.5wt%，其它雜質含量總和為 0.5wt% ；
[0032]c)將銅合金粉與中間相炭微球(購于深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司)和粘合劑(質量百分比濃度為10%的聚乙烯醇水溶液)按質量比為1:0.022:0.013混合均勻，然后在100°C下干燥24小時；
[0033]d)按銅合金層厚度為0.5mm的設計要求，將添加有中間相炭微球的銅合金粉均勻地鋪在經(jīng)預處理后的碳素鋼板的表面，鋪粉厚度約為0.85mm ;
[0034]e)在還原性保護氣氛(氨分解氣)下、于760°C進行初次燒結(簡稱初燒)，燒結時間為20分鐘；
[0035]f)將初燒后的材料在冷軋機上進行冷軋(初軋)，軋制至2.60mm的厚度，精度控制在 ±0.01mm ；
[0036]g)在還原性保護氣氛下、于850°C進行再次燒結(簡稱復燒)，燒結時間為20分鐘；
[0037]h)將復燒后的材料在冷軋機上進行軋制(精軋)，軋制后厚度為2.50±0.0lmm,即得到所要求的銅合金-鋼雙金屬復合板材。
[0038]經(jīng)檢測:中間相炭微球在銅合金層中的體積分數(shù)為8.1%，所制備的銅合金層的維氏硬度為76.3，摩擦系數(shù)為0.19 ;而現(xiàn)有的CuSnlOPblO層的維氏硬度為73.9，摩擦系數(shù)為0.21 ;說明所制備的銅合金-鋼雙金屬復合板材可用作滑動軸承材料。
[0039]實施例2
[0040]實驗目的:制備總厚度為2.5mm、寬度為120mm、銅合金層的厚度為0.5mm的銅合金-鋼雙金屬復合板材。
[0041]制備步驟:
[0042]a)對碳素鋼板進行預處理:選用碳含量小于等于0.25wt%的碳素鋼板(如SPCC牌)，將大張的鋼板剪切成設計的2.5mm X 126mm X 625mm，進行除油除銹后，改軋至(2.0±0.01) mm X 106mm X 780mm，并校平，平面度< 0.5mm ;
[0043]b)制備銅合金粉:采用高壓水霧法制備銅合金粉(粒徑