CN101704104A - 一种双金属自润滑轴承材料的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双金属自润滑轴承材料的制造方法，包括如下步骤：粉体混合：将一定比例的Cu、Sn、Pb混合纯金属粉末和占所述混合纯金属粉末总质量的5～10％的石墨粉在混料机上进行均匀混合；将其涂覆于钢板、不锈钢板或青铜板上进行二次烧结：即首先在高于锡粉熔点但低于铜合金烧结温度的温度进行瞬间液相烧结；其间，铜粉之间形成有限连接，锡铜之间形成固溶体，铅粉以单独铅质点分布于铜锡固溶体晶界或枝晶网胞间，并使原来锡粉和铅粉位置形成了空缺，石墨分布其中；继而按铜合金的烧结温度进行第二次烧结；精轧退火制成双金属自润滑轴承材料。其产品性能稳定可靠，广泛应用于水轮机导叶轴承、水工金属结构、冶金设备等机械行业。

Description

一种双金属自润滑轴承材料的制造方法

技术领域

本发明涉及轴承材料，尤其涉及一种双金属自润滑轴承材料的制造方法。

背景技术

双金属自润滑轴承材料是以低碳冷轧钢板、不锈钢板或铜板为基体，以烧结青铜粉为摩擦表面层，且青铜粉层均匀分布固体润滑剂的自润滑双金属滑动轴承材料。该轴承材料的工作机理是：在轴承初期运动时表面铜合金开始出现磨损，固体润滑剂也从铜合金层中释放出来，而且由于对磨偶件表面粗糙度的影响而机械地结合在对磨表面上，形成固体润滑膜。在进一步的相对运动中，固体润滑剂会源源不断地向摩擦表面转移，填补固体润滑剂的流失。从此双金属轴承会在较低的磨损情况下运转。为了帮助跑和，可以在使用前在轴承表面预涂上一层固体润滑膜(石墨乳剂)，这样从一开始就可以具有较低的摩擦系数。另外在小角度往复运动或有异物介入的情况下可将双金属轴承加工出各种形状的清洁槽，以排除和存储异物或磨屑。

该轴承的主要特点是承载能力高、耐磨性能好、摩擦系数低、使用温度范围宽、尺寸稳定、结构紧凑等，自1999年研制开发成功以来，已应用于万家寨、太平驿、棉花滩等国内水力发电厂，主要用在水轮机导水轴套。

但是，国内的大型和超大型水轮发电机组中还仍然采用进口的DEVA-BM产品，原因之一是国产的双金属自润滑轴承的摩擦磨损性能、尺寸精度和外观质量与国外先进产品还有一定差距。因此在原有基础上研制高性能双金属自润滑滑动轴承的课题具有深远的意义，符合国家目前“扩内需、调结构、保增长”的大政方针，为民族工业产品提高竞争力，经济效益和社会效益非常显著。

目前国内制造这种轴承的工艺采取的是用青铜合金粉末(QSn10-1)与固体润滑剂石墨进行均匀混合，涂覆于低碳钢板、不锈钢板或青铜板上，在氢气保护条件下或者真空气氛下进行烧结，实现与基体材料的冶金结合，然后经过轧制以提高其相对密度，再经退火等一系列过程制成复合材料板材。将该板材通过冷加工制作成各种形状的滑动轴承零件，如轴套、滑道、抗磨板、球关节轴承等。以上工艺方法的缺点是固体润滑剂石墨的含量不高，一般不能超过6％。其原因是铜合金粉末的密度远大于石墨，石墨含量大会造成阻断铜合金粉末之间的连接，无法烧结在一起。而国外产品的石墨含量为6-10％。石墨含量低会造成摩擦系数高，允许的滑动速度低，同时由于石墨对烧结的阻断作用会使铜合金粉末之间的连接变得不牢固，影响结合牢度，承载能力低，耐磨性差。

如图1所示的现有技术所制造的双金属自润滑材料的结构，显示了现有烧结方法是一种单元系烧结，即单一成分的粉末的烧结，其特点是在烧结过程中只发生铜合金铜合金颗粒之间的冶金结合(同时也铜合金颗粒与钢或铜基体的结合)，没有化学成份和金相组织的变化。

发明内容

鉴于现有技术所存在的不足，本发明旨在公开一种高性能的双金属自润滑轴承材料的制造方法，具体说是一种瞬间液相烧结的方法。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种双金属自润滑轴承材料的制造方法，采用70～90％的纯铜粉、0～10％的纯铅粉、5～20％的纯锡粉和占上述金属粉末总量5～10％的石墨粉在V形混料机上进行均匀混合，上述百分数为质量百分数；将混合粉体涂覆于钢板、不锈钢板或青铜板上进行烧结。烧结分两次：第一步以高于铅粉熔点但低于铜合金烧结温度的温度进行烧结，实现铜粉之间的有限连接。在此过程中低熔点的锡粉、铅粉熔化为液相，致使烧结在有液相存在的情况下进行。由于锡在铜中有一定的溶解度，液相的锡会溶入固相的铜中，烧结后期液相消失，称之为瞬间液相烧结。铅粉在铜锡合金中无溶解度，且不生成化合物，因而以单独铅质点分布于铜锡固溶体晶界或枝晶网胞间。而原来锡粉和铅粉的位置变成了空缺，石墨便分布在其中，这样复合材料的石墨含量可以达到6～10％。第一次烧结后将板材轧制到一定密度，再按铜合金烧结温度进行第二次烧结，再经轧制、退火，制成复合材料板材。将该板材通过冷加工制作成各种形状的滑动轴承零件，如轴套、滑道、抗磨板、球关节轴承等。

液相烧结是至少具有两种组分的粉末在形成一种液相的状态下进行的烧结。即当烧结温度高于压坯中低熔点成分的熔点时，低熔点金属熔化为液相，致使烧结在有液相存在的情况下进行。如果液相只存在烧结过程中的一段时间，烧结后期消失，这类烧结通常称之为瞬间液相烧结。液相具有流动性、毛细管力和更大的扩展性，所以液相会促进烧结体的合金化和致密化。通过液相烧结可获得高密度的烧结合金，甚至可以得到完全致密的合金。另外液相烧结还应用于高熔点金属合金的烧结，即在高熔点金属粉末中混以低熔点金属粉末共同烧结，通过液相的存在使高熔点的金属烧结在一起。

在本发明所述的技术方案中，借鉴了瞬间液相烧结的方法，但其所针对的技术问题和所达到的技术效果与传统液相烧结方法不同：传统液相烧结旨在实现烧结体的致密化，而本发明采用瞬间液相烧结方法的目的在于利用液相产生之后留下的空缺，以利于固体润滑剂石墨的填充。

相比现有技术，本发明具有以下突出特点：

(1)本发明采用纯金属混合粉末通过先进的瞬间液相烧结法实现较高的固体润滑剂石墨含量(可达10％)，大大提高了自润滑性能、允许的最大滑动速度和极限PV值；而现有技术中由于采用铜合金粉末与石墨相混合，固体润滑剂含量不高于6％；

(2)采用本发明所述制造方法制造的双金属自润滑轴承，相对于现有的轴承其摩擦系数降低，耐磨性能明显提高。

总之，采用本发明所述制造方法制造的双金属自润滑轴承无论从机械性能还是工艺稳定性上都是稳定可靠的，可在重载、低速、高温、含有泥沙、腐蚀等环境下工作，可靠地应用于水轮机导叶轴承、水工金属结构、冶金设备等机械行业。

附图说明

图1是传统固相烧结断面示意图；

图2是本发明实施例烧结前的断面示意图；

图3是本发明实施例烧结后的断面示意图；

图4是本发明实施例的工艺流程图。图中，

1纯铜粉 2纯锡粉 3石墨粉 4铅粉 12锡青铜粉末或铜锡合金 20钢(铜)基体

具体实施方式

采用82％的纯铜粉、5％的纯铅粉、13％的纯锡粉和占上述金属粉末总量8％的石墨粉，粒度均在200目以上，在V形混料机上进行均匀混合，上述百分数为质量百分数；将混合粉体涂覆于钢板、不锈钢板或青铜板上进行烧结，如图2所示，气氛为：真空度≤10Pa，或者在纯度为99.9％以上的纯氢气，或液氨分解气体(75％的氢气，25％的氮气)。

烧结分两次：第一次烧结温度为300℃～800℃，实现铜粉之间的有限连接。在此过程中低熔点的锡粉、铅粉熔化为液相，致使烧结在有液相存在的情况下进行。由于锡在铜中有一定的溶解度，液相的锡会溶入固相的铜中，在其表面一定深度范围内形成置换固溶体，即合金。同时在铜粉之间、铜粉和钢基体之间形成烧结颈，实现有限连接。锡和铜之间形成的固溶体使铜的晶格发生畸变，使合金的强度和塑性提高。含锡量在15％时强度达到最大值，而塑性则在含锡量为12％时达到最大值。烧结后期液相消失，称之为瞬间液相烧结。铅粉在铜锡合金中无溶解度，且不生成化合物，因而以单独铅质点分布于铜锡固溶体晶界或枝晶网胞间，其作用是提高材料的减摩性能。同时通过这一过程的烧结，原来锡粉和铅粉的位置变成了空缺，石墨便分布在其中，这样复合材料的石墨含量可以达到6～10％。烧结后的烧结断面示意图，如图3所示。

第一次烧结后将板材轧制到一定密度，再于600℃～900℃进行第二次烧结。这个过程有两个目的：一是通过轧制使已形成的合金粉末之间的接触面积增大，提高了密度；再次烧结实现粉末之间完全的连接，达到需要的烧结牢度；二是已形成的合金组织中含有不稳定的(α+δ)共析体，经过二次烧结相当于退火处理，使δ相减少甚至全部消失，而促使强度和塑性提高。

经过上述两次烧结后的板材再经轧制、退火，制成复合材料板材。将该板材通过冷加工制作成各种形状的滑动轴承零件，如轴套、滑道、抗磨板、球关节轴承等。

上述工艺流程如图4所示。

将采用本发明的制造方法所生产的双金属自润滑轴承材料的各项性能参数列于下表中：

石墨含量(％)	干摩擦系数	静承载能力(MPa)	动承载能力(MPa)	极限PV值(MPam/s)	最大滑动速度(m/s)
						6	0.13---0.18	320	150	1.1	0.3
8	0.116---0.122	280	110	1.1	0.5
						10	0.119---0.129	280	120	1.3	1.0

上述性能指标均来源于大连理工大学振动与强度测试中心的测试报告。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双金属自润滑轴承材料的制造方法，包括如下工艺步骤：

(1)粉体混合：将混合纯金属粉末和占所述混合纯金属粉末总质量的5～10％的石墨粉在混料机上进行均匀混合；所述混合金属粉末包括70～90％的纯铜粉，0～10％的纯铅粉，5～20％的纯锡粉，上述百分数均为质量百分数；

(2)二次烧结：将上述混合粉体涂覆于钢板、不锈钢板或青铜板上进行烧结；烧结分二次：

首先在高于锡粉熔点但低于铜合金烧结温度的温度进行烧结，烧结后期液相消失，称之为瞬间液相烧结；在此过程中，铜粉之间及铜粉与钢基体之间形成有限连接；同时锡铜之间形成固溶体；铅粉以单独铅质点分布于铜锡固溶体晶界或枝晶网胞间；并使原来锡粉和铅粉位置形成了空缺，石墨分布其中；

一次烧结后的板材经轧制，继而按铜合金的烧结温度进行第二次烧结，实现粉末之间的完全连接并相当于退火处理，使δ相减少甚至全部消失；

(3)精轧退火制成双金属自润滑轴承材料。

2.根据权利要求1所述的双金属自润滑轴承材料的制造方法，其特征在于：所述混合金属粉末包括80～90％的纯铜粉，0～10％的纯铅粉，10～20％的纯锡粉，上述百分数均为质量百分数。

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