CN101871058A - 一种金属基自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种金属基自润滑复合材料及其制备方法 Download PDF

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刘利利
王述仁
于日鸿
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Abstract

本发明公开了一种金属基自润滑复合材料，镀铜石墨粉4～10％，青铜粉90～96％，其中镀铜石墨粉中铜和石墨的比例是铜30～50％、石墨50～70％。该复合材料的制备方法是在钢基体上预烧结一层球形青铜粉，将镀铜石墨粉、青铜粉按上述比例混合，搅拌后均匀涂布在基体表面，以氢气为保护气氛初烧成型，在轧制处理后进行复烧，初烧和复烧的温度制度是在700～850℃保温0.5～1小时。本发明高强度耐磨自润滑复合材料中石墨的分布均匀、界面结合良好，材料整体兼有良好的机械性能和和摩擦性能。同时，该复合材料的使用可大量节约有色金属材料，降低成本，而且不含铅，绿色环保，可用于制造自润滑滑动轴承、滑道板。

Description

一种金属基自润滑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及自润滑复合材料领域，具体是一种金属基自润滑复合材料及其制备方法。
背景技术
石磨具有较高的导电性、导热性、润滑性和高温强度及高熔点(常压不熔化，3500℃直接升华)等许多优良性质，因此用途广泛，特别是与金属制成的复合材料，这是目前研究的热门课题。由于其减摩和防咬合性能好，可作为各种轴承和滑动部件的新材料及导电材料，如铜-石墨复合材料，铝-硅-铜-石墨复合材料等。
以铜-石墨复合材料为例，铜-石墨复合材料具有良好的导电性、导热性及优越的润滑性能，被广泛用作电刷材料、电触头材料及滑动轴承，由于滑动轴承工作条件特殊，要求材料具有自润滑、耐磨性和高强度，但目前的铜-石墨复合材料还很难同时满足这些高性能的要求。传统制备工艺制造此类复合材料，一般采用粉末冶金法和液态冶金法。若采用粉末冶金法，即将石墨粉与铜粉通过机械混合，由于金属粉末与石墨粉末密度差别大，石墨粉末凝聚性强，分散性差，故混合不容易均匀，易产生偏析。同时，由于石墨和铜及其合金两相不润湿，石墨与铜及其合金热膨胀系数(a石墨＝4～6×10-6/k)差异大，易产生大的热应力，导致界面结合不良，因而对复合材料性能影响较大，使其使用寿命难以提高。所以，用粉末冶金法制成的复合材料很难达到这种组织要求。若采用液态冶金法，由于石墨与铜在1100℃和铝在980℃时的润湿角分别高达140℃和136℃，石墨很难分散于铜合金和铝硅合金中，并易产生偏析，故也应需要改善石墨与铜、铝合金的润湿性。
中国发明专利CN1367269A公开了一种金属自润滑复合材料及其制备方法，其中添加了一定比例的PbO。首先，铅属于有害物质，铅及其氧化物将逐步被禁止使用；其次，PbO在常温下摩擦系数比较大，只有在400℃以上时才会体现出优于MoS2的润湿性。有研究表明其具有良好润滑性的温度范围是480～850℃，属于高温润滑组元序列，因此，产品的生产和应用领域有限。
发明内容
为了克服现有铜基石墨复合材料的界面结合力弱和石墨偏析问题，本发明提供了一种金属基自润滑复合材料及其制备方法。
本发明的技术方案是这样实现的：一种金属基自润滑复合材料，包括下述组分，其质量百分比为：
镀铜石墨粉  4～10％
青铜粉  90～96％
所述镀铜石墨粉中铜和石墨的质量比为：铜30～50％、石墨50～70％。
一种金属基自润滑复合材料的制备方法，按下述步骤制备而成：在钢基体上预烧结一层球形青铜粉，将镀铜石墨粉、青铜粉按上述比例混合，搅拌后均匀涂布在基体表面，以氢气为保护气氛初烧成型，在轧制处理后进行复烧，初烧和复烧的温度制度是在700～850℃保温0.5～1小时。
所述保护气氛是由氨气分解得到。
所述镀铜石墨粉是通过化学镀铜在石墨的表面沉积一层铜涂层。
镀铜石墨粉通过表面的化学镀铜层与基体的金属化结合，在减摩层形成均匀连续的空间三维网络，并使石墨均匀弥散分布。由于石墨表面镀铜层的存在，改善石墨与合金之间的润湿性，显著地降低不良润湿产生的裂缝，对基体的切割作用。凭借良好的界面结合性能，避免了因简单机械结合而产生的固体润滑剂提前脱落、分布不均所导致润滑失效现象。从而保证自润滑效果，延长实用寿命。
其次，在摩擦机理上的改善，传统材料的润滑机理是表面挤压后，固体润滑剂颗粒完全从基体耐磨层上脱离下来，然后再对偶件上行层固体润滑润滑膜，其特点是石墨润滑膜与耐磨层发生摩擦。本发明所制备的材料，由于镀层的存在，有效地防止了固体润滑剂整体从耐磨层上脱落，其特点是表面受挤压后，表层石墨部分发生脱落并在对偶件上形成转移膜，同时，在耐磨层上未脱落的石墨也会形成润滑膜，由此一来，新技术将转变以往耐磨基体与转移润滑膜之间的摩擦方式，即青铜层与石墨发生摩擦，取而代之的是两摩擦副表面同时存在的固体润滑膜之间的摩擦，即石墨与石墨发生摩擦，因此进一步提高了摩擦性能。
为了进一步增加表层材料与基体的结合强度，在基体与表层之间设置金属化中间层，如球形铜粉，以增加表层与基体的接触面积。
本发明区别现有技术的有益效果是：本发明高强度耐磨自润滑复合材料中石墨的分布均匀、界面结合良好，材料整体兼有良好的机械性能和和摩擦性能。同时，该复合材料的使用可大量节约有色金属材料，降低成本，而且不含铅，绿色环保，可用于制造自润滑滑动轴承、滑道板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解释说明，将有助于对本发明进一步的理解，本发明的保护范围不受这些实施例的限定，本发明的保护范围由权利要求书来限定。
实施例1
(1)在钢基体上预烧结一层球形青铜粉，将成分为6％镀铜石墨粉和94％无铅青铜粉，通过机械高速搅拌混合均匀后，以5mm厚度涂布于基体表面。
(2)在以分解氨气为保护气氛的烧结炉中烧结成型，温度700～850℃，保温1小时，然后进行轧制处理。
(3)在以分解氨气为保护气氛的烧结炉中复烧，在700～850℃温度下保温1小时，冷却后调平整形。
实施例2
选用8％镀铜石墨粉和92％无铅青铜粉，制备方法同实施例1。
实施例3
选用8％镀铜石墨粉、91％无铅青铜粉和1％纳米二氧化硅，制备方法同实施例1。
按上述配方和工艺所制得的产品的摩擦磨损性如表1，机械性能如表2所示。
表1 摩擦磨损性能参数
  实验条件   平均摩擦系数   磨损率(105mm3/m)
  干摩擦   0.18～0.25   60.68～83.12
  水润滑   0.17～0.23   58.25～81.65
测试条件：MPX-2000型摩擦磨损试验机，载荷300N，转速0.634m/s，时间2小时，温度是室温。
表2 力学性能参数
  硬度(HB)   密度(g/cm3)  压缩强度(MPa)
  40～80   6.44～7.46  150～240
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 (5)

1.一种金属基自润滑复合材料，其特征在于，包括下述组分，其质量百分比为：
镀铜石墨粉        4～10％
青铜粉            90～96％。
2.根据权利要求1所述的金属基自润滑复合材料，其特征在于，所述镀铜石墨粉中铜和石墨的质量比为：铜30～50％、石墨50～70％。
3.一种金属基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，按下述步骤制备而成：在钢基体上预烧结一层球形青铜粉，将镀铜石墨粉、青铜粉按上述比例混合，搅拌后均匀涂布在基体表面，以氢气为保护气氛初烧成型，在轧制处理后进行复烧，初烧和复烧的温度制度是在700～850℃保温0.5～1小时。
4.根据权利要求3所述的金属基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述保护气氛是由氨气分解得到。
5.根据权利要求3所述的金属基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述镀铜石墨粉是通过化学镀铜在石墨的表面沉积一层铜涂层。
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