CN102151833A - 高性能环保铜铋双金属轴承材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能环保铜铋双金属轴承材料及其制造方法。旨在提供一种不含对人体有害铅的高性能环保铜铋双金属轴承材料及其制造方法。它是由钢板和铜基合金耐磨层烧结而成，其特征是：铜基合金耐磨层的配方组成按重量百分比为：铋1％～3％、锡5％～11％，余量为铜。制造方法：钢板剪切下料→检验→铺粉→一次烧结→轧制→二次烧结→复轧→高性能环保铜铋双金属轴承材料的板材成品。由于铜基合金中用铋代替铅，不含铅，对人体无毒害，对环境无污染，是一种环保型铜基一钢双金属轴承材料。同时其中铋含量为1.0～3.0wt％时，铜基一钢双金属轴承材料的摩擦磨损性能为最佳，另外由于铋的密度比铅小，所制造的轴承材料比含铅要轻。

Description

高性能环保铜铋双金属轴承材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及无油润滑轴承的材料，尤其涉及一种高性能环保铜铋双金属轴承材料及其制造方法。

背景技术

传统的铜铅合金轴承材料由于其承载能力大、疲劳强度高和导热性好被广泛用作制造大功率、高速重载的滑动轴承材料。工作过程中，低熔点组元铅受局部接触摩擦热的作用会向表面渗出、转移，降低接触点的剪切强度，能够提高材料的抗粘着性、抗卡滞能力，降低摩擦阻力和摩擦温升。然而，近年来，随着人类对健康、环保要求愈加重视和国际上汽车排放及环保标准的出台，对汽车材料的环保性能提出了更高的要求。特别是国际标准IS04383：2000有“将来由于环保要求将限制某些铅类材料的使用”。因此，寻求无铅铜基轴承材料来替代传统铜铅合金轴承材料已刻不容缓。无毒低熔点金属元素铋与铅相似，不溶于铜、铝合金，基本以游离态形式存在，对合金基体的强度影响较小，摩擦过程中因摩擦热引起铋熔化而在摩擦表面形成具有抗粘、减摩作用的膜，从而改善复合材料的摩擦磨损特性，已率先在铝基复合材料中得到应用；同样将金属元素铋引入到铜基轴承材料中也可起减摩、抗粘着作用，已有无铅铜铋复合材料的应用研究报道如专利200810072436.6环保型铜基一钢双金属轴瓦材料及其制造方法、200910044854.9铋青铜-钢复合双金属轴承材料及其制造方法等，普遍在铜基合金中铋含量占总重量的1％-15％，有的甚至达到30％，目前系统地开展无铅铜铋轴承材料的摩擦学特性及机理的研究还比较缺乏。随着铋在铜基合金中作为轴瓦的材料的应用，铋的价格一路飙升，铋锭达到每吨13万-15万，如果通过研究其摩擦学特性及规律，探讨铋在减摩、抗粘着方面的作用，确定铋在无铅铜铋轴承材料的合理含量，对铋金属的合理利用、产品性能和经济性的提高，对研制开发新型高性能的无铅铜铋轴承材料具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不含对人体有害铅的高性能环保铜铋双金属轴承材料及其制造方法。

为了达到上述目的，高性能环保铜铋双金属轴承材料：是由钢板和铜基合金耐磨层烧结而成，其特征是：铜基合金耐磨层的配方组成按重量百分比为：铋1％～3％、锡5％～11％，余量为铜。所述的钢板表面有镀铜层。

上述高性能环保铜铋双金属轴承材料的制造方法依次是：钢板剪切下料→检验→铺粉→一次烧结→轧制→二次烧结→复轧→高性能环保铜铋双金属轴承材料的板材成品，其中：

铺粉：按重量百分比为铋粉1％～3％、锡粉5％～11％和余量为铜粉进行精确称重配比，并充分混和为混和粉或是预先将铋、锡和铜一起溶化制成合金粉，其中合金粉的成份按重量百分比为铋1％～3％、锡5％～11％和余量为铜，然后将混和粉或合金粉铺覆在洁净的钢板上，铺粉厚度为0.5～3mm；

一次烧结：在氨分解气氛N₂，H₂的保护条件下烧结，烧结温度800℃～850℃，保温10～30min；

二次烧结：在氨分解气氛N₂，H₂的保护条件下烧结，烧结温度800℃～850℃，保温10～30min。

在所述的钢板剪切下料和检验工序之间还有在钢板表面镀铜的工序。

本发明的优点是：由于铜基合金中用铋代替铅，不含铅，对人体无毒害，对环境无污染，是一种环保型铜基一钢双金属轴承材料。同时其中铋含量为1.0～3.0wt％时，铜基一钢双金属轴承材料的摩擦磨损性能为最佳，另外由于铋的密度比铅小，所制造的轴承材料比含铅要轻。

附图说明

图1是高性能环保铜铋双金属轴承材料的剖面放大图；

图2是在定载荷试验时铋含量为0～5.0wt％摩擦因数与试验时间的关系曲线图；

图3是在定载荷试验时铋含量为0～5.0wt％温度与时间的关系曲线图；

图4是无铅铜锡合金在定载摩擦磨损试验后的磨痕形貌照片；

图5是铋含量2.0wt％的无铅铜锡合金在定载摩擦磨损试验后的磨痕形貌照片；

图6是铋含量4.0wt％的无铅铜锡合金在定载摩擦磨损试验后的磨痕形貌照片；

图7是在变载荷试验时铋含量为0～5.0wt％温度与时间的关系曲线图；

图8是在变载荷试验时铋含量为0～5.0wt％摩擦因数与试验载荷的关系曲线图；

图9是铋含量1.0wt％的无铅铜锡合金在1600N载荷摩擦磨损试验后的磨痕形貌照片；

图10是铋含量1.0wt％的无铅铜锡合金在2000N载荷摩擦磨损试验后的磨痕形貌照片。

图中：1、钢板；2、铜基合金耐磨层；3、镀铜层。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的描述。

实施例一：

高性能环保铜铋双金属轴承材料：它是由钢板1和铜基合金耐磨层2烧结而成；铜基合金耐磨层的配方组成按重量百分比为：铋1％、锡5％，余量为铜。所述的钢板表面有镀铜层3。

上述高性能环保铜铋双金属轴承材料的制造方法是：钢板剪切下料→钢板镀铜形成镀铜层3→检验→铺粉→一次烧结→轧制→二次烧结→复轧→高性能环保铜铋双金属轴承材料的板材成品如图1所示，其中：

铺粉：按重量百分比为铋粉1％、锡粉5％和余量为铜粉进行精确称重配比，并充分混和为混和粉，然后将混合均匀的混和粉铺覆在洁净的冷轧镀铜低碳钢板上，铺粉厚度约为0.60mm；

一次烧结：在氨分解气氛N₂，H₂的保护条件下烧结，烧结温度800℃～850℃，保温10min；

二次烧结：在氨分解气氛N₂，H₂的保护条件下烧结，烧结温度800℃～850℃，保温10min。

实施例二：

高性能环保铜铋双金属轴承材料：它是由钢板1和铜基合金耐磨层2烧结而成；铜基合金耐磨层的配方组成按重量百分比为：铋2％、锡8％，余量为铜。所述的钢板表面有镀铜层3。

上述高性能环保铜铋双金属轴承材料的制造方法是：钢板剪切下料→钢板镀铜形成镀铜层3→检验→铺粉→一次烧结→轧制→二次烧结→复轧→高性能环保铜铋双金属轴承材料的板材成品，其中：

铺粉：先将铋、锡和铜一起溶化制成合金粉，其中合金粉的成份按重量百分比为铋2％、锡8％和余量为铜，然后将合金粉铺覆在洁净的冷轧镀铜低碳钢板上，铺粉厚度为1mm；

一次烧结：在氨分解气氛N₂，H₂的保护条件下烧结，烧结温度800℃～850℃，保温20min；

二次烧结：在氨分解气氛N₂，H₂的保护条件下烧结，烧结温度800℃～850℃，保温20min。

实施例三：

高性能环保铜铋双金属轴承材料：它是由钢板1和铜基合金耐磨层2烧结而成；铜基合金耐磨层的配方组成按重量百分比为：铋3％、锡10％，余量为铜。

上述高性能环保铜铋双金属轴承材料的制造方法是：钢板剪切下料→检验→铺粉→一次烧结→轧制→二次烧结→复轧→高性能环保铜铋双金属轴承材料的板材成品，其中，

铺粉；按重量百分比为铋粉3％、锡粉10％和余量为铜粉进行精确称重配比，并充分混和为混和粉，然后将混合均匀的混和粉铺覆在洁净的冷轧低碳钢板上，铺粉厚度约为3mm；

一次烧结：在氨分解气氛N₂，H₂的保护条件下烧结，烧结温度800℃～850℃，保温30min；

二次烧结：在氨分解气氛N₂，H₂的保护条件下烧结，烧结温度800℃～850℃，保温30min。

材料的性能测试

摩擦磨损试验在合肥工业大学摩擦学研究所自制的HDM-20型端面摩擦磨损试验机上进行，摩擦副为环-块型接触滑动方式。待测试样尺寸为38mm×38mm×2.35mm，被测试样品的铜合金中分别铋的重量百分比为：铋0％、铋1％(实施例一)、铋2％(实施例二)、铋3％(实施例三)、铋4％和铋5％，对磨环材料为淬火45^#钢，硬度值为HRC50±3，其表面接触尺寸为：内径22mm，外径30mm；摩擦磨损试验条件为：浸渍30^#机油作为润滑油，摩擦线速度为1.089m/s。载荷分定载和变载两种形式。

定载试验：载荷固定为1200N，时间60min；变载时，试验载荷从800N开始先跑合15min，再加载到1200N试验10min，然后每隔10min加载一次，每次载荷增加400N，直到出现摩擦副摩擦因数突然上升且温度急剧升高的情况时，则停止试验。由试验机的智能检测系统自动记录试验过程中的瞬态摩擦因数如图2所示、摩擦温度如图3所示。本次每个试验结果为3次平行试验结果的平均值。由光学显微镜观测试验后的磨痕形貌如图4为含铋0wt％的铜锡合金、图5为含铋2wt％的铜锡合金、图6为含铋4wt％的铜锡合金。在图4可以看出：表面磨损较严重，有明显的犁沟和粘着撕裂痕迹存在，擦伤、粘着是其主要磨损失效形式。通过图5与图6比较，可以看出铋含量为4.0wt％的无铅铜铋轴承材料的磨痕表面，其磨损程度明显比铋含量为2.0wt％的无铅铜铋轴承材料严重，擦伤、犁沟明显，局部区域有明显的铋的堆积和剥落的痕迹，擦伤、粘着与剥落是其主要磨损失效形式。

变载试验：变载荷条件下的摩擦磨损试验，能进一步考察轴承材料的抗粘着、咬合特性和其承载能力。经变载试验其不同摩擦副表面温度及摩擦副摩擦因数的变化曲线分别如图7和图8所示。可以看出：试验载荷对铜基轴承材料的摩擦学特性有较大的影响，与定载荷、定速度试验相同，无铅铜锡合金的减摩、抗粘特性较差，800N时，摩擦副摩擦因数相对较高，而且随着试验载荷的增大，摩擦副摩擦因数几乎成直线上升，当载荷升至1200N时，摩擦副摩擦因数明显高于其他无铅铜铋轴承材料摩擦副的摩擦因数，而且波动幅度较大，极不平稳；当载荷升至1600N时，摩擦副摩擦因数快速升至0.20以上，并伴有明显的噪声、出现震动，表明摩擦副已发生严重粘着和咬合，此时无铅铜锡合金材料失效；与摩擦因数相对应，其摩擦副表面温升速率也较快。与无铅铜锡合金相比，无铅铜铋轴承材料在规律变载荷条件下，有较好的抗粘着、咬合性能，一定载荷条件下表现出摩擦副运行平稳、摩擦因数小以及摩擦副表面温升速率低。无铅铜铋轴承材料中铋的含量多少对其在变载条件下的抗粘着、咬合性能也有较大的影响，铋含量有一最佳范围，当含铋量为2.0～3.0wt％时，无铅铜铋轴承材料的抗粘着、咬合性能好，承载能力高；其中铋含量为3.0wt％的无铅铜铋轴承材料最好，载荷从800N升至2000N时，其减摩、抗粘着性能几乎不受载荷的影响，摩擦副摩擦因数一直维持在0.05左右，变化平稳，摩擦副的表面温升速率也最低，载荷升至2400N时，摩擦副摩擦因数与表面温升速率有明显上升的趋势，载荷升至2800N时，摩擦副摩擦因数与表面温升速率快速上升，并伴有明显的震动与噪声，摩擦副发生严重粘着和咬合而失效。而铋含量为4.0wt％和5.0wt％的无铅铜铋轴承材料在变载荷条件下也体现相对较差的抗粘着、咬合性能，载荷分别超过1200N和1600N时，摩擦副就发生严重粘着、咬合而失效。与定载荷试验不同的是，铋含量为1.0wt％的无铅铜铋轴承材料也体现相对较差的抗粘着、咬合性能，当载荷超过1600N时，摩擦副也发生严重粘着、咬合而失效，其承载能力比含铋量为2.0～3.0wt％的铜铋轴承材料低，可见无铅铜铋轴承材料中的铋含量过高或过低均不利于材料的抗粘着、咬合性能的提高。

图9、图10为铋含量为1.0wt％无铅铜铋轴承材料磨痕表面形貌，载荷为1600N时，如图9所示，磨痕表面有少许擦伤、粘着痕迹，总体磨损轻微，局部区域有低熔点组元铋渗出并在表面铺展的痕迹，铋的渗出降低了接触区域的剪切强度，润滑油膜损伤小，降低了因润滑油膜破裂而引起的粘着效应，所以与无铅铜锡合金相比，当载荷为1600N时，含铋1.0wt％的无铅铜铋轴承材料仍有较好的减摩、抗粘着性能，使得摩擦副运行较为稳定；随着载荷的增大，因油膜破裂而导致的摩擦副表面直接接触的局部区域会逐渐增多，由于铋含量相对较低，局部直接接触区域因铋渗出而避免粘着、撕裂发生的几率减小，导致其承载能力没有铋含量为2.0～3.0wt％无铅铜铋轴承材料的高，如图10所示，载荷为2000N时，铋含量为1.0wt％无铅铜铋轴承材料发生了严重的粘着、磨粒磨损，有明显的犁沟、粘着咬合痕迹。而当铋含量较多时，与定载荷试验一样，高载荷易导致铋在局部区域形成堆积、剥落，反而使得摩擦副运行不稳定，摩擦副承载能力低，所以说，适宜的铋含量有利于改善铜铋轴承材料的减摩、抗粘着性能，提高其承载能力。

通过上述试验可以得到：边界润滑条件下，无铅铜锡合金的减摩、抗粘着特性较差；与其相比，无铅铜铋轴承材料因含有低熔点组元铋，而降低接触区域的剪切强度，避免粘着撕裂的发生，体现出较好的减摩、抗粘着性能，无铅铜铋轴承材料中铋的含量对其性能有较大的影响，具体表现在：

定载试验时，由铋含量为1.0～3.0wt％无铅铜铋轴承材料组成的摩擦副运行平稳，摩擦因数较低，基本维持在0.1以下，而且波动幅度较小，摩擦副表面温升速率也低。而当铋含量超过3.0wt％之后，易使铋在局部区域形成堆积、剥落，反而导致摩擦副运行不稳定，减摩抗粘着性能变差。

变载试验时，铋含量为2.0～3.0wt％时，无铅铜铋轴承材料的抗粘着、咬合性能好，承载能力高；铋含量减至1.0wt％时，因铋渗出而避免粘着、撕裂发生的作用减小，导致其抗粘着、咬合性能变差，承载能力降低。

通过以上对铋含量为0～5.0wt％的高性能环保铜铋双金属轴承材料的定载试验和变载试验，我们惊奇地发现无铅铜铋轴承材料因有低熔点组元铋的存在，能阻碍因油膜破裂而引起的摩擦副局部区域的直接接触，体现出较好的减摩、抗粘着性能，定载试验时，铋含量为1.0～3.0wt％时无铅铜铋轴承材料的减摩、抗粘着性能较好；变载试验时，铋含量为2.0～3.0wt％时，无铅铜铋轴承材料的抗粘着、咬合性能好，承载能力高，而且在铋含量小于1.0wt％和大于3.0wt％时，其摩擦性能都会趋于下降。该发明完全克服了多年来认为在含铋双金属轴承材料中铋含量占总重量的1％～15％如此大范围的技术偏见，发明取得了预料不到的技术效果，与现有技术相比，其技术效果产生了“质”的变化，具有新的性能；完全超出技术人员预期的想象，具有突出的实质性特点和显著的进步。为确定铋在无铅铜铋轴承材料的合理含量，对铋金属的合理利用、产品性能和经济性的提高，对研制开发新型高性能的无铅铜铋轴承材料具有十分重要的意义。

Claims (4)

1.高性能环保铜铋双金属轴承材料，是由钢板和铜基合金耐磨层烧结而成，其特征是：铜基合金耐磨层的配方组成按重量百分比为：铋1％～3％、锡5％～11％，余量为铜。

2.根据权利要求1所述的高性能环保铜铋双金属轴承材料，其特征是所述的钢板表面有镀铜层。

3.如权利要求1所述的高性能环保铜铋双金属轴承材料的制造方法，其特征依次是：

钢板剪切下料→检验→铺粉→一次烧结→轧制→二次烧结→复轧→高性能环保铜铋双金属轴承材料的板材成品，其中：

铺粉：按重量百分比为铋粉1％～3％、锡粉5％～11％和余量为铜粉进行精确称重配比，并充分混和为混和粉或是预先将铋、锡和铜一起溶化制成合金粉，其中合金粉的成份按重量百分比为铋1％～3％、锡5％～11％和余量为铜，然后将混和粉或合金粉铺覆在洁净的钢板上，铺粉厚度为0.5～3mm；

一次烧结：在氨分解气氛N₂，H₂的保护条件下烧结，烧结温度800℃～850℃，保温10～30min；

二次烧结：在氨分解气氛N₂，H₂的保护条件下烧结，烧结温度800℃～850℃，保温10～30min。

4.如权利要求2所述的高性能环保铜铋双金属轴承材料的制造方法，其特征依次是：

钢板剪切下料→钢板镀铜→检验→铺粉→一次烧结→轧制→二次烧结→复轧→高性能环保铜铋双金属轴承材料的板材成品，其中：

铺粉：按重量百分比为铋粉1％～3％、锡粉5％～11％和余量为铜粉进行精确称重配比，并充分混和为混和粉或是预先将铋、锡和铜一起溶化制成合金粉，其中合金粉的成份按重量百分比为铋1％～3％、锡5％～11％和余量为铜，然后将混和粉或合金粉铺覆在洁净的镀铜钢板上，铺粉厚度为0.5～3mm；

一次烧结：在氨分解气氛N₂，H₂的保护条件下烧结，烧结温度800℃～850℃，保温10～30min；

二次烧结：在氨分解气氛N₂，H₂的保护条件下烧结，烧结温度800℃～850℃，保温10～30min。

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