CN103695699A - 含混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金材料，由硅酸盐矿粉、Sn和Cu混合制备而成，以质量百分比计，该混合成分为：Cu85～90％，Sn5～10％，混合硅酸盐矿粉1～5％。一种含混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：将混合粉末在混料机中混合均匀，在真空热压炉中从室温以3-8℃／min升温至500～700℃；开始加压，再以4～9℃／min升温至800～1000℃；保温保压60-90min后卸压并随炉冷至室温。本发明具有成本低、对环境的危害少、生产出的耐磨材料耐磨性能好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金烧结材料，尤其涉及一种含混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金材料及其制备方法，属于合金材料技术领域。
背景技术
磨损是机械材料失效的三种主要形式之一，我国机械设备每年因磨损造成的损失高达上千亿元。现有工业机械中对于承受较大摩擦载荷的零件，一般采用铜及铜合金作为耐磨对偶材料，存在的问题是铜合金减磨性能优良，但耐磨性能有限，尤其在工程机械中使用的零件往往要承受高载荷，往复长周期运转，传统的铜合金材料使用寿命一直有待提高。
铅青铜合金一般用来制造高速运转、高冲击载荷及高温条件下工作的滑动轴承，被广泛应用于汽车、机床等零部件材料。近年来，随着国际环保标准的不断提高，开发无铅或者低铅的铜合金材料已成必然趋势。
2011年12月5日申请的第201110399464.0号专利，在含Pb13％-15％的铜合金中又加入了0.6-1％的RE，采用极其复杂的熔炼方法，制备了耐磨性能较好的摩擦副材料，但制造成本高昂，而且会产生铅污染。
2013年申请的第201310114995.X号专利，使用Ag替代Pb，虽然实现了轴瓦材料的无铅化，但材料成本昂贵，不宜推广使用。
国内许多高校都在耐磨铜合金材料研发及改进方面做了大量研究，但许多研究成果由于生产制造成本过高，还只停留在实验室阶段，难以工业化推广。
海泡石和蒙脱石均为层状结构硅酸盐，众所周知具有层状结构的石墨和二硫化钼作为固体润滑剂加入铜合金后，可明显改进其耐磨性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供了一种成本低、对环境的危害少、生产出的耐磨材料耐磨性能好的含混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金材料及其制备方法，解决了传统的铜合金材料制造成本高昂、可能会产生铅污染、耐磨性能差的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种含混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金材料，其特征在于，以质量百分比计，包括1～5％的硅酸盐矿粉、5～10％的锡和85～90％的铜混合制备而成。
一种含混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按比例称量铜、锡、混合硅酸盐矿粉，放入混料机中混合均匀，制成混合粉末；
步骤2：将步骤1制得的混合粉末放入真空热压炉中，以3-8℃／min的速率从室温升温至500～700℃；
步骤3：开始加压，以1MPa／s缓慢加压至25MPa，再以4～9℃／min的速率升温至800～1000℃；
步骤4：保温保压60-90min后快速卸压并随炉冷至室温。
优选地，所述的混合硅酸盐矿粉为海泡石和蒙脱石混合微粉，其中Mg4Si6O15(OH)2·6H2O的质量含量不小于50％，Si8Al4O20(OH)4的质量含量不小于40％。
优选地，所述的海泡石和蒙脱石混合微粉是通过将海泡石和蒙脱石矿石经球磨，成为粒度不大于1μm的粉体。
本发明为了在不添加更多合金元素的前提下，采用廉价的矿物质成分，以较低成本的改进传统铜合金材料的耐磨性能，其得到的含混合硅酸盐矿粉烧结耐磨铜合金磨损率较不含硅酸盐矿粉粉末相同铜合金母材大幅降低。并取代铜合金中铅，以减少生产与使用中对环境的危害。本发明因采用真空热压烧结方法制备了具有良好耐磨性能的新型耐磨材料，使用寿命延长。
附图说明
图1为本发明中的销盘摩擦磨损试验装置图(其中的三爪销材料为含混合硅酸盐矿粉烧结耐磨铜合金；盘材料为淬回火态45钢)。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明为一种含混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金材料，以质量百分比计，包括1～5％的硅酸盐矿粉、5～10％的锡和85～90％的铜混合制备而成。
一种的含混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：
原材料选择及组成：按比例称量铜、锡、混合硅酸盐矿粉，Cu85～90％，Sn5～10％，混合硅酸盐矿粉1～5％，放入混料机中混合均匀，制成混合粉末；
真空热压烧结：将混合粉末在混料机中混合均匀放入真空热压炉中，在真空热压炉中以3-8℃／min的速率从室温升温至500～700℃；开始加压，以1MPa／s缓慢加压至25MPa，再以4～9℃／min的速率升温至800～1000℃；保温保压60-90min后快速卸压并随炉冷至室温。
混合硅酸盐矿粉为海泡石和蒙脱石混合微粉，海泡石属硅酸盐矿物，理想分子式为Mg4Si6O15(OH)2·6H2O；蒙脱石属硅酸盐矿物，理想分子式为Si8Al4O20(OH)4，其中Mg4Si6O15(OH)2·6H2O的质量含量不小于50％，Si8Al4O20(OH)4的质量含量不小于40％。海泡石和蒙脱石混合微粉是通过将海泡石和蒙脱石矿石经球磨，成为粒度不大于1μm的粉体。
原料选用工业用500目粒度的海泡石粉和蒙脱石粉在高能球磨机上自制而成，最终粒度为1500目。两种矿物粉不可同时加入高能球磨机中球磨，而是分别球磨至1500目，后在V型或滚筒混料机中混粉2-3小时，制成混合粉末。
铜、锡采用200目工业纯的粉末。
实施例1
1.原料
海泡石：蒙脱石固定比例为：1∶1，含量1wt％；
铜：89wt％；
锡：10wt％。
2.制备过程及步骤
2.1制备海泡石和蒙脱石混合微粉：将海泡石和蒙脱石矿石经球磨后制成粒度≤1μm的粉体。
2.2混粉：将各原料按比例混合后，用V型混料机混粉2h。
2.3将混合粉末在真空热压炉中从室温以8℃／min的速率升温至500℃后加压至25MPa，再以4℃／min的速率升温至1000℃，保温保压70min，快速卸压并随炉冷至室温。
实施例2
1.原料
海泡石：蒙脱石固定比例为：1∶1，含量3wt％；
铜：87wt％；
锡：10wt％。
2.制备过程及步骤
2.1制备海泡石和蒙脱石混合微粉：将海泡石和蒙脱石矿石经球磨后制成粒度≤1μm的粉体。
2.2混粉：将各原料按比例混合后，用V型混料机混粉2h。
2.3将混合粉末在真空热压炉中从室温以3℃／min的速率升温至700℃后加压至25MPa，再以9℃／min的速率升温至1000℃，保温保压60min，快速卸压并随炉冷至室温。
实施例3
1.原料
海泡石：蒙脱石固定比例为：1∶1，含量5wt％；
铜：90wt％；
锡：5wt％。
2.制备过程及步骤
2.1制备海泡石和蒙脱石混合微粉：将海泡石和蒙脱石矿石经球磨后制成粒度≤1μm的粉体。
2.2混粉：将各原料按比例混合后，用V型混料机混粉2h。
2.3将混合粉末在真空热压炉中从室温以6℃／min的速率升温至600℃后加压至25MPa，再以6℃／min的速率升温至800℃，保温保压90min，快速卸压并随炉冷至室温。
对比例
1.原料
铜：90wt％；
锡：10wt％。
2.制备过程及步骤
2.1混粉：将各原料按比例混合后，用V型混料机混粉2h。
2.2将混合粉末在真空热压炉中从室温以／min的速率升温至500℃后加压至25MPa，再以／min的速率升温至，保温保压70min，快速卸压并随炉冷至室温。
将实施例1-3及对比例(此例为传统的铜合金材料制备过程)制得的铜合金材料进行摩擦磨损试验测试：
将实施例1-3及对比例制得的铜合金材料复烧后切割成三爪式销结构的试样1，清洗烘干后在电子天平上称重量为m1；对磨材料2采用淬回火态45钢，尺寸为Φ28mm的圆盘，硬度为40HRC；润滑油采用YB-46#液压油。如图1所示，将试样1与对磨材料2在MM-W1摩擦磨损试验机上进行测试，试验参数PV值1.2N／mm2·ms-1，转速0.5m／s，试验时间为2h。试验结束后将试样1清洗后在电子天平上称重为m2。
磨损率的计算：三爪销在摩擦实验前后分别在丙酮中用超声波清洗并烘干，在电子天平内称重(精确到0.1mg)，按以下公式计算磨损率：
试验结果如表1所示：
从表1的4组试样磨损率测试结果可以看出添加混合硅酸盐矿粉的烧结铜合金磨损率均低于不添加混合硅酸盐矿粉的烧结铜合金，而含有3％混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金具有最低磨损率，说明其耐磨性能最优，由表1计算得出含有3％混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金磨损率较不添加混合硅酸盐矿粉的烧结铜合金磨损率下降了75％，耐磨性能提高明显。
Claims (4)
1.一种含混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金材料，其特征在于，以质量百分比计，包括1～5％的硅酸盐矿粉、5～10％的锡和85～90％的铜混合制备而成。
2.一种如权利要求1所述的含混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按比例称量铜、锡、混合硅酸盐矿粉，放入混料机中混合均匀，制成混合粉末；
步骤2：将步骤1制得的混合粉末放入真空热压炉中，以3-8℃／min的速率从室温升温至500～700℃；
步骤3：开始加压，以1MPa／s缓慢加压至25MPa，再以4～9℃／min的速率升温至800～1000℃；
步骤4：保温保压60-90min后快速卸压并随炉冷至室温。
3.如权利要求2所述的一种含混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金材料的制备方法，其特征在于，所述的混合硅酸盐矿粉为海泡石和蒙脱石混合微粉，其中Mg4Si6O15(OH)2·6H2O的质量含量不小于50％，Si8Al4O20(OH)4的质量含量不小于40％。
4.如权利要求3所述的一种含混合硅酸盐矿粉的烧结耐磨铜合金材料的制备方法，其特征在于，所述的海泡石和蒙脱石混合微粉是通过将海泡石和蒙脱石矿石经球磨，成为粒度不大于1μm的粉体。
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|---|---|---|---|---|
| CN107030288A (zh) * | 2017-03-14 | 2017-08-11 | 陕西省机械研究院 | 一种天然气压缩机耐磨防腐铜合金环的制备方法 |
| CN114369482A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-04-19 | 烟台大学 | 一种纳米级超滑粉体减摩添加剂制备和使用方法 |
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