CN104249154A - 一种金属基自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属基自润滑复合材料及其制备方法。本发明所述金属基自润滑复合材料包括：金属基体、复合于金属基体表面的混合层，所述混合层包括铜合金与自润滑材料。本发明还提供了金属基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：a）在金属基体的表面烧结铜合金粉，使所述金属基体表面形成铜合金层；b）在所述铜合金层表面刮涂或浸涂润滑材料，然后抽真空，得到金属板，将所述金属板烘干；c）重复步骤b）多次；d）将步骤c）得到的金属板进行烧结，得到金属基自润滑复合材料。本发明通过抽真空的方式，并重复抽真空的操作，使金属基体表面形成致密且自润滑材料弥散分布于铜合金中的混合层，使金属基自润滑复合材料润滑性与耐磨性较好。

Description

一种金属基自润滑复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种金属基自润滑复合材料及其制备方法。

背景技术

滑动轴承是在滑动摩擦下工作的轴承。对于高速、重载、高精度以及结构上需要剖分的场合，需采用滑动轴承。目前，使用较多的是钢-铜合金层叠复合材料制成的滑动轴承，该类轴承承载力大、耐磨性好，使用成本低。但是滑动轴承在使用过程中必须要进行充分的润滑，而在使用初期额外添加的润滑剂不能充分进入摩擦表面，润滑不充分，从而造成早期磨损或“咬轴”现象。针对钢-铜合金复合材料滑动轴承的缺点，研究者开发了新型的滑动轴承材料，即在基体材料表面涂覆润滑层。

例如：申请号为200720068200.6的中国专利公开了一种喷涂有润滑层的双金属轴承，所述轴承包括至少由钢和铜合金两种材料层叠的复合材料制成的开口轴承或平板，在所述铜合金层表面喷涂有一层润滑膜。申请号为200810153158.7的中国专利公开了一种耐磨铜基梯度材料及其制备方法，该材料具有三层结构，一外层材质为铜-氧化锆，另一外层材质为铜-石墨，中间层材质为纯铜。滑动轴承在实际应用过程中，需要具有较好的润滑性与耐磨性。上述两个专利中公开的轴承具有较好的润滑耐磨性，但是仍然不是很理想。由此，本申请提供了一种金属基自润滑复合材料及其制备方法。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种金属基自润滑复合材料的制备方法，本发明制备的金属基自润滑复合材料具有较好的润滑性与耐磨性。

有鉴于此，本发明提供了一种金属基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a）在金属基体的表面烧结铜合金粉，使所述金属基体表面形成铜合金层；

b）在所述铜合金层表面刮涂或浸涂自润滑材料，然后抽真空，得到金属板，将所述金属板烘干；

c）重复步骤b）多次；

d）将步骤c）得到的金属板进行烧结，得到金属基自润滑复合材料。

优选的，所述铜合金粉的粒径为60目～200目。

优选的，所述铜合金层的厚度大于0.3mm。

优选的，所述自润滑材料为高分子材料和无机固体自润滑材料中的一种或两种。

优选的，所述高分子材料为聚四氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚甲醛和聚醚醚酮中的一种或多种。

优选的，所述无机固体自润滑材料包括二硫化钼和石墨中的一种或两种。

优选的，步骤b）中所述抽真空的真空度为大于0.07MPa。

本发明还提供了一种金属基自润滑复合材料，包括：金属基体、复合于所述金属基体表面的混合层，所述混合层包括铜合金与自润滑材料。

优选的，所述混合层的厚度大于0.3mm。

优选的，所述自润滑材料为高分子材料和无机固体自润滑材料中的一种或两种。

与现有技术相比，本发明提供了一种金属基自润滑复合材料，所述金属基自润滑复合材料包括：金属基体、复合于金属基体表面的混合层，所述混合层包括铜合金与自润滑材料。本发明还提供了所述金属基自润滑复合材料的制备方法，首先在金属基体表面烧结铜合金粉，在金属基体表面形成铜合金层，然后在铜合金层表面刮涂或浸涂自润滑材料，抽真空后烘干，使自润滑材料渗透进铜合金层中，以使自润滑材料在铜合金层中弥散分布，并重复多次，最后将材料进行烧结，从而得到金属基自润滑复合材料。本申请通过在铜合金层表面多次刮涂自润滑材料，并通过抽真空，使自润滑材料渗透进铜层中，形成致密的混合层，使金属基自润滑复合材料具有较好的润滑耐磨性。

附图说明

图1为本发明金属基自润滑复合材料的结构示意图；

图2为本发明实施例1制备的金属基自润滑复合材料混合层的金相照片。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种金属基自润滑复合材料，所述金属基自润滑复合材料包括：金属基体、复合于所述金属基体表面的混合层，所述混合层包括铜合金与自润滑材料。

按照本发明，所述金属自润滑复合材料的厚度优选为1～30mm，混合层的厚度优选大于0.3mm，更优选为0.5～3mm。

本发明中所述金属基体包括但不限于碳钢、不锈钢或铜，本申请优选为冷轧碳钢薄板或冷轧碳钢带。所述铜合金中至少包括铜元素，还包括其它合金元素，所述其它合金元素优选为锡、锌、铝、铅、锰、铁和镍中的一种或多种。因此，所述铜合金可以为铜、锡和铅的合金，也可以为铜和锡的合金，还可以为铜和锡、锌、铝、铅、锰、铁、镍元素的复杂合金；所述铜合金的组成可以为10wt%的锡，10wt%的铅，余量的铜，也可以为8wt%～13wt%的锡，余量的铜。所述铜合金与润滑材料的质量比优选为1：（0.02～0.2），更优选为1：（0.05～0.15）。

所述自润滑材料可以为高分子材料，也可以为无机固体自润滑材料，也可以为高分子材料与无机固体自润滑材料的混合物。所述高分子材料优选为聚四氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚甲醛和聚醚醚酮中的一种或多种，更优选为聚四氟乙烯；所述无机固体自润滑材料优选为二硫化钼和石墨中的一种或两种。若将本发明的金属基自润滑复合材料在高温下使用，所述自润滑材料优选为二硫化钼或石墨中的一种或两种。作为优选方案，所述自润滑材料为石墨、二硫化钼与聚四氟乙烯的液态糊状混合物，所述聚四氟乙烯的含量优选大于50wt%。作为优选方案，所述石墨、二硫化钼与聚四氟乙烯的质量比优选为（0.2～0.3）：1：（3～4）。所述聚四氟乙烯摩擦系数较低，一般情况下为0.04～0.05，在高负荷下摩擦系数为0.016，其呈层状结构，同一层结合力较强，但层间结合力却很弱，极易相对滑动。二硫化钼属于六方晶系的层状结构，极易从层与层之间劈开，因此具有良好的自润滑性能，二硫化钼能较强的吸附在金属表面，即使在摩擦时也不易破坏，因此能承受较高的负荷。本发明所述的金属基自润滑复合材料表面润滑材料弥散分布于铜合金层中。

本发明提供了一种金属基自润滑复合材料，所述金属基自润滑复合材料，包括金属基体与金属基体表面的混合层，所述混合层由铜合金与自润滑材料组成。由于金属基体表面复合有混合层，混合层中自润滑材料弥散分布于铜合金之间，从而使金属基自润滑复合材料具有较好的耐磨润滑性。本发明所述金属基自润滑复合材料经过机械加工得到滑板或轴套，所述机械加工为本领域技术人员熟知的，本发明没有特别的限制。本发明金属基自润滑复合材料制备的滑板或轴套可以应用于汽车轮胎模具，其在实际工况应用过程中，由于工作环境温度较高，且有一定的压力施加在金属基自润滑复合材料上，因此，复合材料混合层中的自润滑材料，受热膨胀，压力挤压，混合层中的润滑材料挤出至混合层表面，从而达到润滑效果。

本发明还提供了一种金属基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a）在金属基体的表面烧结铜合金粉，使所述金属基体表面形成铜合金层；

b）在所述铜合金层表面刮涂或浸涂自润滑材料，然后抽真空，得到金属板，将所述金属板烘干；

c）重复步骤b）多次；

d）将步骤c）得到的金属板进行烧结，得到金属基自润滑复合材料。

按照本发明，在制备金属基自润滑复合材料的过程中，首先在金属基体表面烧结铜合金粉，使所述金属基体表面形成铜合金层。其中，所述金属基体包括但不限于碳钢、不锈钢或铜，本申请优选为冷轧碳钢薄板或冷轧碳钢带。若金属基体为表面镀铜的冷轧碳钢薄板，所述烧结优选在具有九个区域的烧结炉中进行，所述烧结的线速度优选为260～350mm/min，一区～二区的烧结温度优选为750℃～840℃，三区～九区的烧结温度优选为810℃～840℃。若金属基体为冷轧碳钢带，所述烧结优选在具有十二个区域的烧结炉中进行，所述烧结的线速度优选为590～610mm/min，一区～二区的烧结温度优选为700～820℃，三区～十二区的烧结温度优选为790～820℃。上述烧结在多个区域进行以保证铜合金层紧密的与金属基体相结合。

本发明中所述铜合金粉的粒径优选为60目～200目，更优选为100目～140目，所述铜合金粉的粒径较大，保证了得到的铜合金层承载力较大，且有利于自润滑材料较多的渗透至铜合金粉的空隙中。所述铜合金粉中至少包括铜粉；所述铜合金粉中还包括其它合金元素的粉末，所述其它合金元素优选为锡、锌、铝、铅、锰、铁和镍中的一种或多种。所述金属复合材料的厚度优选为1～30mm，铜合金层的厚度优选为0.5～3mm。

在所述铜合金层烧结完成后，本发明在铜合金层表面刮涂或浸涂自润滑材料，并抽真空，得到金属板。所述自润滑材料可以为高分子材料，也可以为无机固体自润滑材料，也可以为高分子材料与无机固体自润滑材料的混合物。所述高分子材料优选为聚四氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚甲醛和聚醚醚酮中的一种或多种，更优选为聚四氟乙烯；所述无机固体自润滑材料优选为二硫化钼和石墨中的一种或两种。若将本发明的金属基自润滑复合材料在高温下使用，所述自润滑材料优选为二硫化钼或石墨中的一种或两种。作为优选方案，所述自润滑材料为石墨、二硫化钼与聚四氟乙烯的液态糊状混合物，所述聚四氟乙烯的含量优选大于50wt%。作为优选方案，所述石墨、二硫化钼与聚四氟乙烯的质量比优选为（0.2～0.3）：1：（3～4）。

按照本发明，在所述铜合金层表面刮涂或浸涂自润滑材料。所述刮涂为本领域技术人员熟知的方式，优选采用刮刀在铜合金层表面刮涂；所述浸涂为将烧结有铜合金层的金属基体置于润滑材料中进行浸涂。本发明优选采用刮涂的方式在铜合金层表面刮涂自润滑材料。在铜合金层表面刮涂或浸涂自润滑材料后，本申请将其优选置于真空装置容器中进行抽真空，使自润滑材料能够渗透进铜合金层的空隙中。所述抽真空的真空度大于0.07MPa，优选为0.08MPa～0.09MPa，若真空度过小则残留气体多，自润滑材料进入铜合金层不充分。

采用刮涂的方式在铜合金层表面涂覆自润滑材料，若抽真空之后铜合金层面凹陷则补刮自润滑材料。然后将金属板进行烘干以去除自润滑材料中的溶剂，所述烘干的温度优选为140℃～160℃，时间优选为15min～45min。为了使自润滑材料尽可能多的渗透进铜合金层的空隙中，本发明对金属板重复进行刮涂自润滑材料-抽真空-烘干的步骤，以使较多的自润滑材料进入铜合金层空隙中，保证在金属板表面形成致密的混合层，提高金属基自润滑复合材料的耐磨性；但是为了降低成本，提高工作效率，本申请优选对铜合金层进行两次刮涂自润滑材料-抽真空-烘干。

最后将烘干后的金属板进行烧结。所述烧结使聚四氟乙烯形成网状交联结构，从而使金属基自润滑复合材料达到最高强度。所述烧结优选在氮气氛围中进行烧结，所述烧结的温度优选为370～390℃，时间优选为36～45min，所述氮气的纯度99.9%以上。

本发明还提供了所述金属基自润滑复合材料的制备方法，首先在金属基体表面烧结铜合金粉，在金属基体表面形成铜合金层，然后在铜合金层表面刮涂自润滑材料，抽真空后烘干，并重复多次，使自润滑材料渗透进铜合金层中，以使自润滑材料在铜合金层中弥散分布，最后将材料进行烧结，从而得到金属基自润滑复合材料。本申请通过在铜合金层表面多次刮涂自润滑材料，并通过抽真空，使自润滑材料渗透进铜合金粉的空隙中，形成致密的混合层，使金属基自润滑复合材料具有较好的润滑耐磨性与承受力。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的金属基自润滑复合材料及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

以下实施例中的原料均为市售产品。

实施例1

以公司提供的1.8mm的冷轧碳钢薄板作为金属基板，将粒径为60～200目的铜合金粉覆盖于金属基板其中一个表面，其中铜合金粉包括10wt%的锡，10wt%的铅与余量的铜；然后将金属基板依次在烧结炉的九个区域内进行烧结，所述烧结的线速度为260mm/min，烧结炉的一区～二区的炉温为750℃，三区～九区的炉温为810℃，烧结完成后金属基板表面形成铜合金层，铜合金层的厚度为1.2±0.1mm；

胶体石墨、二硫化钼与聚四氟乙烯按照质量比为0.25:1:3.5配置1000g自润滑材料；

采用刮刀在铜合金层面刮涂一层自润滑材料，并用丙酮拭去金属基板其他表面的自润滑材料；然后将表面涂有自润滑材料的金属基体置于真空装置容器中，抽真空至真空度为0.07MPa，得到金属板，取出金属板若铜合金层面凹陷则补刮自润滑材料，并用丙酮去除金属板其他表面的自润滑材料；然后将金属板在烘箱中烘干，烘箱的温度为150℃，烘干20min后刮去金属板表面多余的自润滑材料；

采用刮刀在金属板的铜合金层表面再次刮涂一层自润滑材料，并用丙酮拭去金属板其他表面的自润滑材料；然后将置于真空装置容器中，抽真空至真空度为0.08MPa，取出金属板若铜合金层面凹陷则补刮自润滑材料，并用丙酮去除金属板其他表面的自润滑材料；然后将金属板在烘箱中烘干，烘箱的温度为150℃，烘干20min后刮去金属板表面多余的自润滑材料；

将金属板在氮气保护的烧结炉中烧结，烧结温度为370℃，时间为36min，氮气的纯度为99.9%；将得到的金属板的表面进行抛光，平轧至厚度为3.0±0.015mm，得到金属基自润滑复合材料。

如图1所示，图1为本发明金属基自润滑复合材料的结构示意图，图中1为混合层，2为金属基体。图2为本实施例制备的金属基自润滑复合材料混合层的金相照片，图中的白色区域为铜合金，自润滑材料弥散分布于铜合金中。

将本实施例制备的金属基自润滑复合材料在滑板往复摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，试验条件为：①干摩擦；②速度3m/min；③压力5MPa；④往复行程：500mm；⑤对磨件：45#钢，HRC42～47；试验结果如表1所示。

实施例2

以2mm的冷轧碳钢薄板作为金属基板，将粒径为100～140目的铜合金粉覆盖于金属基板其中一个表面，其中铜合金粉包括8wt%的锡与余量的铜；然后将金属基板依次在烧结炉的九个区域内进行烧结，所述烧结的线速度为350mm/min，短板炉的一区与二区的炉温为750℃，三区～九区的炉温为810℃，烧结完成后金属基板表面形成铜合金层，铜合金层的厚度为2.5mm；

将胶体石墨、二硫化钼与聚四氟乙烯按照质量比为0.25:1:3.5配置1000g自润滑材料；

采用刮刀在铜合金层面刮涂一层自润滑材料，并用丙酮拭去金属基板背面的自润滑材料；然后将表面涂有润滑材料的金属基体置于真空装置容器中，抽真空至真空度为0.08MPa，得到金属板，取出金属板若铜合金层面凹陷则补刮自润滑材料，并用丙酮去除金属板其他表面的自润滑材料；然后将金属板在烘箱中烘干，烘箱的温度为160℃，时间为15min，烘干后刮去金属板表面多余的自润滑材料；

采用刮刀在金属板的铜合金层表面再次刮涂一层自润滑材料，并用丙酮拭去金属板其他表面的自润滑材料；然后将置于真空装置容器中，抽真空至真空度为0.08MPa，取出金属板若铜合金层面凹陷则补刮自润滑材料，并用丙酮去除金属板其他表面的自润滑材料；然后将金属板在烘箱中烘干，烘箱的温度为140℃，烘干20min后刮去金属板表面多余的自润滑材料；

将金属板氮气保护的烧结炉中烧结，烧结温度为370℃，时间为36min，氮气的纯度为99.9%；将得到的金属板的表面进行抛光，平轧至厚度为3.0±0.015mm，得到金属基自润滑复合材料。

将本实施例制备的金属基自润滑复合材料在滑板往复摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，试验条件为：①干摩擦；②速度3m/min；③压力5MPa；④往复行程：500mm；⑤对磨件：45#钢，HRC42～47；试验结果如表1所示。

实施例3

与实施例1的制备方法相同，区别在于：铜合金粉包括8wt%～10wt%的铝，3wt%～5wt%的铁，0.3wt%～0.7wt%的镍与余量的铜。

实施例4

与实施例的制备方法相同，区别在于：配置的1000g自润滑材料为质量比为1:1的二硫化钼与石墨。

对比例1

以1.8mm的冷轧碳钢薄板作为金属基板，将粒径为100～140目的铜粉覆盖于金属基板其中一个表面；然后将金属基板依次在烧结炉的九个区域内进行烧结，所述烧结的线速度为350mm/min，短板炉的一区与二区的炉温为750℃，三区～九区的炉温为810℃，烧结完成后金属基板表面形成铜层，铜层的厚度为1.3mm；

将胶体石墨、二硫化钼与聚四氟乙烯按照质量比为0.25:1:3.5配置自润滑材料；将所述自润滑材料铺轧在铜粉层上，厚度为0.01～0.03mm；以280℃将铺有自润滑材料的金属基体烘干20min，烘干后的板材再轧，轧制量为0.01～0.03mm；在氮气保护的烧结炉中烧结轧制后的板材，烧结温度为370℃，烧结36min；将烧结后的板材终轧至成品板材要求，最少轧制0.01mm以上，得到金属基自润滑复合材料。

将本对比例制备的金属基自润滑复合材料在滑板往复摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，试验条件为：①干摩擦；②速度3m/min；③压力5MPa；④往复行程：500mm；⑤对磨件：45#钢，HRC42～47；试验结果如表1所示。

表1 实施例与对比例制备的金属基自润滑复合材料的摩擦磨损数据表

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种金属基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a）在金属基体的表面烧结铜合金粉，使所述金属基体表面形成铜合金层；

b）在所述铜合金层表面刮涂或浸涂自润滑材料，然后抽真空，得到金属板，将所述金属板烘干；

c）重复步骤b）多次；

d）将步骤c）得到的金属板进行烧结，得到金属基自润滑复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铜合金粉的粒径为60目～200目。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铜合金层的厚度大于0.3mm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述自润滑材料为高分子材料和无机固体自润滑材料中的一种或两种。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述高分子材料为聚四氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚甲醛和聚醚醚酮中的一种或多种。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述无机固体自润滑材料包括二硫化钼和石墨中的一种或两种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b）中所述抽真空的真空度为大于0.07MPa。

8.一种金属基自润滑复合材料，其特征在于，包括：金属基体、复合于所述金属基体表面的混合层，所述混合层包括铜合金与自润滑材料。

9.根据权利要求8所述的金属基自润滑复合材料，其特征在于，所述混合层的厚度大于0.3mm。

10.根据权利要求8所述的金属基自润滑复合材料，其特征在于，所述自润滑材料为高分子材料和无机固体自润滑材料中的一种或两种。