CN105220006A - 一种车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料，铜基复合材料的成分包含镀镍碳化硅颗粒(Ni-SiC)、稀土、锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)，其中，铜基复合材料的各成分组成按重量百分比分别为：镀镍碳化硅颗粒(Ni-SiC)：15-20％，稀土：0.05-0.5％，锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)：79.5-84.95％。本发明方法，选取镀镍的纳米碳化硅材料及稀土材料并通过一定的技术手段均匀分布在现有的合金材料中，制备的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料具有更高的强度和硬度，可拓展应用于负载100MPa的冲击零件中，并且在同等条件下延长在车辆轴承及相应摩擦片中的使用年限。

Description

一种车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铜基复合材料，特别是涉及一种车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
纳米碳化硅是一种通过一定的技术条件，在普通碳化硅材料的基础上制备出的一种纳米材料。纳米碳化硅具有纯度高、粒径小、分布均匀、比表面积大、高表面活性、松装密度低，极好的力学、热学、电学和化学性能，即具有高硬度、高耐磨性和良好的自润滑、高热传导率、低热膨胀系数及高温强度大等特点。因此可用于添加到合金当中以提高母基合金的强度、硬度等，但是碳化硅作为非金属化合物，熔融的基体合金对增强粒子不湿润，以及增强相颗粒与基体合金之间容易发生界面反应，由于界面是复合材料极其重要的组成部分，界面的结合程度(即相容性)很大程度决定了复合材料的性质；同时由于碳化硅密度较低(3.2g/cm3)，与重金属(铜合金、铁合金)溶液融合时会产生严重的上浮，导致复合材料偏析问题严重，从而影响复合材料的性能及应用。因此必须寻求一种新的介质以便于碳化硅与重金属的融合而使二者之间能够充分融合，从而便于下一步生产处理。
锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)是一种润滑性、耐磨性和耐腐蚀性较好的铸造铜合金，主要用于制造表面压力高又存在侧压力的滑动轴承，如轧辊、车辆轴承、负载峰值达60MPa的受冲击零件，和最高峰值达100MPa的内燃机双金属轴瓦，以及活塞销套、摩擦片等。但是在负载高于60MPa的冲击零件中的应用受到了限制，因此为了延长锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)在车辆轴承及相应摩擦片中的使用年限，提高锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)的相关性能是必不可少的。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料及其制备方法，所制备的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料在强度和硬度方面具有明显提升，拓展原锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)在负载100MPa的冲击零件中的应用。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料，铜基复合材料的成分包含镀镍碳化硅颗粒(Ni-SiC)、稀土、锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)，其中，铜基复合材料的各成分组成按重量百分比分别为：镀镍碳化硅颗粒(Ni-SiC)：15-20％，稀土：0.05-0.5％，锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)：79.5-84.95％。
进一步地，铜基复合材料的各成分组成按重量百分比分别为：镀镍碳化硅颗粒(Ni-SiC)：16-18％，稀土：0.1-0.4％，锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)：81.6-83.9％。
进一步地，镀镍碳化硅颗粒是通过已知的化学方法制得，镀镍碳化硅颗粒的粒径在0.5μm-35μm范围内。
进一步地，稀土中包含重量百分比20％的镧(La)和重量百分比15％的铈(Ce)。
进一步地，锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)的铸造是按照国标GB/T1176-2013的标准。
一种上述车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤1：将镀镍碳化硅颗粒与稀土按照预订比例混合；
步骤2：将电解铜、锡锭、铅锭按照国标GB/T1176-2013的要求在500公斤容量的中频电炉中熔炼；
步骤3：采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金溶液进行成分检测；
步骤4：将步骤1中预混合完成的镀镍碳化硅、稀土的混合物放置于熔炼完成的铜合金溶液之上，并用石墨棒进行搅拌；
步骤5：将搅拌完成的铜合金溶液倒入保温炉中，并开启保温炉的振动装置；
步骤6：保温，然后开启铸造装置并按照预定的产品形状铸造毛坯型材；
步骤7：将铸造完成的毛坯型材进行表面处理，包装入库。
进一步地，步骤2中的熔炼温度为1000℃-1100℃，熔炼时间为1.5-2小时。
进一步地，步骤4中的搅拌速率为3次/秒，搅拌时间为15-20分钟。
进一步地，步骤5中的保温炉的温度为1100℃-1150℃，振动装置的振动频率设定为25-30次/秒，振动装置的时间设定为25-30分钟。
进一步地，步骤6中的保温时间为1-1.5小时，保温温度为900℃-1000℃，铸造温度为850℃-900℃：
本发明的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料，选取镀镍的纳米碳化硅材料及稀土材料并通过一定的技术手段均匀分布在现有的合金材料中，利用镀镍纳米级碳化硅高硬度、高耐磨性和良好的自润滑及高温强度大的性能，并通过其良好的润湿性，加强与原锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)合金的结合，实现锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)合金材料的性能的进一步提升。利用本发明方法制备的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料具有更高的强度和硬度，从而可拓展应用于负载100MPa的冲击零件中，并且在同等条件下延长在车辆轴承及相应摩擦片中的使用年限。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料，铜基复合材料的成分包含镀镍碳化硅颗粒(Ni-SiC)、稀土、锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)，其中，铜基复合材料的各成分组成按重量百分比分别为：镀镍碳化硅颗粒(Ni-SiC)：15-20％，稀土：0.05-0.5％，锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)：79.5-84.95％。镀镍碳化硅颗粒是通过已知的化学方法制得，镀镍碳化硅颗粒的粒径在0.5μm-35μm范围内。稀土中包含重量百分比20％的镧(La)和重量百分比15％的铈(Ce)。锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)的铸造是按照国标GB/T1176-2013的标准。
本发明提供的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤1：将镀镍碳化硅颗粒与稀土按照预订比例混合；
步骤2：将电解铜、锡锭、铅锭按照国标GB/T1176-2013的要求在500公斤容量的中频电炉中熔炼，熔炼温度为1000℃-1100℃，熔炼时间为1.5-2小时；
步骤3：采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金溶液进行成分检测，以确定铜合金溶液的化学成分在国标要求范围之内，并保证铜合金溶液占熔炼炉体积的80％以下；
步骤4：将步骤1中预混合完成的镀镍碳化硅、稀土的混合物放置于熔炼完成的铜合金溶液之上，并用石墨棒进行搅拌，搅拌速率为3次/秒，搅拌时间为15-20分钟；
步骤5：将搅拌完成的铜合金溶液倒入保温炉中，并开启保温炉的振动装置，振动装置的振动频率设定为25-30次/秒，振动装置的时间设定为25-30分钟，保温炉的温度为1100℃-1150℃；
步骤6：保温1-1.5小时，保温温度为900℃-1000℃，并开启铸造装置，铸造温度为850℃-900℃，按照预定的产品形状铸造毛坯型材；
步骤7：将铸造完成的毛坯型材进行表面处理，包装入库。
实施例一：
按重量百分比为：镀镍碳化硅颗粒(Ni-SiC)：15％，稀土：0.05％，锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)：84.95％准备原料。其中镀镍碳化硅颗粒是通过已知的化学方法制得，镀镍碳化硅颗粒的粒径为0.5μm。稀土中包含重量百分比20％的镧(La)和重量百分比15％的铈(Ce)。锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)的铸造是按照国标GB/T1176-2013的标准。
首先，将镀镍碳化硅颗粒与稀土按照预订比例混合。
其次，将电解铜、锡锭、铅锭按照国标GB/T1176-2013的要求在500公斤容量的中频电炉中熔炼，熔炼温度为1000℃，熔炼时间为1.5小时。
其次，采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金溶液进行成分检测，以确定铜合金溶液的化学成分在国标要求范围之内，并保证铜合金溶液占熔炼炉体积的80％以下。
其次，将预混合完成的镀镍碳化硅、稀土的混合物放置于熔炼完成的铜合金溶液之上，并用石墨棒进行搅拌，搅拌速率为3次/秒，搅拌时间为15分钟。
其次，将搅拌完成的铜合金溶液倒入保温炉中，并开启保温炉的振动装置，振动装置的振动频率设定为25次/秒，振动装置的时间设定为25分钟，保温炉的温度为1100℃。
其次，保温1小时，保温温度为900℃，并开启铸造装置，铸造温度为850℃，按照预定的产品形状铸造毛坯型材。
最后，将铸造完成的毛坯型材进行表面处理，包装入库。
制备的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料的强度和硬度与原锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)相比，分别提高了28％和30％，在同等条件下车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料在车辆轴承及相应摩擦片中的使用年限比原锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)的使用年限延长了2年。
实施例二：
按重量百分比为：镀镍碳化硅颗粒(Ni-SiC)：16％，稀土：0.1％，锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)：83.9％准备原料。其中镀镍碳化硅颗粒是通过已知的化学方法制得，镀镍碳化硅颗粒的粒径为10μm。稀土中包含重量百分比20％的镧(La)和重量百分比15％的铈(Ce)。锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)的铸造是按照国标GB/T1176-2013的标准。
首先，将镀镍碳化硅颗粒与稀土按照预订比例混合。
其次，将电解铜、锡锭、铅锭按照国标GB/T1176-2013的要求在500公斤容量的中频电炉中熔炼，熔炼温度为1030℃，熔炼时间为1.6小时。
其次，采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金溶液进行成分检测，以确定铜合金溶液的化学成分在国标要求范围之内，并保证铜合金溶液占熔炼炉体积的80％以下。
其次，将预混合完成的镀镍碳化硅、稀土的混合物放置于熔炼完成的铜合金溶液之上，并用石墨棒进行搅拌，搅拌速率为3次/秒，搅拌时间为16分钟。
其次，将搅拌完成的铜合金溶液倒入保温炉中，并开启保温炉的振动装置，振动装置的振动频率设定为26次/秒，振动装置的时间设定为26分钟，保温炉的温度为1120℃。
其次，保温1.2小时，保温温度为930℃，并开启铸造装置，铸造温度为860℃，按照预定的产品形状铸造毛坯型材。
最后，将铸造完成的毛坯型材进行表面处理，包装入库。
制备的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料的强度和硬度与原锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)相比，分别提高了32％和33％，在同等条件下车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料在车辆轴承及相应摩擦片中的使用年限比原锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)的使用年限延长了2.5年。
实施例三：
按重量百分比为：镀镍碳化硅颗粒(Ni-SiC)：17％，稀土：0.3％，锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)：82.7％准备原料。其中镀镍碳化硅颗粒是通过已知的化学方法制得，镀镍碳化硅颗粒的粒径为18μm。稀土中包含重量百分比20％的镧(La)和重量百分比15％的铈(Ce)。锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)的铸造是按照国标GB/T1176-2013的标准。
首先，将镀镍碳化硅颗粒与稀土按照预订比例混合。
其次，将电解铜、锡锭、铅锭按照国标GB/T1176-2013的要求在500公斤容量的中频电炉中熔炼，熔炼温度为1060℃，熔炼时间为1.9小时。
其次，采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金溶液进行成分检测，以确定铜合金溶液的化学成分在国标要求范围之内，并保证铜合金溶液占熔炼炉体积的80％以下。
其次，将预混合完成的镀镍碳化硅、稀土的混合物放置于熔炼完成的铜合金溶液之上，并用石墨棒进行搅拌，搅拌速率为3次/秒，搅拌时间为17分钟。
其次，将搅拌完成的铜合金溶液倒入保温炉中，并开启保温炉的振动装置，振动装置的振动频率设定为28次/秒，振动装置的时间设定为28分钟，保温炉的温度为1130℃。
其次，保温1.3小时，保温温度为960℃，并开启铸造装置，铸造温度为880℃，按照预定的产品形状铸造毛坯型材。
最后，将铸造完成的毛坯型材进行表面处理，包装入库。
制备的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料的强度和硬度与原锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)相比，分别提高了36％和38％，在同等条件下车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料在车辆轴承及相应摩擦片中的使用年限比原锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)的使用年限延长了3年。
实施例四：
按重量百分比为：镀镍碳化硅颗粒(Ni-SiC)：18％，稀土：0.4％，锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)：81.6％准备原料。其中镀镍碳化硅颗粒是通过已知的化学方法制得，镀镍碳化硅颗粒的粒径为25μm。稀土中包含重量百分比20％的镧(La)和重量百分比15％的铈(Ce)。锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)的铸造是按照国标GB/T1176-2013的标准。
首先，将镀镍碳化硅颗粒与稀土按照预订比例混合。
其次，将电解铜、锡锭、铅锭按照国标GB/T1176-2013的要求在500公斤容量的中频电炉中熔炼，熔炼温度为1080℃，熔炼时间为1.8小时。
其次，采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金溶液进行成分检测，以确定铜合金溶液的化学成分在国标要求范围之内，并保证铜合金溶液占熔炼炉体积的80％以下。
其次，将预混合完成的镀镍碳化硅、稀土的混合物放置于熔炼完成的铜合金溶液之上，并用石墨棒进行搅拌，搅拌速率为3次/秒，搅拌时间为19分钟。
其次，将搅拌完成的铜合金溶液倒入保温炉中，并开启保温炉的振动装置，振动装置的振动频率设定为29次/秒，振动装置的时间设定为29分钟，保温炉的温度为1140℃。
其次，保温1.4小时，保温温度为980℃，并开启铸造装置，铸造温度为890℃，按照预定的产品形状铸造毛坯型材。
最后，将铸造完成的毛坯型材进行表面处理，包装入库。
制备的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料的强度和硬度与原锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)相比，分别提高了40％和45％，在同等条件下车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料在车辆轴承及相应摩擦片中的使用年限比原锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)的使用年限延长了4年。
实施例五：
按重量百分比为：镀镍碳化硅颗粒(Ni-SiC)：20％，稀土：0.5％，锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)：79.5％准备原料。其中镀镍碳化硅颗粒是通过已知的化学方法制得，镀镍碳化硅颗粒的粒径为35μm。稀土中包含重量百分比20％的镧(La)和重量百分比15％的铈(Ce)。锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)的铸造是按照国标GB/T1176-2013的标准。
首先，将镀镍碳化硅颗粒与稀土按照预订比例混合。
其次，将电解铜、锡锭、铅锭按照国标GB/T1176-2013的要求在500公斤容量的中频电炉中熔炼，熔炼温度为1100℃，熔炼时间为2小时。
其次，采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金溶液进行成分检测，以确定铜合金溶液的化学成分在国标要求范围之内，并保证铜合金溶液占熔炼炉体积的80％以下。
其次，将预混合完成的镀镍碳化硅、稀土的混合物放置于熔炼完成的铜合金溶液之上，并用石墨棒进行搅拌，搅拌速率为3次/秒，搅拌时间为20分钟。
其次，将搅拌完成的铜合金溶液倒入保温炉中，并开启保温炉的振动装置，振动装置的振动频率设定为30次/秒，振动装置的时间设定为30分钟，保温炉的温度为1150℃。
其次，保温1.5小时，保温温度为1000℃，并开启铸造装置，铸造温度为900℃，按照预定的产品形状铸造毛坯型材。
最后，将铸造完成的毛坯型材进行表面处理，包装入库。
制备的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料的强度和硬度与原锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)相比，分别提高了38％和43％，在同等条件下车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料在车辆轴承及相应摩擦片中的使用年限比原锡铅青铜(ZCuSn10Pb10)的使用年限延长了3.5年。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料，其特征在于，所述铜基复合材料的成分包含镀镍碳化硅颗粒Ni-SiC、稀土、锡铅青铜ZCuSn10Pb10，其中，所述铜基复合材料的各成分组成按重量百分比分别为：所述镀镍碳化硅颗粒Ni-SiC：15-20％，所述稀土：0.05-0.5％，所述锡铅青铜ZCuSn10Pb10：79.5-84.95％。
2.根据权利要求1所述的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料，其特征在于，所述铜基复合材料的各成分组成按重量百分比分别为：所述镀镍碳化硅颗粒Ni-SiC：16-18％，所述稀土：0.1-0.4％，所述锡铅青铜ZCuSn10Pb10：81.6-83.9％。
3.根据权利要求1所述的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料，其特征在于，所述镀镍碳化硅颗粒的粒径在0.5μm-35μm范围内。
4.根据权利要求1所述的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料，其特征在于，所述稀土中包含重量百分比20％的镧和重量百分比15％的铈。
5.根据权利要求1所述的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料，其特征在于，所述锡铅青铜ZCuSn10Pb10的铸造是按照国标GB/T1176-2013的标准。
6.一种上述权利要求1-5中任一项所述的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：将所述镀镍碳化硅颗粒与所述稀土按照预订比例混合；
步骤2：将电解铜、锡锭、铅锭按照国标GB/T1176-2013的要求在500公斤容量的中频电炉中熔炼；
步骤3：采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金溶液进行成分检测；
步骤4：将所述步骤1中预混合完成的所述镀镍碳化硅、所述稀土的混合物放置于所述熔炼完成的铜合金溶液之上，并用石墨棒进行搅拌；
步骤5：将搅拌完成的铜合金溶液倒入保温炉中，并开启所述保温炉的振动装置；
步骤6：保温，然后开启铸造装置并按照预定的产品形状铸造毛坯型材；
步骤7：将铸造完成的毛坯型材进行表面处理，包装入库。
7.根据权利要求6所述的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的熔炼温度为1000℃-1100℃，熔炼时间为1.5-2小时。
8.根据权利要求6所述的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中的搅拌速率为3次/秒，搅拌时间为15-20分钟。
9.根据权利要求6所述的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中的所述保温炉的温度为1100℃-1150℃，所述振动装置的振动频率设定为25-30次/秒，所述振动装置的时间设定为25-30分钟。
10.根据权利要求6所述的车辆轴承用镀镍碳化硅颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤6中的保温时间为1-1.5小时，保温温度为900℃-1000℃，铸造温度为850℃-900℃。
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