CN105665695B - 一种铜基耐磨耐冲击双金属复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜基耐磨耐冲击双金属复合材料，该复合材料由支撑层和润滑层组成，支撑层为CuSn10合金，润滑层由CuSn10合金、强化相和润滑相组成，强化相所含组分为镍、铬和钛，润滑相所含组分为二硫化钼和石墨。本发明还公开了该复合材料的制备方法。本发明所述铜基耐磨耐冲击双金属复合材料在经受交变载荷冲击作用下不产生裂纹且在油膜被破坏或油润滑不充分的情况下自身仍具备良好的低摩擦、抗干磨特性，可用于解决现代航空、航天、高速铁路及电力等高新技术产业中普遍存在的震动、交变载荷和高速等极端苛刻工况下相关滑动部件的润滑和耐磨问题。

Description

一种铜基耐磨耐冲击双金属复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于自润滑耐磨材料领域，涉及一种铜基耐磨耐冲击双金属复合材料及其制备方法。本发明所述复合材料适用于在经受交变载荷冲击作用下工作的自润滑轴承、滑板、受电弓及航空泵用动密封等部件，该复合材料在交变载荷作用下不产生裂纹且在油膜被破坏或油润滑不充分的情况下自身仍具备良好的低摩擦、抗干磨特性。

背景技术

现代航空、航天、高速铁路及电力等行业的应用中普遍存在震动、交变载荷和高速等极端苛刻工况，而其相关运动部件的润滑、耐磨及密封性能的提高已成为影响整个系统可靠性和寿命的关键技术。因此，对在交变载荷作用下仍具有低摩擦、抗干磨性能的新型润滑耐磨材料提出了迫切需求。

近年来，在铜基自润滑耐磨材料和自润滑合金方面，已经进行了许多卓有成效的工作，取得了比较好的润滑效果（专利：CN101985703A、CN103436730A、CN102051553A、CN102925741A等），多种材料已获得了工程应用。但大部分工作都集中在如何提高铜基复合材料的耐磨性能研究上，尚未检索到既考虑材料的低摩擦耐磨损特性，又考虑材料耐冲击性能的相关专利。而相关涉及铜基润滑材料的冲击韧性研究的论文（郭斌等“铜基受电弓滑板材料抗拉强度和冲击韧性研究”，材料科学与工艺，2003,1（11）：59-63）得到Cu-石墨复合材料的最大冲击韧性仅为1.38 J/cm²。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同时具备良好摩擦磨损性能和耐冲击性能的铜基耐磨耐冲击双金属复合材料及其制备方法。

双层结构复合材料相比单层复合材料在提高复合材料韧性方面有它的优势，双层结构复合材料由于“分层”效应的存在，在交变载荷作用下由于交变载荷垂直于双层结合界面，而双层界面的结合又相比同种材料弱，所以在交变载荷作用下界面会产生二次裂纹，使垂直于结合界面的原始裂纹伸展受阻，并且松驰了应力，因而可提高材料的韧性。因此，本发明基于双层结构设计，选用具有良好力学和耐冲击性能的铜基合金CuSn10为支撑层，设计以CuSn10为基体，添加强化相、润滑相等成分的润滑层，制备了铜基耐磨耐冲击双金属复合材料。

为达到上述目的，本发明所述的一种铜基耐磨耐冲击双金属复合材料，其特征在于该复合材料由支撑层和润滑层组成，所述支撑层为CuSn10合金，所述润滑层由CuSn10合金、强化相和润滑相组成；所述强化相所含组分为镍、铬和钛；所述润滑相所含组分为二硫化钼和石墨，所述润滑层中各组分的质量百分含量分别为：镍：10～15%，铬：0.5～1%，钛：0～1%，CuSn10：67~79.5%，二硫化钼：10～15%，石墨：0～1%。

铜基耐磨耐冲击双金属复合材料的制备方法包括以下步骤：

1）将镍、铬、钛和CuSn10的粉末按镍：10～15%、铬：0.5～1%、钛：0～1%、CuSn10：67~79.5%的质量百分含量混合后采用湿法球磨15~20小时，转速为300~400 r/min，球料质量比为5：1~10：1，然后将二硫化钼和石墨的粉末按二硫化钼：10～15%、石墨：0～1%的质量百分含量混合后加入上述混合物中，采用上述的湿法球磨工艺将其球磨5~10小时，混匀即可，经烘干后，得到混合粉末；

2）称取CuSn10合金粉末和上述混合粉末在石墨模具中进行分步双层铺粉，冷压预成型，然后在真空热压烧结炉中进行热压烧结，真空度≥1.0×10^-2Pa，烧结温度为650~750℃，达到温度后施加正压力20～25MPa，保温保压时间为50～60min，随炉自然冷却，即可制备铜基耐磨耐冲击双金属复合材料。

所述镍、铬、钛、CuSn10、二硫化钼和石墨的纯度均大于99.0%。

本发明铜基耐磨耐冲击双金属复合材料的冲击韧性在JB6型冲击试验机测得（αKU），而材料润滑层的摩擦磨损性能在M-2000型摩擦磨损试验机测得（200N，0.424m/s，1h，大气环境，φ40mm的淬火45#钢对偶环，干磨状态）。

本发明所述的具备支撑层（冲击韧性：55 J/cm²）和润滑层（冲击韧性：4 J/cm²）的新型双层结构复合材料，既具备易磨合、抗干磨、自润滑、不粘铜的性能，又具备足够的冲击韧性（支撑层/润滑层厚度比为7:3时，αKU>46J/cm²）。相对于很多润滑材料，此种新型双层结构复合材料在经受交变载荷作用下材料基体不产生裂纹，且在油润滑不充分的情况下材料自身仍具备良好的低摩擦、抗干磨性能，并且在二硫化钼和石墨的协同润滑下材料的摩擦系数为0.349，磨损体积仅为0.53mm³。

综上所述，本发明制备的铜基耐磨耐冲击双金属复合材料同时具备良好的摩擦磨损性能和耐冲击性能，满足复杂工况条件下对自润滑耐磨复合材料冲击韧性的要求，可用于解决现代航空、航天、高速铁路及电力等高新技术产业中普遍存在的震动、交变载荷和高速等极端苛刻工况下相关滑动部件的润滑和耐磨问题。

具体实施方式

为进一步阐述本发明特提供以下实施例，但本发明的实施方式并不限于以下实施例。

实施例1

铜基耐磨耐冲击双金属复合材料润滑层各组分及其质量百分含量分别为：镍：10%、铬：0.5%、钛：1%、CuSn10：78.5%、二硫化钼：10%。首先将纯度大于99.0% 的镍、铬、钛、CuSn10粉末按镍：10%、铬：0.5%、钛：1%、CuSn10：78.5%的质量百分含量混合后采用湿法球磨20小时，转速400r/min，球料比10：1，然后将粉末纯度大于99.0% 的二硫化钼（MoS₂）粉末按10%的质量百分含量加入上述混合物中，再将上述混合物采用上述的湿法球磨工艺球磨5小时，混匀即可，经烘干后，得到混合粉末，称取支撑层合金粉末和上述混合粉末在石墨模具中进行分步双层铺粉，冷压预成型，然后在真空热压烧结炉中进行热压烧结，真空度1.0×10^-2Pa，烧结温度为700℃，达到温度后施加正压力25MPa，保温保压时间为60min，随炉自然冷却，即可制备铜基耐磨耐冲击双金属复合材料（支撑层和润滑层的厚度比为7:3）。本实施方式制得的铜基复合材料，材料润滑层的布氏硬度（HB）为192，抗压强度为739MPa，抗弯强度为407MPa，摩擦系数为0.346，磨损体积为1.84mm³；双层金属复合材料整体的冲击韧性为47.9J/cm²。

实施例2

铜基耐磨耐冲击双金属复合材料润滑层各组分及其质量百分含量分别为：镍：15%、铬：0.5%、钛：1%、CuSn10：73.5%、二硫化钼：10%。首先将纯度大于99.0% 的镍、铬、钛、CuSn10粉末按镍：15%、铬：0.5%、钛：1%、CuSn10：73.5%的质量百分含量混合后采用湿法球磨20小时，转速400r/min，球料比10：1，然后将粉末纯度大于99.0% 的二硫化钼（MoS₂）粉末按10%的质量百分含量加入上述混合物中，再将上述混合物采用上述的湿法球磨工艺球磨5小时，混匀即可，经烘干后，得到混合粉末，称取支撑层合金粉末和上述混合粉末在石墨模具中进行分步双层铺粉，冷压预成型，然后在真空热压烧结炉中进行热压烧结，真空度1.0×10^-2Pa，烧结温度为700℃，达到温度后施加正压力25MPa，保温保压时间为60min，随炉自然冷却，即可制备铜基耐磨耐冲击双金属复合材料（支撑层和润滑层的厚度比为7:3）。本实施方式制得的铜基复合材料，材料润滑层的布氏硬度（HB）为196，抗压强度为751MPa，抗弯强度为392MPa，摩擦系数为0.327，磨损体积为1.55mm³；双层金属复合材料整体的冲击韧性为47.3J/cm²。

实施例3

铜基耐磨耐冲击双金属复合材料润滑层各组分及其质量百分含量分别为：镍15%、铬：1%、钛：1%、CuSn10：68%、二硫化钼：15%。首先将纯度大于99.0% 的镍、铬、钛、CuSn10粉末按镍：15%、铬：1%、钛：1%、CuSn10：67%的质量百分含量混合后采用湿法球磨20小时，转速400r/min，球料比10：1，然后将粉末纯度大于99.0% 的二硫化钼（MoS₂）粉末按15%的质量比加入上述混合物中，再将上述混合物采用上述的湿法球磨工艺球磨5小时，混匀即可，经烘干后，得到混合粉末，称取支撑层合金粉末和上述混合粉末在石墨模具中进行分步双层铺粉，冷压预成型，然后在真空热压烧结炉中进行热压烧结，真空度1.0×10^-2Pa，烧结温度为700℃，达到温度后施加正压力25MPa，保温保压时间为60min，随炉自然冷却，即可制备铜基耐磨耐冲击双金属复合材料（支撑层和润滑层的厚度比为7:3）。本实施方式制得的铜基复合材料，材料润滑层的布氏硬度（HB）为201，抗压强度为705MPa，抗弯强度为287MPa，摩擦系数为0.329，磨损体积为1.11mm³；双层金属复合材料整体的冲击韧性为47.1J/cm²。

实施例4

铜基耐磨耐冲击双金属复合材料润滑层各组分及其质量百分含量分别为：镍：15%、铬：1%、CuSn10：69%、二硫化钼：14%、石墨：1%。首先将纯度大于99.0% 的镍、铬、CuSn10粉末按镍：15%、铬：1%、CuSn10：69%的质量百分含量混合后采用湿法球磨20小时，转速400r/min，球料比10：1，然后将粉末纯度大于99.0% 的二硫化钼（MoS₂）、石墨（Gr）粉末按二硫化钼：14%、石墨：1%的质量百分含量混合，并加入上述混合物中，再将上述混合物采用上述的湿法球磨工艺球磨5小时，混匀即可，经烘干后，得到混合粉末，称取支撑层合金粉末和上述混合粉末在石墨模具中进行分步双层铺粉，冷压预成型，然后在真空热压烧结炉中进行热压烧结，真空度1.0×10^-2Pa，烧结温度为700℃，达到温度后施加正压力25MPa，保温保压时间为60min，随炉自然冷却，即可制备铜基耐磨耐冲击双金属复合材料（支撑层和润滑层的厚度比为7:3）。本实施方式制得的铜基复合材料，材料润滑层的布氏硬度（HB）为194，抗压强度为520MPa，抗弯强度为220MPa，摩擦系数为0.349，磨损体积为0.53mm³；双层金属复合材料整体的冲击韧性46.7J/cm²。

Claims (3)

1.一种铜基耐磨耐冲击双金属复合材料，其特征在于该复合材料由支撑层和润滑层组成，所述支撑层为CuSn10合金，所述润滑层由CuSn10合金、强化相和润滑相组成，所述强化相所含组分为镍、铬和钛，所述润滑相所含组分为二硫化钼和石墨；所述润滑层中各组分的质量百分含量分别为：镍：10～15%，铬：0.5～1%，钛：0～1%，CuSn10：67~79.5%，二硫化钼：10～15%，石墨：0～1%。

2.如权利要求1所述复合材料的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤：

1）将镍、铬、钛和CuSn10的粉末混合后采用湿法球磨15~20小时，转速为300~400 r/min，球料质量比为5：1~10：1，然后将二硫化钼和石墨的粉末混合后加入上述混合物中，采用上述的湿法球磨工艺将其球磨5~10小时，混匀即可，经烘干后，得到混合粉末；

2）称取CuSn10合金粉末和上述混合粉末在石墨模具中进行分步双层铺粉，冷压预成型，然后在真空热压烧结炉中进行热压烧结，真空度≥1.0×10^-2Pa，烧结温度为650~750℃，达到温度后施加正压力20～25MPa，保温保压时间为50～60min，随炉自然冷却，即可制备铜基耐磨耐冲击双金属复合材料。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述镍、铬、钛、CuSn10、二硫化钼和石墨的纯度均大于99.0%。