CN105689708B - 一种hs311钢基铜塑自润滑材料的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种HS311钢基铜塑自润滑材料的生产工艺，包括下料、铜粉板烧结、配料、液态成型、烧结、精轧步骤制得，具体如以下步骤；本发明的有益效果：PTFE钢基铜塑复合材料除了具有一般固体润滑材料的自润滑特性、耐候性能优良、耐高(低)温、抗污染等优点外，还有寿命长、承载能力高的突出优点。适用于振动和冲击负荷的场合。它也可以直接加工成标准零件，使用方便。

Description

一种HS311钢基铜塑自润滑材料的生产工艺

技术领域

本发明涉及一种钢基铜塑自润滑耐磨工程材料，尤其是涉及一种HS311钢基铜塑自润滑材料的生产工艺。

背景技术

目前，HS311钢基铜塑自润滑复合材料是一种机械性能取决于金属基材,而自润滑性能取决于表层塑料的工程材料。现有的普通钢基铜塑自润滑轴承所用的复合材料，都是采用松散成型-模塑法制作而成，此类材料所制成的滑动轴承由于高负荷，特殊运动形态，异物混入，严格的温度条件，供油不足，维修不妥等原因发生烧焦现象。在普通滑动轴承不能长时间耐用的严格条件下，运用HS311自润滑复合材料所制作的滑动轴承，能够明显提升自身自润滑性能，不需要加入油脂进行润滑，维护起来更加方便，因而可以大大改善很多使用中的缺陷。因此被广泛运用于很多行业，例如汽车工业、矿山机械、水工闸门的轴瓦和滑道等行业。

一是提高HS311钢基铜塑自润滑材料的耐损性和耐烧焦性能，并且达到设备的高性能化和免维修。现有的自润滑材料配方只针对制成品轴承的耐磨性能加以控制，但忽略了很多不稳定因素和缺陷。根据长期研发，找出了很多配方中的不足，并加以改进，经过一定周期的测试和很多用户的使用反馈，HS311耐磨材料能够大大提升耐磨、耐烧焦、耐腐蚀等性能，从而增加了使用寿命。

二是提高材料的制作效率和质量要求。由于铜粉的颗粒度属于范围控制，钢基板也存在一定浮动误差，再加上PTFE混合耐磨粉末的颗粒度不一，这些误差进行累计后，就会存在板材在支撑过程中出现厚度一致性不能得到控制，并且也会出现耐磨材料的均匀度不一致，这样在轴承制成过程中，就会出现部分产品外形参数波动。

复合材料的表面硬度随塑料层厚度的减小而增大。PTFE 自身存在硬度低、磨损率高、承载能力差等缺点。塑料层太厚，在工作状态下，复合材料具有良好的摩擦性能，但是表层的PTFE 降被大量地磨损掉，工件表面的硬度不足；没有塑料层，将是铜粉裸露在外，其表面硬度接近钢的硬度，但是摩擦系数高；塑料层太薄，在工作磨损较大的情况下，特别是受到振动和撞击时，就会暴露出铜粉层，同样降低了复合材料的摩擦性能。因此确定出适度的复合材料厚度，对于复合材料具有较高的承载能力和理想的摩擦系数具有重要的意义。通过对我们的研发结果的分析得出，塑料层为 0.2 mm时，3 层结构复合材料的综合性能比较好的。

发明内容

本发明的目的是提供一种HS311钢基铜塑自润滑材料的生产工艺，解决通过更改PTFE的配方和复合工艺，使得耐磨层的厚度得到提升，复合的效率和质量得到提升的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种HS311钢基铜塑自润滑材料的生产工艺，包括下料、铜粉板烧结、配料、液态成型、烧结、精轧步骤制得，具体如以下步骤；

（1）下料： 选用铜粉、不锈钢钢板；

（2）铜粉板烧结；将不锈钢钢板表面进行镀铜处理，采用铜粉均匀铺设于不锈钢钢板上之后，放入到高温烧结炉中烧结，使金属颗粒之间、颗粒与基体之间局部烧结，形成多孔骨架；

（3）、配料：

调配合成干粉，由重量配比的原料组成：聚四氟乙烯40%-50%、铅粉13%-20%、玻璃纤维35%-45%、石墨粉12%-20%；

调配合成液；由重量配比的原料组成：聚四氟乙烯乳液70%-85%、二硫化钼5%-7%、酒精20%-30%、石墨粉5%-10%；

配合合成；将干粉和配合成液按照比例1:0.6的比例进行混合，使用设备为搅拌器，搅拌时间为2分钟，最终搅拌成混合后成团状；

（4）、液态成型：将面团取出一部分，搓揉成一根直径15mm的圆柱体，然后放在铜粉板的顶端，随后放入轧机，轧出后使用道具将板料四周的毛边去除；

（5）、烧结：

初烧：板料初轧后进入烘干炉烘干，温度300摄氏度，烘干时间10分钟，出炉后在进入轧机轧制一次 ；

二次烧结：将板材码放在架子上，送入氮气烧结炉，在设定好的程序中进行烧结，烧结温度为 180℃，烧结时间为 45～60 min，在加热加压的过程中，当温度超过 180 ℃时，要多次加压卸压；

再次烧结：在氮气烧结炉时间为8小时，氮气保护，温度由常温升至385摄氏度，压力由常压升至0.1Mpa，当氮气烧结炉加热温度在 370～380 ℃ 范围内，控制压力在 40.0～50.0 Mpa之间，烧结3 h 之后，冷却至 1 00 ℃ 以下取出制品后自然冷却出炉；

（6）、精轧：将烧结好的板料进行精轧达到规定尺寸，然后校平成型即成成品。

本发明的有益效果：PTFE钢基铜塑复合材料除了具有一般固体润滑材料的自润滑特性、耐候性能优良、耐高(低)温、抗污染等优点外，还有寿命长、承载能力高的突出优点。适用于振动和冲击负荷的场合。它也可以直接加工成标准零件，使用方便。

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明的生产工艺流程图。

图3为本发明的板材复合结构图。

图4为本发明工艺制成的轴承性能测试数据

具体实施方式

实施例1，如图1、2、3所示，一种HS311钢基铜塑自润滑材料的生产工艺，包括下料、铜粉板烧结、配料、液态成型、烧结、精轧步骤制得，具体如以下步骤；

（1）下料、选用铜粉、不锈钢钢板；

（2）铜粉板烧结；将不锈钢钢板表面进行镀铜处理，采用铜粉均匀铺设于不锈钢钢板上之后，放入到高温烧结炉中烧结，使金属颗粒之间、颗粒与基体之间局部烧结，形成多孔骨架；

（3）、配料：

调配合成干粉，由重量配比的原料组成：聚四氟乙烯40%、铅粉13%、玻璃纤维35%、石墨粉12%；

调配合成液；由重量配比的原料组成：聚四氟乙烯乳液70%、二硫化钼5%、酒精20%、石墨粉5%；

配合合成；将干粉和配合成液按照比例1:0.6的比例进行混合，使用设备为搅拌器，搅拌时间为2分钟，最终搅拌成混合后成团状；

（4）、液态成型：将面团取出一部分，搓揉成一根直径15mm的圆柱体，然后放在铜粉板的顶端，随后放入轧机，轧出后使用道具将板料四周的毛边去除；

（5）、烧结：

初烧：板料初轧后进入烘干炉烘干，温度300摄氏度，烘干时间10分钟，出炉后在进入轧机轧制一次 ；作用是PTFE合成粉在烘干炉中将水分排出并相互进行发酵，开始软化，再次轧制是将PTFE层与铜粉层粘连的更加紧密。

二次烧结：将板材码放在架子上，送入氮气烧结炉，在设定好的程序中进行烧结，烧结温度为 180℃，烧结时间为 45 min，在加热加压的过程中，当温度超过 180 ℃ 时，要多次加压卸压；

再次烧结：在氮气烧结炉时间为8小时，氮气保护，温度由常温升至385摄氏度，压力由常压升至0.1Mpa，当氮气烧结炉加热温度在 370 ℃ 范围内，控制压力在 40.0 Mpa之间，烧结3 h 之后，冷却至 1 00 ℃ 以下取出制品后自然冷却出炉；或者烧结温度为 950℃，烧结时间为 45。在烧结炉中采用氮-氢作为保护气体，氢气可以防止铜粉层和镀铜层氧化，还起着还原氧化铜的作用。因为高温出炉会使材料在空气中迅速发生氧化，严重影响板料的质量，所以板料通过烧结区后还将通过一定长度的冷却套进行降温，至 100℃ 以下出炉；

（6）、将烧结好的板料进行精轧达到规定尺寸，然后校平成型即成成品。

实施例2，如图1、2、3所示，一种HS311钢基铜塑自润滑材料的生产工艺，包括下料、铜粉板烧结、配料、液态成型、烧结、精轧步骤制得，具体如以下步骤；

（1）下料、选用铜粉、不锈钢钢板；

（2）铜粉板烧结；将不锈钢钢板表面进行镀铜处理，采用铜粉均匀铺设于不锈钢钢板上之后，放入到高温烧结炉中烧结，使金属颗粒之间、颗粒与基体之间局部烧结，形成多孔骨架；

（3）、配料：

调配合成干粉，由重量配比的原料组成：聚四氟乙烯50%、铅粉20%、玻璃纤维45%、石墨粉20%；

调配合成液；由重量配比的原料组成：聚四氟乙烯乳液85%、二硫化钼7%、酒精30%、石墨粉10%；

配合合成；将干粉和配合成液按照比例1:0.8的比例进行混合，使用设备为搅拌器，搅拌时间为3分钟，最终搅拌成混合后成团状；

（4）、液态成型：将面团取出一部分，搓揉成一根直径15mm的圆柱体，然后放在铜粉板的顶端，随后放入轧机，轧出后使用道具将板料四周的毛边去除；

（5）、烧结：

初烧：板料初轧后进入烘干炉烘干，温度300摄氏度，烘干时间10分钟，出炉后在进入轧机轧制一次 ；作用是PTFE合成粉在烘干炉中将水分排出并相互进行发酵，开始软化，再次轧制是将PTFE层与铜粉层粘连的更加紧密。

二次烧结：将板材码放在架子上，送入氮气烧结炉，在设定好的程序中进行烧结，烧结温度为 180℃，烧结时间为60 min，在加热加压的过程中，当温度超过 180 ℃ 时，要多次加压卸压；

再次烧结：在氮气烧结炉时间为8小时，氮气保护，温度由常温升至385摄氏度，压力由常压升至0.1Mpa，当氮气烧结炉加热温度在380 ℃ 范围内，控制压力在50.0 Mpa之间，烧结3 h 之后，冷却至 1 00 ℃ 以下取出制品后自然冷却出炉；或者烧结温度为 950℃，烧结时间为 460 min。在烧结炉中采用氮-氢作为保护气体，氢气可以防止铜粉层和镀铜层氧化，还起着还原氧化铜的作用。因为高温出炉会使材料在空气中迅速发生氧化，严重影响板料的质量，所以板料通过烧结区后还将通过一定长度的冷却套进行降温，至 100℃以下出炉；

（6）、将烧结好的板料进行精轧达到规定尺寸，然后校平成型即成成品。

图4所示，HS311钢基铜塑自润滑材料深加工成自润滑轴承后，安装在油缸中作为导向衬套使用，明显与原工艺生产的衬套有所区别，主要体现在磨损量降低从而寿命增加，无噪音，并且不会出现轴偏执的现象。

将此材料制作成铰链衬套，安装在铰链上。明显其力矩增加，使得铰链运动速度均匀，力度均匀，无噪音，通过寿命测试比原工艺产品寿命提升30%。

铜粉均匀地铺设在镀铜的钢板上之后，放入到高温烧结炉中烧结，使金属颗粒之间、颗粒与基体之间局部烧结，形成多孔骨架。烧结温度为 950℃，烧结时间为 45～60min。在烧结炉中采用氮-氢作为保护气体，氢气可以防止铜粉层和镀铜层氧化，还起着还原氧化铜的作用。因为高温出炉会使材料在空气中迅速发生氧化，严重影响板料的质量，所以板料通过烧结区后还将通过一定长度的冷却套进行降温，至 100℃ 以下出炉，。在烧结好的多孔铜层复合钢板上使用液态成型法复合 PTFE 材料，PTFE材料配方进行更改，降低铅的用量17%，提升玻纤的用量25%，并且加入一种液态耐磨材料进行混合，该材料中含有一定量的氨、一定量的二硫化钼和一定量的球墨分子等元素配合而成的（该溶液为我司研发）。中和后使得PTFE的耐磨性能、耐烧焦性能和承载性能大大提升。并加入双精轧和烘干工序，使得PTFE溶液固化在铜粉缝隙中。待板材降至常温后，再将其整齐码放在我司研发的专用设备中进行加压烧结，整个烧结过程中由程序控制单片机对炉内温度、压力和风向循环进行控制，从而使PTFE混合材料发生变质反应（不可逆）。在加热加压的过程中，当温度超过180 ℃ 时，要多次加压卸压，以便排气，实际上相当于对制件进行锻造，有助于提高制品的均一性和致密性。当温升至熔点以上时，再加压至一定的压力。当加热温度在 370～380 ℃范围内，压力在 40.0～50.0 MPa 之间时，制品的综合性能比较好。3 h 之后，冷却至 1 00℃ 以下，取出制品，自然冷却至室温加工成 PTFE 钢基铜塑复合材料。

表面硬度随加工温度升高而增大，但经过一定温度区域之后转而下降，最佳的加工温度范围为 370～380 ℃。这是因为加工温度低于370 ℃ 时，PTFE 料还没有完全由固体颗粒变成熔融状态，粒料之间还存在明显的缝隙，没有很好地融为一体，表面硬度较低。当加工温度在 370～380 ℃范围时，物料变成完全熔融，基本上成为一个均匀的整体，表现出较好的表面硬度。当加工温度继续升高到 390℃，则物料开始分解，形成小分子。因此，压制后的试样表面硬度也比较低。

在一定范围内，压制试样的表面硬度随加工压力的增加而增大。这是因为物料熔融之后，PTFE 由固体颗粒变成了熔融态，流动性好， 在压力的作用下， 可以自由流动。随着压力的增加，熔融了的物料被逐渐压实，压制试样的表面逐渐增大，逐渐充满了模具的型腔。当压力增加到一定值时，熔融的物料间的空隙被完全压实，其表面硬度也不再增大，表面硬度值趋于稳定。压力在 40.0～50.0 MPa 之间时，其综合性能比较好。

根据钢基铜塑复合材料的 3 层结构特征，在其加工过程中，采用不同的加工工艺对应的复合材料表面的塑料层厚度是不一样的。复合材料中的塑料层厚度对制件的实际应用性能有很大影响，表现了复合材料的不同综合性能。复合材料的表面硬度随塑料层厚度的减小而增大。PTFE 自身存在硬度低、磨损率高、承载能力差等缺点。塑料层太厚，在工作状态下，复合材料具有良好的摩擦性能，但是表层的PTFE 降被大量地磨损掉，工件表面的硬度不足；没有塑料层，将是铜粉裸露在外，其表面硬度接近钢的硬度，但是摩擦系数高；塑料层太薄，在工作磨损较大的情况下，特别是受到振动和撞击时，就会暴露出铜粉层，同样降低了复合材料的摩擦性能。因此确定出适度的复合材料厚度，对于复合材料具有较高的承载能力和理想的摩擦系数具有重要的意义。通过对我们的试验结果的分析得出，塑料层为 0.2 mm时，3 层结构复合材料的综合性能比较好的。

制件的性能和铜粉颗粒的大小具有一定的关系。在一定范围内，铜粉目数减少(即铜粉粒径增大) ，塑料层与钢背间的结合强度增大，动、静摩擦系数相应减小，复合材料的表面硬度增大。这是因为铜粉目数越小，颗粒间的孔隙变大，熔融态的 PTFE 就更容易和充分地进入孔隙内，使 PTFE和铜粉混合层把表层 PTFE 和钢背紧密地结合起来，结合强度增大。同时，PTFE 与钢背结合得越强，表面硬度越大，因此动、静摩擦系数就越小。铜粉目数过大，烧结的铜粉堆积在一起，则颗粒之间的间隙相对变小，PTFE 和钢背的结合强度减小，同时复合材图3 加工压力与表面硬度的关系图4 塑料层厚度与表面硬度的关系料复合层的承载能力也相应降低。铜粉目数过小，则复合材料复合层的承载能力增强，但是 PTFE 和铜粉混合层的结合强度变小。

PTFE 复合到钢背上以后，其摩擦性能较未复合的材料有了很大的提高。未复合的PTFE试样的表层塑料较厚，但表面硬度较小。而复合后的PTFE 层比较薄，只有 0.2 mm 左右，较薄的 PTFE 层以钢背为依托，其表面硬度较大。

表面硬度越大，则摩擦系数越小。未复合之前的静摩擦系数是 0.07，复合之后其系数是 0.05。由此可见，复合后，材料的动、静摩擦系数都有所减小。动摩擦系数随着载荷的增大而减小。这主要是由于摩擦表面的真实接触部分在很大的单位压力作用下，表面凸峰相互压入的啮合。同时，相互接触的表面分子也有吸引力，因此，摩擦过程实际上也就是克服亚微观表面凸峰的机械啮合的表面分子吸引力的过程。

复合材料的加工工艺对聚四氟乙烯钢基铜塑复合材料制件的性能有很大的影响：

(1) 复合材料的表面硬度随压制温度的升高而增大，在 370～380 ℃ 时表面硬度最大；

(2) PTFE 塑料复合到钢背上之后，其表面硬度比未复合时有一定的提高，复合材料的表面硬度随塑料层厚度的减小而增大，塑料层越薄，接近露出铜粉时，表面硬度越大；

(3) 铜粉粒径在一定范围内增加即目数减小，则塑料层与钢背间的结合强度增大，表面硬度增大，摩擦系数减小；

(4) PTFE 复合到钢背上后，制件承载能力有了很大提高，动、静摩擦系数都有所减小。图4 变载荷条件下 PTFE 复合前后动摩擦系数变化。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种HS311钢基铜塑自润滑材料的生产工艺，包括下料、铜粉板烧结、配料、液态成型、烧结、精轧步骤制得，具体如以下步骤；

（1）下料、选用铜粉、不锈钢钢板；

（2）铜粉板烧结；将不锈钢钢板表面进行镀铜处理，采用铜粉均匀铺设于不锈钢钢板上之后，放入到高温烧结炉中烧结，使金属颗粒之间、颗粒与基体之间局部烧结，形成多孔骨架；

（3）、配料：

调配合成干粉，由重量配比的原料组成：聚四氟乙烯40%-50%、铅粉13%-20%、玻璃纤维35%-45%、石墨粉12%-20%；

调配合成液；由重量配比的原料组成：聚四氟乙烯乳液70%-85%、二硫化钼5%-7%、酒精20%-30%、石墨粉5%-10%；

配合合成；将干粉和配合成液按照比例1:0.6的比例进行混合，使用设备为搅拌器，搅拌时间为2分钟，最终搅拌成混合后成团状；

（4）、液态成型：将面团取出一部分，搓揉成一根直径15mm的圆柱体，然后放在铜粉板的顶端，随后放入轧机，轧出后使用道具将板料四周的毛边去除；

（5）、烧结：

初烧：板料初轧后进入烘干炉烘干，温度300摄氏度，烘干时间10分钟，出炉后在进入轧机轧制一次 ；

二次烧结：将板材码放在架子上，送入氮气烧结炉，在设定好的程序中进行烧结，烧结温度为 180℃，烧结时间为 45～60 min，在加热加压的过程中，当温度超过 180 ℃ 时，要多次加压卸压；

再次烧结：在氮气烧结炉时间为8小时，氮气保护，温度由常温升至385摄氏度，压力由常压升至0.1Mpa，当氮气烧结炉加热温度在 370～380 ℃ 范围内，控制压力在 40.0～50.0 Mpa之间，烧结3 h 之后，冷却至 1 00 ℃ 以下取出制品后自然冷却出炉；

（6）、精轧：将烧结好的板料进行精轧达到规定尺寸，然后校平成型即成成品。