CN107365921B - 一种在室温至500℃使用的CuNiSn合金基自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种在室温至500℃使用的CuNiSn合金基自润滑复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在室温至500℃使用的CuNiSn合金基自润滑复合材料及其制备方法。该材料由Ni 1％～12％、Sn 3％～6％、Fe 0.5～3%、Al 0.01～0.08%、Ti 0.01～0.08%、石墨1.0～4.0%、PbO 1.0～6.0%、CeF3 0.1％～1.0％以及余量Cu组成，按质量分数计。该材料在室温～500℃具有高硬度、高强度、低摩擦、耐磨损及自润滑特性，适用于制造上述温度范围的设备用滑动轴承、滑板、滚动轴承保持架或其它零部件。

Description

一种在室温至500℃使用的CuNiSn合金基自润滑复合材料及 其制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属基高温自润滑复合材料及其制备方法，该材料在室温至500℃具有高硬度、高强度、低摩擦、耐磨损、自润滑并具有平稳的摩擦-温度特性。
背景技术
铜合金基自润滑复合材料在机械制造业得到广泛的应用。但受制于铜合金基体的耐高温性能，尤其是该类材料在300 ℃以上使用时其强度、抗氧化性和耐磨性明显下降，使该类材料在上述工况下使用受到很大制约。如日本专利：高温用高强度自润滑复合材料及其制造方法 (西田卓彦，关口昭一，小野透等，ZL 专利号 95193289.6 授权公告日 1999年12月29日，授权公告号 CN 1047805C)中报道，在实施例1中，90（70Cu：30Ni）：10Sn合金基体中加入25%体积比的石墨和WS2（石墨：WS2体积比为4:1）的室温屈服强度为138MPa，抗压强度由室温的268 MPa下降至450℃的176MPa。因此，目前研究的主要难点在于如何提高铜合金基自润滑材料在300～500 ℃温度范围使用的稳定性和可靠性，即提高其硬度和强度及抗氧化性，同时降低摩擦系数和提高耐磨性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在室温～500℃使用的CuNiSn合金基自润滑复合材料及其制备方法。
一种在室温至500℃使用的CuNiSn合金基自润滑复合材料，其特征在于该材料由Ni 1％～12％、Sn 3％～6％、Fe 0.5～3%、Al 0.01～0.08%、Ti 0.01～0.08%、石墨 1.0～4.0%、PbO 1.0～6.0%、CeF3 0.1％～1.0％以及余量Cu组成，按质量分数计。
一种在室温～500℃使用的CuNiSn合金基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于该方法：将Cu粉、Ni粉、Sn粉、Fe粉、Al粉、Ti粉、石墨粉、PbO粉和CeF3粉按比例称量后装入混料器中混合8～10小时；然后将混合料装入钢模中，将其置于压机上，在300MPa～350MPa压力下压制，保压3分钟后脱模，即形成冷压产品毛坯；将冷压产品毛坯置于烧结炉中，在氢气或氮氢混合保护气氛中以3～5℃/分钟升温；温度升至870～950℃，保温60～90分钟；保温结束后，自由冷却至室温取出；然后进行调幅处理，即将其置于烧结炉中，在氢气或氮氢混合保护气氛中以3～5℃/分钟升温，温度升至350～400℃，保温180～240分钟；保温结束后，自由冷却至室温得到复合材料。
本发明所述的Cu粉、Sn粉、Ni粉、Fe粉、Al粉、Ti粉纯度大于99.5%，粒度小于0.060mm，且均为电解粉或还原粉。
本发明所述的石墨粉、PbO粉、CeF3粉的纯度大于99.5％，粒度小于0.035mm。
本发明将Cu、Ni、Sn元素及微合金化元素Fe、Al、Ti与石墨、PbO、CeF3组成的复合固体润滑剂混合，采用粉末冶金工艺制成的CuNiSn―（石墨+PbO+CeF3）系高温自润滑复合材料中，其合金中形成了均匀的(CuNi)、(CuSn)固溶体及Sn-Ni金属间化合物，使合金的硬度和强度得到明显提高。更为重要的是，可将烧结后的CuNiSn―（石墨+PbO+CeF3）系高温自润滑复合材料或由其制造的产品毛坯，进行调幅处理，即在控制时效时间和一定的温度时，该类材料的组织结构中发生调幅分解而产生了微小交替的调幅组织，进一步提高了该类材料的硬度和强度。再者，加入微量元素Fe、Al、Ti对该类材料调幅处理时有助于加快时效过程，提高硬化效果及细化晶粒的作用。加入石墨、PbO、CeF3组成的复合固体润滑剂，使其具有良好的室温～500℃耐磨润滑性能。因此，在上述温域，由该类材料制作的传动部件，使用时具有高硬度、高强度、低摩擦、耐磨损、自润滑及平稳的摩擦-温度特性。
本发明的CuNiSn-（石墨+PbO+CeF3）系自润滑复合材料以CuNiSn合金为基体，加入能够加快时效过程和提高时效硬化效果及机械性能的微量元素Fe、Al、Ti，以及石墨、PbO、CeF3组成的复合固体润滑剂为润滑相，采用混料、冷压成型、氢气保护自由烧结工艺制造毛坯。冷却至室温后将取出的毛坯再置入箱式炉内，在氢气保护下进行调幅处理，之后加工为产品。
本发明所述的材料在室温～500℃具有优异的高硬度、高强度、低摩擦、耐磨损及良好的自润滑特性。
本发明所述复合材料的优点是：在室温～500℃具有高硬度、高强度、低摩擦、耐磨损及自润滑特性。同时与锡青铜基自润滑复合材料（专利号：Zl 99 1 26582.3）和高温用高强度自润滑复合材料及其制造方法（专利号：ZL 95193289.6）相比，具有更高的硬度、屈服强度及更好的高温耐磨润滑性能。适用于制造上述温度范围的设备用滑动轴承、滑板、滚动轴承保持架或其它零部件。
具体实施方式
实施例1
按表5序号1配比称取物料，装入双锥型混料器中混匀，混料时间8～10小时。按要求称取混合料装入钢模中，将装好混合料的钢模置于60吨液压机上，在300MPa压力下压制，保压3分钟后脱模，即形成冷压产品毛坯。将冷压产品毛坯置于箱式自由烧结炉中，在氢气保护气氛中，以3～5℃/分钟升温，温度升至890℃，保温70分钟。保温结束后，自由冷却至室温取出。然后对该产品毛坯进行调幅处理，即将其置于箱式自由烧结炉中，在氢气保护气氛中，以3～5℃/分钟升温，温度升至350℃，保温180分钟。保温结束后，自由冷却至室温即得所述该复合材料产品。材料性能如下表1和摩擦磨损性能如下表2所示。
表1 实施例1所述材料的密度、布氏硬度和屈服强度（室温）
表2 实施例1所述材料的摩擦系数和磨损率
注：对偶材料为40Cr钢。
实施例2
按表5序号2配比称取物料，在双锥型混料器中混匀，时间8～10小时。按要求称取混合料装入钢模中，将装好混合料的钢模置于60吨液压机上，在350MPa压力下压制，保压3分钟后脱模，即形成冷压产品毛坯。将冷压产品毛坯置于箱式自由烧结炉中，在氢气保护气氛中，以3～5℃/分钟升温，温度升至950℃，保温90分钟。保温结束后，自由冷却至室温取出。然后对该产品毛坯进行调幅处理，即将其置于箱式自由烧结炉中，在氢气保护气氛中，以3～5℃/分钟升温，温度升至400℃，保温240分钟。保温结束后，自由冷却至室温即得所述复合材料著作的产品。材料性能如下表3和摩擦磨损性能如下表4所示。
表3 实施例2所述材料的密度、布氏硬度和屈服强度（室温）
表4 实施例2所述材料的摩擦系数和磨损率
注：对偶材料为40Cr钢。
表5 实施例1～2材料成分配比（wt%）及制备工艺参数
。

Claims (4)

1.一种在室温至500℃使用的CuNiSn合金基自润滑复合材料，其特征在于该材料由Ni1％～12％、Sn 3％～6％、Fe 0.5～3%、Al 0.01～0.08%、Ti 0.01～0.08%、石墨 1.0～4.0%、PbO 1.0～6.0%、CeF3 0.1％～1.0％以及余量Cu组成，按质量分数计。
2.如权利要求1所述一种在室温～500℃使用的CuNiSn合金基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于该方法：将Cu粉、Ni粉、Sn粉、Fe粉、Al粉、Ti粉、石墨粉、PbO粉和CeF3粉按比例称量后装入混料器中混合8～10小时；然后将混合料装入钢模中，将其置于压机上，在300MPa～350MPa压力下压制，保压3分钟后脱模，即形成冷压产品毛坯；将冷压产品毛坯置于烧结炉中，在氢气或氮氢混合保护气氛中以3～5℃/分钟升温；温度升至870～950℃，保温60～90分钟；保温结束后，自由冷却至室温取出；然后进行调幅处理，即将其置于烧结炉中，在氢气或氮氢混合保护气氛中以3～5℃/分钟升温，温度升至350～400℃，保温180～240分钟；保温结束后，自由冷却至室温得到复合材料。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于Cu粉、Sn粉、Ni粉、Fe粉、Al粉、Ti粉纯度大于99.5%，粒度小于0.060mm，且均为电解粉或还原粉。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于石墨粉、PbO粉、CeF3粉的纯度大于99.5％，粒度小于0.035mm。
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