CN107598173B - 一种轴承胚料及制作该轴承胚料的方法 - Google Patents

Abstract

一种轴承胚料及制作该轴承胚料的方法，该轴承胚料包括一个基板，以及烧结于所述基板上的接触层。所述接触层由石墨、二硫化钼、铜合金、铋以及硬质颗粒料组成，其中，石墨的重量占比为0.1％～4％，二硫化钼的重量占比为0.1％～4％，铜合金的重量占比为70％～97.7％，铋的重量占比为2％～20％，硬质颗粒的重量比为0.1％～2％。本发明提供的轴承胚料的接触层中包括有石墨，二硫化钼，铋，以及硬质颗粒等组成，能够在不降低材料整体强度和承载能力的前提下，进一步减摩，同时，由于所述铋和硬质颗粒的作用增加了接触层的增体强度，可以避免由于载荷的加载，石墨的易粘着磨损的特性导致其无法形成稳定的润滑层，出现片状磨屑剥落，导致咬合。本发明还提供了一种制作该轴承胚料的方法。

Description

一种轴承胚料及制作该轴承胚料的方法

技术领域

本发明涉及轴承材料领域，特别是一种轴承胚料及制作该轴承胚料的方法。

背景技术

以优质碳素钢为基体，表面烧结青铜粉，适用于重载低速下的摇摆运动、旋转运动，具有摩擦系数低、耐磨性能好，使用寿命长、抗咬合性能好等特点。铜合金表面可以根据工况需要加工出各种形式的油槽、储油坑、油穴等，以适合于无法加油或难以加油的场合。其可以广泛使用于矿山机构、汽车、建筑机械、农用机械，以及轧钢机构等等。传统的双金属滑动轴承是在平面钢板上直接烧结青铜粉成双金属材料后卷制而成双金属滑动轴承。在该传统的双金属滑动轴承中，一般使用铅来作为接触材料，因为铅具有质地柔软，易粘附，抱合性能好与润滑油的亲和性好等特点，所以铅被长期用于润滑减磨材料中特别是在滑动轴承零件中更广泛地被使用。

然而铅是一种重金属，有毒性，对人体健康有危害。科学的发展使人们认识到长期广泛使用含铅产品对环境和人类的健康带来不可忽视的危害，欧盟率先于2003年推出了RoHS指令，要求在电子电器设备中禁止使用或限量使用铅等六种有害物质。随之欧洲、日本、美国也制定了相关法规和严格的程序，禁止含铅汽车零件的使用，并逐步禁止使用含铅的产品。因此，与国际接轨和融合，国内汽车零件无铅化也势在必行。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可替代铅的轴承胚料及制作该轴承胚料的方法，以满足上述要求。

一种轴承胚料，其包括一个基板，以及烧结于所述基板上的接触层。所述接触层由石墨、二硫化钼、铜合金、铋和硬质颗粒组成，其中，石墨的重量占比为0.1％～4％，二硫化钼的重量占比为0.1％～4％，铜合金的重量占比70％～ 97.7％，铋的重量占比为2％～20％，硬质颗粒的重量占比为0.1％～2％。

进一步地，所述基板由钢板、不锈钢板和铜板中的任意一种材料制成。

进一步地，所述铜合金为CuSn8Ni1。

进一步地，所述硬质颗粒为氧化铝、碳化硅、二氧化硅等同类材料中的任意一种或者任意几种的混合。

进一步地，所述石墨的重量占比与所述二硫化钼的重量占比相等，皆为2％。

一种制作该轴承胚料的方法，其包括如下步骤：

制作接触层，提供铜合金粉末，该铜合金在接触层中的重量占比为70％～97.7％；

提供石墨，该石墨在接触层中的重量占比为0.1％～4％；

提供二硫化钼，该二硫化钼在接触层中的重量占比为0.1％～4％；

提供铋，该铋在接触层中的重量占比为2％～20％；

提供硬质颗粒，所述硬质颗粒为氧化铝、碳化硅、二氧化硅等同类材料中的任意一种或者任意几种的混合，所述硬质颗粒在所述接触层中的重量占比为 0.1％～2％；

对所述石墨与二硫化钼进行预处理以使该石墨与二硫化钼进行改性；

将所述铜合金、铋、硬质颗粒以及石墨和二硫化钼的被改性后的混合物进行混合以形成接触层混合材料；

提供一个基板，并将上述的接触层混合材料散布于该基板；

对散布有接触层混合材料的基板进行第一次烧结；

对进行第一次烧结后具有接触层混合材料的基板进行压延；

对压延后的具有接触层混合材料的基板进行第二次烧结以形成所述的轴承胚料。

进一步地，所述铜合金的粉末粒径小于180um，石墨的目数大于300目，所述二硫化钼的目数大于300目。

进一步地，散布于所述基板上的接触层混合材料的平均厚度为2.0mm。

进一步地，所述第一、第二次烧结的烧结温度区间为800℃～950℃、烧结时间为20min～40min。

与现有技术相比，本发明提供的轴承胚料的接触层中包括有石墨，二硫化钼，铋，以及硬质颗粒，其中石墨主要起到减摩的效果，而二硫化钼既有减摩效果，又能够在不降低材料整体强度和承载能力的前提下，进一步减摩，同时，由于所述铋和硬质颗粒的作用增加了接触层的增体强度，可以避免由于载荷的加载，石墨的易粘着磨损的特性导致其无法形成稳定的润滑层，出现片状磨屑剥落，进而使得部分石墨及铜合金被粘附在对磨件表面，形成微凸起，从而使得摩擦系数急剧升高，最终导致咬合。

附图说明

图1为本发明提供的一种制作该轴承胚料的方法的步骤图。

图2为图1的制作该轴承胚料的方法所制得的轴承胚料在进行搞咬合试验时样件与对磨件各自的形貌图。

图3为比较例1的样件与对磨件各自的形貌图。

图4为比较例2的样件与对磨件各自的形貌图。

图5为比较例3的样件与对磨件各自的形貌图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施例进行进一步详细说明。应当理解的是，此处对本发明实施例的说明并不用于限定本发明的保护范围。

本发明提供的一种轴承胚料，其包括基板，以及浇结于基板上的接触层。所述基板可以为铜板，也可以为不锈钢板，或钢板，还可以为其他材料制成的板材等。所述接触层应当为与其他零部件接触的一层材料膜。例如，当所述轴承胚料制成后，经过卷制成滑动轴承后，该滑动轴承将套设在一根轴上，所述接触层便为该滑动轴承与轴接触的一层材料膜。所述接触层由石墨、二硫化钼、铜合金、铋、以及硬质颗粒组成，其中，石墨的重量占比为0.1％～4％，二硫化钼的重量占比为0.1％～4％，铜合金的重量占比为70％～97.7％，铋的重量占比为2％～20％，以及硬质颗粒的重量占比为0.1％～2％。所述石墨其目数大于300 目。在本发明中，所述石墨作为固体润滑添加剂，在干摩擦条件下，石墨作为游离的固体减摩材料，易与铜合金基体分离并迅速转移到对磨件表面，从而可以降低材料的摩擦系数。所述二硫化钼也作为一种固体润滑添加剂，其目数大于300目。经研究，二硫化钼虽然与石墨一样都属于六方晶系，但二硫化钼棱面更多，比表面积更大，从而与铜合金的接触面积大，从而降低了对材料整体强度的影响，并且二硫化钼具备的悬空键也更多，有更好的活性，在摩擦过程中，尤其是在干摩擦的环境下，容易在金属表面生产氧化膜，从而提高材料整体的减摩性能，提高材料的抗咬合能力。所述铜合金可以为CuSn8Ni1。当然在符合法律法规的情况下，如一些含铅材料如CuSn10Pb10在一些场合也是可以使用的，如铅属于限量使用的场合。该铜合金作为基体材料，有利于烧结至基板上。所述铋为一种金属类减摩填料，其应当为颗粒状，而不能为粉末状。所述硬质颗粒可以为氧化铝、碳化硅、二氧化硅等同类材料中的任意一种或者任意几种的混合，增加该硬质颗粒的目的在于提高接触层的整体强度，降低成本。

如图1所示，根据上述的材料名称及重量份进行备料，然后制备所述的轴承胚料。具体包括下列步骤：

S1：制作接触层，提供铜合金粉末，该铜合金在接触层中的重量占比为 70％～97.7％；

S2：提供石墨，该石墨在接触层中的重量占比为0.1％～4％；

S3：提供二硫化钼，该二硫化钼在接触层中的重量占比为0.1％～4％；

S4：提供铋，该铋在接触层中的重量占比为2％～20％；

S5：提供硬质颗粒，所述硬质颗粒为氧化铝、碳化硅、二氧化硅等同类材料中的任意一种或者任意几种的混合，所述硬质颗粒在所述接触层中的重量占比为0.1％～2％；

S6：对所述石墨与二硫化钼进行预处理以使该石墨与二硫化钼进行改性；

S7：将所述铜合金、铋、硬质颗粒以及石墨和二硫化钼的被改性后的混合物进行混合以形成接触层混合材料；

S8：提供一个基板，并将上述的接触层混合材料散布于该基板上；

S9：对散布有接触层混合材料的基板进行第一次烧结；

S10：对进行第一次烧结后具有接触层混合材料的基板进行压延；

S11：对压延后的具有接触层混合材料的基板进行第二次烧结以形成所述的轴承胚料；

在步骤S1中，所提供的铜合金的粉末粒径应当小于180um。

在步骤S2中，所提供的石墨的目数应当大于300目，二硫化钼的目数也应当大于300目。

在步骤S4中，主要使用硫酸盐和羧酸盐对石墨与二硫化钼的混合物进行改性，以提高其表面活性，从而提高其分布的均匀性。

在步骤S8中，散布于所述基板上的接触层混合材料的平均厚度可以为 2.0mm。

在步骤S9和S11中，所述第一、第二次烧结的烧结温度区间为800℃～ 950℃、烧结时间为20min～40min。

最后，经过上述的步骤即可以制作完成所述的轴承胚料，其后再根据实际需要即可以卷制成各种各样的轴承，如滑动轴承、滚动轴承等。

与现有技术相比，本发明提供的轴承胚料的接触层中包括有石墨，二硫化钼，以及铋硬质颗粒，其中石墨主要起到减摩的效果，而二硫化钼既有减摩效果，又能够在不降低材料整体强度和承载能力的前提下，进一步减摩，同时，由于所述铋等硬质颗粒的作用增加了接触层的增体强度，可以避免由于载荷的加载，石墨的易粘着磨损的特性导致其无法形成稳定的润滑层，出现片状磨屑剥落，进而使得部分石墨及铜合金被粘附在对磨件表面，形成微凸起，从而使得摩擦系数急剧升高，最终导致咬合。

实施例1

将石墨、二硫化钼、铜合金、铋、以及硬质颗粒按照2％、2％、83.9％、11％、1.1％的重量比形成所述接触层混合材料。

将上述的接触岐混合材料散布于基板上，平均厚度可以为2mm。

然后对其进行第一次烧结、压延、第二烧结，从而形成轴承胚料。

比较例1

将铜合金按照100％的重量比形成所述接触层混合材料，其中铜合金为CuSn8Ni1。

将上述的接触层混合材料散布于基板上，平均厚度可以为2mm。

然后对其进行第一次烧结、压延、第二烧结，从而形成轴承胚料。

比较例2

将铜合金、以及铋按照89％、11％的重量比形成所述接触层混合材料，其中铜合金为CuSn8Ni1。

将上述的接触层混合材料散布于基板上，平均厚度可以为2mm。

然后对其进行第一次烧结、压延、第二烧结，从而形成轴承胚料。

比较例3

将铜合金按照100％的重量比形成所述接触层混合材料，其中铜合金为CuSn10Pb10。

将上述的接触层混合材料散布于基板上，平均厚度可以为2mm。

然后对其进行第一次烧结、压延、第二烧结，从而形成轴承胚料。

将上述的轴承胚料卷制成同等规格的滑动轴承，并加载上不同的载荷，便可以测试其性能，抗咬合试验在端面摩擦试验机上进行，将供试材料加工成 37mm×37mm×3mm的片状并按以下试验条件进行试验：

对磨件材料：45#钢(HRC42～47，Ra0.6～0.8)

对磨件尺寸：接触面为Φ30mm×Φ22mm的圆环

线速度：1.0m/s

加载方式：初始加载200N，磨合1min后，每2.5min加载500N，当试件温度超过200℃或摩擦系数急剧上升时(接近咬合)，试验停止

润滑条件：干摩擦。

最后，其测试样例与测试结果分别见表1和表2。

表1

其中：--代表该组份的重量占比为0

表2

其中：A、B、C分别代表所对应的性能的等级。

还需要进一下说明的是，在实施例1中，如果试验面压小于16MPa，则不会有咬合现象发生。

对照表1和表2可以知道，实施例1的各项性能指标的等级都最高，因此，石墨的重量占比与所述二硫化钼的重量占比相等时，且皆为2％时，所得到轴承胚料的性能最好。这是因为二硫化钼与石墨一起提供了相当于4％的石墨所起的减摩效果，同时二硫化钼、铋、以及硬质颗粒一起提供了阻止该石墨及二硫化钼在载荷的作用下出现片状磨屑剥落的情况，即可以在该轴承与对磨件之间形成稳定的润滑层，从而获得了最佳的抗咬合性能。

为了验证上述的结论，对上述的实施例1和三个比较例的搞咬合试验所形成的样件进行了形貌分析。

如图2所示，a为样件的表面形貌图，b为对磨件的表面形貌图。从图2的 a的样件的表面磨痕来看，其表面磨痕细腻，且黑色物质及黑亮色物质为石墨和二硫化钼。可以推断出，在摩擦过程中，石墨及二硫化钼在试样与对磨件之间形成了较稳定的润滑层，大大降低了摩擦系数，使得材料表现出良好的抗咬合能力。同时，从图2的b所示的对磨件表面磨痕，也可以看到对磨件磨痕细腻，表面存在少量的黑色物质，经能谱检测显示该物质为石墨颗粒，再次验证了稳定的润滑层的存在。

从图3的a的样件形貌图中可以看出，样件表面存在大量犁沟状磨痕及较严重的粘着磨损现象，而b中的对磨件表面也可以见大量的黄色粘着物，经能谱检测为铜合金成分，说明样件与对磨件之间的润滑性能较差，粘着磨损严重。比较例1表现不佳的原因是其铜合金材料中缺乏润滑材料，导致在摩擦过程中润滑性能较差，随着载荷的加大，摩擦系数和试验温度急剧上升，导致实验结束。

图4为比较例2的样件与对磨件的形貌分析图。在比较例2中，铜合金中含铋成分，提高了材料的润滑性能，但是铋是以较大颗粒的单质形态游离于材料中，其分布均匀性较差，且铋的润滑能力远低于铅，当摩擦副润滑性能不足时，对磨件开始切削铜合金材料表面，当载荷逐步加大时，产生划痕，并发生粘着磨损，从而导致摩擦系数迅速上升，最终咬合。图4的a图中试样表面出现了较多犁沟状的磨痕，对磨件表面存在大颗粒附着物，经能谱检测显示其主要成分为铜合金材质，说明摩擦副发生了较严重的粘着磨损，是最终导致咬合的主要原因。

图5为比较例3的样件与对磨件的形貌分析图。在比较例3中，由于铜合金材料中存在Pb，故具备一定的润滑性，但和含Bi相同，Pb是以较大颗粒的单质形态存在于铜合金材料结构中，分布不够均匀，且对其承载能力有一定影响，与含铋材料相同，载荷加大初期表现良好，随着载荷的进一步加大，其摩擦系数急剧上升，导致试验结束。在图5的a图样件表面出现了局部犁沟状磨痕以及粘着磨损的痕迹，对磨件上也粘附了部分铜合金材料，对磨件表面局部凸起明显，说明摩擦副发生了粘着磨损，从而导致最终的咬合发生。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用于局限本发明的保护范围，任何在本发明精神内的修改、等同替换或改进等，都涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种轴承胚料，其特征在于：其包括一个基板，以及烧结于所述基板上的接触层，所述接触层为与其他零部件接触的一层材料膜，所述接触层由石墨、二硫化钼、铜合金、铋和硬质颗粒组成，其中，所述石墨与二硫化钼为使用硫酸盐和羧酸盐改性后的石墨与硫化钼，石墨的重量占比为0.1％～4％，二硫化钼的重量占比为0.1％～4％，铜合金的重量占比为70％～97.7％，铋的重量占比为11％～20％，硬质颗粒的重量占比为0.1％～2％,所述铜合金为CuSn8Ni1,所述石墨的重量占比与所述二硫化钼的重量占比相等。

2.如权利要求1所述的轴承胚料，其特征在于：所述基板由钢板、不锈钢板和铜板中的任意一种材料制成。

3.如权利要求1所述的轴承胚料，其特征在于：所述硬质颗粒为氧化铝、碳化硅、二氧化硅中的任意一种或者任意几种的混合。

4.如权利要求1所述的轴承胚料，其特征在于：所述石墨的重量占比与所述二硫化钼的重量占比皆为2％。

5.一种制作轴承胚料的方法，其包括如下步骤：

制作接触层，所述接触层为与其他零部件接触的一层材料膜，提供铜合金粉末，该铜合金在接触层中的重量占比为70％～97.7％；

提供石墨，该石墨在接触层中的重量占比为0.1％～4％；

提供二硫化钼，该二硫化钼在接触层中的重量占比为0.1％～4％，所述二硫化钼的重量占比与石墨的重量占比相等；

提供铋，该铋在接触层中的重量占比为11％～20％；

提供硬质颗粒，所述硬质颗粒为氧化铝、碳化硅、二氧化硅中的任意一种或者任意几种的混合，所述硬质颗粒在所述接触层中的重量占比为0.1％～2％；

对所述石墨与二硫化钼使用硫酸盐和羧酸盐进行预处理以使该石墨与二硫化钼进行改性；

将所述铜合金、铋、硬质颗粒以及石墨和二硫化钼的被改性后的混合物进行混合以形成接触层混合材料；

提供一个基板，并将上述的接触层混合材料散布于该基板上；

对散布有接触层混合材料的基板进行第一次烧结；

对进行第一次烧结后具有接触层混合材料的基板进行压延；

对压延后的具有接触层混合材料的基板进行第二次烧结以形成所述的轴承胚料。

6.如权利要求5所述的制作轴承胚料的方法，其特征在于：所述铜合金的粉末粒径小于180um。

7.如权利要求5所述的制作轴承胚料的方法，其特征在于：石墨的目数大于300目，二硫化钼的目数大于300目，硬质颗粒的平均粒径为1.0um-100um。

8.权利要求5所述的制作轴承胚料的方法，其特征在于：散布于所述基板上的接触层混合材料的平均厚度为2.0mm。

9.如权利要求5所述的制作轴承胚料的方法，其特征在于：所述第一次、第二次烧结的烧结温度区间为800℃～950℃、烧结时间为20min～40min。

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