CN108277379A - 一种高强减摩无铅铜基滑动轴承材料 - Google Patents

一种高强减摩无铅铜基滑动轴承材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强减摩无铅铜基滑动轴承材料，采用球磨工艺使铜粉、铁粉和硫化铜粉机械合金化，CuS和Fe混合粉末可被其高能量的导入方式，机械诱发化学反应生成超细颗粒纳米晶FeS。这种反应自生复合工艺解决了外加增强粒子存在的吸气、润湿性差、界面结合不良等问题。同时球磨工艺改善了硫化亚铁直接添加时易团聚的现象。球磨过程中，另有一部分Fe原子固溶到铜原子中起固溶强化作用，强化铜基复合材料。本发明主要是利用FeS自身优良的减摩、抗粘着能力，取代原铜基轴承材料中的铅，避免了铅的污染，同时Fe固溶强化铜基滑动轴承材料，实现了无铅铜基滑动轴承材料高强度与良好润滑特性的有效统一。

Description

一种高强减摩无铅铜基滑动轴承材料
技术领域
本发明属于轴承材料技术领域，具体涉及一种高强减摩无铅铜基滑动轴承材料及其制备方法。
背景技术
由于铅具有质软、熔点低的特点，被广泛应用于铜基滑动轴承材料中，同时，铅也是一种重金属，对人体和环境都有着严重的危害。目前，欧美等发达国家都对铅的使用进行了严格的限制。
硫化物中硫化亚铁（FeS）是一种常见的固体润滑剂，其具有与石墨相似的六方层状结构，具有较低的剪切强度，熔点高达1100℃，在齿轮、缸套等典型摩擦副零件的表面改性方面得到广泛应用。通过在铜合金基体中直接添加FeS颗粒，采用常规粉末冶金的方法制备了无铅铜基滑动轴承材料，在不同工况条件下进行摩擦磨损试验，表明添加硫化亚铁（FeS）的材料表现出更优良的减摩抗粘着效果。但采用常规粉末冶金方法制备硫化亚铁（FeS）/铜基材料存在一定的不足，硫化亚铁（FeS）与铜的湿润性差，与基体界面结合质量不牢固，且硫化亚铁（FeS）颗粒容易发生大块团聚，摩擦过程中易从基体中剥落，削弱材料整体力学性能及其减摩耐磨性能。随着硫化亚铁（FeS）含量的增多，团聚现象越来越明显，弥散效果开始变差，其软质易滑移特征逐渐起主导作用，所以强度越来越低。
发明内容
为了解决外加增强粒子存在的吸气、润湿性差、界面结合不良等问题，进一步提高铜基滑动轴承材料的力学性能和摩擦磨损性能，本发明提供一种高强减摩无铅铜基滑动轴承材料及其制备方法。
一种高强减摩无铅铜基滑动轴承材料由质量百分比70～98%青铜粉、1～15%硫化铜粉、1～15%铁粉制成；所述高强减摩无铅铜基滑动轴承材料的力学性能：压溃强度300～500MPa，硬度70～100HB；
所述青铜粉的成份按质量百分比为：镍粉0～1.5%、锡粉6～10%、磷粉0.4～0.6%，余量铜粉；
具体制备操作步骤如下：
（1）球磨
将研磨球、青铜粉、硫化铜粉、铁粉和过程控制剂加入研磨罐中，磨球与待磨混合物料的质量之比为10:1～15:1；球磨，得到机械合金粉；其中青铜粉、硫化铜粉、铁粉和过程控制剂组成待磨混合物料；
其中硫化铜粉和部分铁粉在球磨过程中机械诱发化学反应，原位自生成纳米晶硫化亚铁（FeS），起减摩作用；部分铁原子机械合金化固溶到铜原子中起固溶强化作用，强化铜基复合材料；
（2）压制
将所述机械合金粉末送入压机的制品模具中压制成生坯；
（3）烧结
将所述生坯放入氨分解保护气氛中进行烧结，得到高强减摩无铅铜基滑动轴承材料。
进一步限定的技术方案如下：
步骤（1）中，过程控制剂为液体酒精、四氯化碳、硬脂酸、固体石蜡中的一种，加入量为待磨混合物料质量的0.2～0.8%。
步骤（1）中，球磨条件为转速300～600 r/min、球磨时间15～60h。
步骤（2）中，压制生坯的压力为550MPa～700MPa。
步骤（3）中，烧结条件：烧结温度为780～880℃，保温时间为20～60min。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、本发明采用球磨工艺使粉末组织结构不断的细化，粉末在机械力化学作用下，各组分原子相互扩散，形成非平衡态或发生化学反应。硫化铜（CuS）和铁（Fe）的混合粉末可被其高能量的导入方式机械诱发发生反应，原位自生成超细颗粒纳米晶硫化亚铁（FeS），取代铜基轴承中铅的作用。这种反应自生复合工艺解决了外加增强粒子存在的吸气、润湿性差、界面结合不良等问题。同时球磨工艺改善了硫化亚铁直接添加时易团聚的现象。球磨过程中，部分铁（Fe）原子固溶到铜原子中作增强相强化铜基复合材料。本发明制备的材料具有优良的力学性能和摩擦学性能，且工艺简单、无污染，为发展一种新型铜基材料制备技术提供思路。
2、本发明选用磨球与待磨混合物料的质量之比为10:1～15:1。在球磨过程中粉末系统的活性达到足够高时，球与粉末颗粒相互碰撞的瞬间造成的界面升温诱发了此处的化学反应。在相同的球磨条件下，球料比过小，粉末过多，粉末系统的活性不够高，界面升温很难诱发化学反应。然而球料比过大，粉末比表面积增大，晶粒尺寸减小，晶格畸变会增大。综合考虑，选择10:1～15:1的球料比，保证球磨过程中反应的连续进行，减少颗粒内部产生了细微的裂纹缺陷，提高粉末压制质量。
3、本发明在球磨过程中选用四氯化碳作为过程控制剂。相比于其他过程控制剂，四氯化碳对铜基材料球磨过程中的相变化具有更大的延缓作用，有效减少粉末的粘壁、粘球以及磨球和磨罐的磨损，把出粉率从92%提高到98%。
4、球磨过程中生成的FeS弥散均匀成点状分布在铜基体中，解决了硫化亚铁直接添加时易团聚的问题。同时部分Fe原子固溶到铜原子中起固溶强化作用，强化铜基复合材料。实现了无铅铜基滑动轴承材料高强度与良好润滑特性的有效统一。
具体实施方式
下面通过实施例本发明进行详细说明，下述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下述实施例中所使用实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下列实施例中所用试剂、材料等如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
制作高强减摩无铅铜基滑动轴承材料的具体操作步骤如下：
（1）球磨
分别称取220.8g（92%）青铜粉、9.6g（4%）硫化铜和9.6g（4%）铁粉，共240g；将240g物料分别放入容积为200mL的四个研磨罐中；单个研磨罐装粉总质量60g，并按待磨混合物料质量0.5wt%添加过程控制剂四氯化碳；青铜粉、硫化铜粉、铁粉和过程控制剂组成待磨混合物料。
青铜粉的质量百分比构成如表1所示。
磨球与待磨混合物料的质量之比为10:1，单个研磨罐磨球总质量600g，其中大球250g，小球 350g。
抽真空，填充高纯度氩气，转速350r/min，球磨时间15h；球磨完毕自然冷却。
完成四个研磨罐的球磨，得到240g机械合金粉。
（2）压制
在240g机械合金粉中添加按机械合金粉质量百分比0.5wt%硬脂酸作为润滑剂，在100吨万能液压机上分别压制出尺寸为Φ35.4 mm×4.4 mm的摩擦磨损试验样品和φ15×φ25×15mm的压溃强度试验样品，压制压力600MPa。
（3）烧结
将得到的两种试验样品放入氨分解气氛的网带烧结炉进行烧结，烧结温度830℃，保温时间为30min，得到两种无铅减摩铜基滑动轴承材料试验样品。
将两种无铅减摩铜基滑动轴承材料试验样品分别进行力学性能和摩擦磨损性能检测。摩擦磨损性能检测是在HDM-10型端面摩擦磨损试验机上进行，试验摩擦副为环块接触方式，下试样为摩擦磨损试验样品，试样大小为Φ35.4 mm×4.4 mm；上试样为圆环，外径Φ24mm，内径Φ16mm，材料为45#钢调质处理，硬度HRC50±3。上试样转速为0.2m/s。在压力500N，干摩擦工况下进行摩擦磨损试验。
实施例2
制作高强减摩无铅铜基滑动轴承材料的具体操作步骤如下：
（1）球磨
分别称取称取134.4g(84%)青铜粉、12.8g(8%)硫化铜和12.8g(8%)铁粉，共160g；将160g物料分别放入容积为200mL的四个研磨罐中；单个研磨罐装粉总质量40g，并按待磨混合物料质量0.5wt%添加过程控制剂硬脂酸；青铜粉、硫化铜粉、铁粉和过程控制剂组成待磨混合物料。
青铜粉的质量百分比构成如表2所示。
磨球与待磨混合物料的质量之比为15:1，单个研磨罐磨球总质量600g，其中大球250g，小球 350g。
抽真空，填充高纯度氩气，转速450r/min，球磨时间35h；球磨完毕自然冷却。
完成四个研磨罐的球磨，得到160g机械合金粉。
（2）压制
在160g机械合金粉中添加按机械合金粉质量百分比0.5wt%硬脂酸作为润滑剂，在100吨万能液压机上分别压制出尺寸为Φ35.4 mm×4.4 mm的摩擦磨损试验样品和φ15×φ25×15mm的压溃强度试验样品，压制压力650MPa。
（3）烧结
将得到的两种试验样品放入氨分解气氛的网带烧结炉进行烧结，烧结温度860℃，保温时间为40min，得到两种无铅减摩铜基滑动轴承材料试验样品。
将两种无铅减摩铜基滑动轴承材料试验样品分别进行力学性能和摩擦磨损性能检测。摩擦磨损性能检测是在HDM-10型端面摩擦磨损试验机上进行，试验摩擦副为环块接触方式，下试样为摩擦磨损试验样品，试样大小为Φ35.4 mm×4.4 mm；上试样为圆环，外径Φ24mm，内径Φ16mm，材料为45#钢调质处理，硬度HRC50±3。上试样转速为0.2m/s。在压力500N，干摩擦工况下进行摩擦磨损试验。
实施例3
本实施例的高强减摩无铅铜基滑动轴承材料由质量百分比76%的青铜粉、12%的硫化铜粉末和12%铁粉末制成。
其它同实施例1。
本实施例所得试样的力学性能和试验30min后的摩擦学性能检测结果如表3所示。
对比例1
为了进行对比，本实施例的高强减摩无铅铜基滑动轴承材料由质量百分比100%的青铜粉、0%的硫化铜粉末和0%铁粉末制成；其中青铜粉的原料构成与实施例1相同。
其它同实施例1。
本实施例所得试样的力学性能和试验30min后的摩擦学性能检测结果如表3所示。
本发明公开了一种新型高强减摩无铅铜基滑动轴承材料。采用球磨工艺使铜粉、铁粉和硫化铜粉机械合金化，CuS和Fe混合粉末可被其高能量的导入方式机械诱发发生反应生成超细颗粒纳米晶FeS。同时生成的FeS弥散均匀分布在铜基体中，解决了硫化亚铁直接添加时易团聚的问题。球磨过程中，部分Fe原子固溶到铜原子中起固溶强化作用，强化铜基复合材料。本发明主要是利用FeS自身优良的减摩、抗粘着能力，取代原铜基轴承材料中的铅，避免了铅的污染，同时Fe固溶强化铜基滑动轴承材料，实现了无铅铜基滑动轴承材料高强度与良好润滑特性的有效统一。

Claims (5)

1.一种高强减摩无铅铜基滑动轴承材料，其特征在于：由质量百分比70～98%青铜粉、1～15%硫化铜粉、1～15%铁粉制成；所述高强减摩无铅铜基滑动轴承材料的力学性能：压溃强度300～500MPa，硬度70～100HB；
所述青铜粉的成份按质量百分比为：镍粉0～1.5%、锡粉6～10%、磷粉0.4～0.6%，余量铜粉；
具体制备操作步骤如下：
（1）球磨
将研磨球、青铜粉、硫化铜粉、铁粉和过程控制剂加入研磨罐中，磨球与待磨混合物料的质量之比为10:1～15:1；球磨，得到机械合金粉；其中青铜粉、硫化铜粉、铁粉和过程控制剂组成待磨混合物料；
其中硫化铜粉和部分铁粉在球磨过程中机械诱发化学反应，原位自生成纳米晶硫化亚铁（FeS），起减摩作用；部分铁原子机械合金化固溶到铜原子中起固溶强化作用，强化铜基复合材料；
（2）压制
将所述机械合金粉末送入压机的制品模具中压制成生坯；
（3）烧结
将所述生坯放入氨分解保护气氛中进行烧结，得到高强减摩无铅铜基滑动轴承材料。
2.根据权利要求1所述的一种高强减摩无铅铜基滑动轴承材料，其特征在于：步骤（1）中，过程控制剂为液体酒精、四氯化碳、硬脂酸、固体石蜡中的一种，加入量为待磨混合物料质量的0.2～0.8%。
3.根据权利要求1所述的一种高强减摩无铅铜基滑动轴承材料，其特征在于：步骤（1）中，球磨条件为转速300～600 r/min、球磨时间15～60h。
4.根据权利要求1所述的一种高强减摩无铅铜基滑动轴承材料，其特征在于：步骤（2）中，压制生坯的压力为550MPa～700MPa。
5.根据权利要求1所述的一种高强减摩无铅铜基滑动轴承材料，其特征在于：步骤（3）中，烧结条件：烧结温度为780～880℃，保温时间为20～60min。
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