CN108486404A - 一种减摩无铅铜基滑动轴承材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减摩无铅铜基滑动轴承材料及其制备方法，采用球磨工艺使硫化亚铁粉、铋粉与青铜粉机械合金化，提高了硫化亚铁、铋和铜的界面结合能力，改善了硫化亚铁在铜基体中含量较高时易团聚的现象，且FeS其结构具有良好的储油能力使液‑固润滑膜稳定性好，缓解了Bi剥落的进程，低熔点组元Bi的熔融、析出，也可促进液‑固润滑膜的修复与完善，从而提高了材料的减摩性能。总之，本发明改善了铜基滑动轴承材料的减摩耐磨特性，利用硫化亚铁和铋良好的协同作用取代铜基轴承材料中的作为润滑剂的铅，避免了铅的污染，并具有成本较低廉、适用工业化生产的优点。

Description

一种减摩无铅铜基滑动轴承材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种滑动轴承材料，具体地说是一种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。

铋作为常见的固体自润滑材料，软质低熔点物质，和 Cu、Al 等合金不相溶，作为软质相基本以游离态形式存在于 Cu、Al 等合金中，在铜基滑动轴承材料中的应用较为广泛。但由于 Bi 的脆性特征，也会使析出摩擦表面的富 Bi 相易于剥落，导致轴承材料耐磨性下降，减摩、抗粘着性能变差。FeS也是一种较好的固体润滑剂，其鳞片多孔形态还使其具有良好的储油能力使液-固润滑膜稳定性好，有利于减缓 Bi 的趋附、析出与剥落进程。而低熔点组元 Bi 的熔融、析出，也可促进液-固润滑膜的修复与完善。因此，充分发挥 FeS与 Bi 的良好协同作用，可有效解决无铅铜铋轴承材料存在的关键科学问题，提高其减摩、抗粘着性能。然而利用FeS和Bi作为润滑剂掺入量过少会使材料的润滑性能不好，掺量过多又会降低其强度，因此有必要研究在保证固体自润滑材料减磨性能的前提下不断提高材料的强度。

发明内容

为了提高硫化亚铁、铋与铜基体界面结合的效果，进一步改善铜基滑动轴承材料减摩抗粘着作用，本发明提供一种减摩无铅铜基滑动轴承材料及其制备方法。

利用硫化亚铁和铋良好的协同作用取代铜基轴承材料中的作为润滑剂的铅，利用高能球磨工艺提高硫化亚铁粉和铋粉在青铜粉中的均匀弥散分布程度，与铜基体牢固结合，解决硫化亚铁含量较高时的团聚问题以及界面结合差等问题，提高材料的强度和减摩性能。

一种减摩无铅铜基滑动轴承材料由质量百分比80～98%青铜粉、1～10%硫化亚铁粉、1～10%Bi制成；所述减摩无铅铜基滑动轴承材料的力学性能：压溃强度250～400MPa，硬度40～90HB；

所述青铜粉的成份按质量百分比为：镍粉1～2%、锡粉6～10%、磷粉 0.4～0.6%，余量铜粉；

所述减摩无铅铜基滑动轴承材料的制备操作步骤如下：

（1）球磨：将研磨球、青铜粉、硫化亚铁粉、铋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8:1～10:1；球磨，得到机械合金粉；其中青铜粉、硫化亚铁粉、铋粉和过程控制剂组成待磨混合物料；

（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，得到烧结材料。

进一步限定的技术方案如下：

步骤（1）中，过程控制剂为乙醇、丙酮、硬脂酸、硬脂酸锌中的一种，加入量为待磨混合物料质量的0.5~1%。

步骤（1）中，球磨条件为转速180～520 r/min、球磨时间3～50h。

步骤（2）中，压制生坯的压力为500MPa～700MPa。

步骤（3）中，烧结条件：烧结温度为700～900℃，保温时间为20～50min。

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、本发明利用硫化亚铁和铋的减摩耐高温特性取代铜基轴承中铅的作用，显著改善无铅铜基滑动轴承材料摩擦磨损性能，实现了轴承材料的无铅化，符合绿色、环保的发展趋势。

2、本发明采用高能球磨工艺，使硫化亚铁和铋颗粒更加细小、弥散，实现均匀地分布在铜基体中，与铜基体界面结合能力进一步提高，改善了铜基材料减摩抗粘着作用；同时改善了硫化亚铁含量高时的易团聚问题，材料的力学性能得到提高，减摩无铅铜基滑动轴承材料的压溃强度250～400MPa，硬度40～90HB。

3、本发明选用磨球与待磨混合物料的质量之比为8:1～10:1。在相同的球磨条件下，随球料比的增大，粉末比表面积增大，粒度变小，晶粒尺寸减小，晶格畸变会增大。然而随球料比的减小，复合粉末颗粒之间的团聚倾向加大。综合考虑，选择8:1～10:1的球料比，减少颗粒内部产生了细微的裂纹缺陷，消弱了粉末的加工硬化作用，提高粉末压制质量。

4、本发明在球磨过程中选用硬脂酸作为过程控制剂。由于添加硬脂酸后，在球磨过程中，在研磨球、球罐与粉末间形成一层极薄的“液膜”。相比于其他过程控制剂，硬脂酸在铜基材料球磨过程中所形成的“液膜”对球磨过程的相变化具有更大的延缓作用，有效减少铜基粉末的粘壁、粘球，降低磨球和磨罐的磨损从而防止粉末混入较多铁原子，将出粉率从90%提高到97%。

5、采用高能球磨工艺，提高材料的力学性能，同时利用FeS 与 Bi 的良好协同作用，显著改善无铅铜基滑动轴承材料摩擦磨损性能，实现铜基滑动轴承材料的高强度和良好润滑特性的有效统一，拓宽无铅铜基滑动轴承材料在复杂工况下的应用。

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

一种减摩无铅铜基滑动轴承材料的具体制备操作步骤如下：

（1）球磨

分别称取220.8g(92%)青铜粉、14.4g(6%)硫化亚铁粉和4.8g（2%）铋粉，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%添加过程控制剂硬脂酸；青铜粉、硫化亚铁粉、铋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250r/min，球磨时间5h；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、φ15×φ25×15mm的压溃强度试验样品、55×10×10 mm的冲击韧性试验样品，压制压力637MPa。

（3）烧结

将得到的三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40min，得到三种无铅减摩铜基滑动轴承材料试验样品。

将三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

一种减摩无铅铜基滑动轴承材料的具体制备操作步骤如下：

（1）球磨

分别称取276g（92%）青铜粉、18g（6%）硫化亚铁粉和6g（2%）铋粉，共300g。将300g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75g，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、硫化亚铁粉、铋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8:1，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250r/min，球磨时间5h；球磨完毕自然冷却。

完成四个研磨罐的球磨，得到300g机械合金粉。

（2）压制

在300g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、φ15×φ25×15mm的压溃强度试验样品、55×10×10 mm的冲击韧性试验样品，压制压力665MPa。

（3）烧结

将得到的三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820℃，保温时间为30min，得到三种无铅减摩铜基滑动轴承材料试验样品。

将三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

本实施例球磨过程控制剂为乙醇。

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。

实施例4

本实施例球磨过程控制剂为硬脂酸锌。

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。

实施例5

本实施例的减摩无铅铜基滑动轴承材料由质量百分比88%的青铜粉、6%的硫化亚铁粉末和6%铋粉末制成。

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。

实施例6

本实施例的减摩无铅铜基滑动轴承材料由质量百分比82%的青铜粉、8%的硫化亚铁粉末和10%铋粉末制成。

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

对进行对比，本实施例的减摩无铅铜基滑动轴承材料由质量百分比100%的青铜粉、0%的硫化亚铁粉末和0%铋粉末制成；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。

由以上试样结果可知：对比例1的摩擦系数为0.043，磨损磨痕深度为0.034，表明不含FeS和Bi的普通铜基粉材料试样的摩擦学性能较差；实施例1的摩擦系数为0.035，磨损磨痕深度为0.012，同时含FeS和Bi铜基复合材料摩擦学性能相对较好，且改善了材料的力学性能。实例2显示出球磨制粉时磨球与待磨混合物料的质量之比为8:1时，材料的摩擦系数为0.038，磨损磨痕深度为0.017。由实施例3和实施例4可以看出，球磨过程控制剂为硬脂酸锌和乙醇加工后试样的力学性能和摩擦学性能都有所下降。实施例5和实施例6可以看出，随着 Bi含量的的增加，铜基复合材料摩擦系数和磨损进一步降低，摩擦学性能越好，力学性能相对较差。

本发明公开了一种新型减摩铜基滑动轴承材料。利用硫化亚铁和铋的协同作用取代铜基轴承材料中的作为润滑剂的铅，采用球磨工艺使硫化亚铁粉、铋粉与青铜粉机械合金化，提高了硫化亚铁、铋和铜的界面结合能力，改善硫化亚铁在铜基中含量较高时易团聚的现象，提高材料力学性能，FeS其结构具有良好的储油能力使液-固润滑膜稳定性好，缓解了Bi剥落的进程，低熔点组元 Bi 的熔融、析出，也可促进液-固润滑膜的修复与完善，从而提高了材料的减摩性能。当然，根据实际需要，本发明所述详细制备工艺在上述范围还可以包含更多的实施例，本发明并不限于上述具体的实施例。

Claims (5)

1.一种减摩无铅铜基滑动轴承材料，其特征在于：由质量百分比80～98%青铜粉、1～10%硫化亚铁粉、1～10%Bi制成；所述减摩无铅铜基滑动轴承材料的力学性能：压溃强度250～400MPa，硬度40～90HB；

所述青铜粉的成份按质量百分比为：镍粉1～2%、锡粉6～10%、磷粉 0.4～0.6%，余量铜粉；

所述减摩无铅铜基滑动轴承材料的制备操作步骤如下：

（1）球磨：将研磨球、青铜粉、硫化亚铁粉、铋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8:1～10:1；球磨，得到机械合金粉；其中青铜粉、硫化亚铁粉、铋粉和过程控制剂组成待磨混合物料；

（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，得到烧结材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，过程控制剂为乙醇、丙酮、硬脂酸、硬脂酸锌中的一种，加入量为待磨混合物料质量的0.5～1%。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，球磨条件为转速180～520r/min、球磨时间3～50h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，压制生坯的压力为500MPa～700MPa。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，烧结条件：烧结温度为700～900℃，保温时间为20～50min。