CN109128160B - 一种高强度自润滑粉末冶金材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种高强度自润滑粉末冶金材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度自润滑粉末冶金材料及其制备方法与应用，该材料由铜基粉和Sn‑Bi预混合金粉组成，所述Sn‑Bi预混合金粉的质量百分含量为14～22％。所述Sn‑Bi预混合金粉中Sn与Bi的质量比为(8～12):(6～10)。其制备方法，包括以下步骤：S1、将铜基粉和Sn‑Bi预混合金粉依次加入双锥混料斗经混料50～60分钟后，再过筛；S2、将经过筛操作后的物料进行10～20min合批后制得所述高强度自润滑粉末冶金材料。该材料可应用于止推轴承制备中。本发明方案的冶金材料具有良好的自润滑性，采用本发明方案的冶金粉末制得的止推轴承具有良好的耐磨性能。

Description

一种高强度自润滑粉末冶金材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及轴承技术领域，具体涉及一种高强度自润滑粉末冶金材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着汽车工业的飞速发展，人们对汽车的需求量越来越多，同时对汽车的动力性的要求也逐步提高，在现有技术条件中，给发动机加装涡轮增压器是最好的解决办法。涡轮增压器利用发动机排出的废气驱动涡轮，可以使进入气缸的空气密度增大，使得更多的燃油充分燃烧，进而大大提升发动机的功率，降低燃油消耗。增压器涡轮端温度会达到600℃以上，转速达8～10万转/min，通过轴连接的止推轴承完成工作。因此，高强度自润滑性止推轴承对增压泵乃至汽车发动机的工作至关重要。然而，止推轴承的物理性能主要取决于制备止推轴承的材料性能。
基于此，找出一种具有高强度且自润滑性能好的材料对于提升止推轴承的性能具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种高强度自润滑粉末冶金材料及其制备方法与应用。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高强度自润滑粉末冶金材料，所述粉末冶金材料由铜基粉和Sn-Bi预混合金粉组成，所述Sn-Bi预混合金粉的质量百分含量为14～22％。
优选地，所述Sn-Bi预混合金粉中Sn与Bi的质量比为(8～12):(6～10)。
进一步地，所述Sn-Bi预混合金粉中Bi的原子分数占比小于或等于30％。
进一步地，所述铜基粉为纯铜粉。
进一步地，所述粉末冶金材料中若含有杂质，则所述杂质中Pb、Hg、Cr6+的质量百分含量均在0.1％以下；Cd的质量百分含量在0.01％以下。
本发明还包括上述高强度自润滑粉末冶金材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将铜基粉和Sn-Bi预混合金粉依次加入双锥混料斗经混料50～60分钟后，再过筛；
S2、将经过筛操作后的物料进行10～20min合批后制得所述高强度自润滑粉末冶金材料。
进一步地，所述过筛操作为筛网至少为两层，优选地，所述筛网的目数至少为80目。
本发明还包括上述高强度自润滑粉末冶金材料在止推轴承制备中的应用。
进一步地，所述应用包括以下步骤：将上述高强度自润滑粉末冶金材料经成形压制成粉末冶金零件后，经过烧结、复压、机加工后得到所述止推轴承成品。
进一步地，所述成形压制操作为：将所述粉末冶金材料压制成密度不大于7.55g/cm3的粉末冶金零件，优选地，密度为7.4～7.55g/cm3。
进一步地，所述烧结操作为：将成形压制后的粉末冶金零件，在烧结炉上经过脱蜡、预热后，于700～810℃下保温烧结20～30min，优选地，保温烧结时间为25min。
优选地，所述烧结操作是在8寸网带烧结炉上进行；优选地，所述脱蜡时间为40～50min；更优选地，所述脱蜡时间为45min；优选地，脱蜡温度为350～450℃；更优选地，所述脱蜡温度为400℃；优选地，所述预热时间为20～30min；更优选地，所述预热时间为25min；优选地，所述预热温度为600～680℃；更优选地，所述预热温度为650℃。
本发明的有益效果在于：Cu粉中加入Sn-Bi合金粉，其中，Cu以单质相存在，Sn-Bi以二元共晶相形式存在，在烧结过程中Cu会破坏Sn-Bi共晶结构，Bi不溶于Cu，Sn溶于Cu，因此在温度升高过程中Sn受到向Cu扩散的驱动力，Sn-Bi中的Sn不断向Cu中扩散，Sn-Bi中的Bi以单质相析出。Bi析出速度相对较缓慢不会出现Bi大量偏聚和溢出表面的现象。烧结后组织主要为α+(α-Sn共晶体)+Bi+(βSn-Bi共晶体)。βSn-Bi共晶体在滑动过程中会有微细的Bi析出，形成析出强化，改善机体材料的滑移难度；因此，采用本发明方案制得的止推轴承具有良好的耐磨性能。
附图说明
图1为本发明实施例一制备止推轴承的流程示意图；
图2为本发明实施例一中制备止推轴承过程中样品烧结图；
图3为本发明实施例一制得的止推轴承的成品图；
图4为本发明对比例一中制备止推轴承过程中样品烧结图；
图5为本发明实施例一制得的止推轴承磨损测试后的微观形貌图；
图6为本发明对比例一制得的止推轴承磨损测试后的微观形貌图；
图7为本发明实施例一制得的冶金材料的组织检测结果图；
图8为本发明对比例一制得的冶金材料的组织检测结果图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：耐磨性和疲劳强度是材料综合性能指标的体现，在相同磨损条件下，耐磨性和疲劳强度与材料成分、组织和性能(硬度)表面状态有关。本发明方案通过提升冶金材料的强度和自润滑性，进而提升止推轴承的耐磨性能。
一种高强度自润滑粉末冶金材料，所述粉末冶金材料由铜基粉和Sn-Bi预混合金粉组成，所述Sn-Bi预混合金粉的质量百分含量为14～22％。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：Cu粉中加入Sn-Bi合金粉，其中，Cu以单质相存在，Sn-Bi以二元共晶相形式存在，在烧结过程中Cu会破坏Sn-Bi共晶结构，Bi不溶于Cu，Sn溶于Cu，因此在温度升高过程中Sn受到向Cu扩散的驱动力，Sn-Bi中的Sn不断向Cu中扩散，Sn-Bi中的Bi以单质相析出。Bi析出速度相对较缓慢不会出现Bi大量偏聚和溢出表面的现象。烧结后组织主要为α+(α-Sn共晶体)+Bi+(βSn-Bi共晶体)。βSn-Bi共晶体在滑动过程中会有微细的Bi析出，形成析出强化，改善机体材料的滑移难度；因此，采用本发明方案制得的止推轴承具有良好的耐磨性能。
优选地，所述Sn-Bi预混合金粉中Sn与Bi的质量比为(8～12):(6～10)。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明方案中Bi的含量过高，则会导致Bi以单质的形式析出，降低材料性能。
进一步地，所述Sn-Bi预混合金粉中Bi的原子分数占比小于或等于30％。
进一步地，所述铜基粉为纯铜粉。
进一步地，所述粉末冶金材料中若含有杂质，则所述杂质中Pb、Hg、Cr6+的质量百分含量均在0.1％以下；Cd的质量百分含量在0.01％以下。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于；粉末冶金材料中可能因生产过程中不可避免的存在杂质，若含有Pb、Hg、Cd或Cr，则其含量在0～0.1％之间；Pb、Hg、Cd和Cr为四种有害金属元素，同时也是欧盟《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》(Restriction of Hazardous Substances，RoHS)规定的汽车有害元素，现有技术中通常通过添加Pb增加材料的耐磨性及强度；然而从环保的角度出发，且若将材料用于制备止推轴承用于发动机涡轮增压器等需符合RoHS标准的产品时，由于RoHS不允许添加Pb提升产品的强度，本发明方案通过Sn-Bi预混合金粉添加Bi，既可满足RoHS的要求，又能提高产品的强度。
本发明还包括上述高强度自润滑粉末冶金材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将铜基粉和Sn-Bi预混合金粉依次加入双锥混料斗经混料50～60分钟后，再过筛；
S2、将经过筛操作后的物料进行10～20min合批后制得所述高强度自润滑粉末冶金材料。
进一步地，所述过筛操作为筛网至少为两层，优选地，所述筛网的目数至少为80目。
本发明还包括上述高强度自润滑粉末冶金材料在止推轴承制备中的应用。
进一步地，所述应用包括以下步骤：将上述高强度自润滑粉末冶金材料经成形压制成粉末冶金零件后，经过烧结、复压、机加工后得到所述止推轴承成品。
进一步地，所述成形压制操作为：将所述粉末冶金材料压制成密度不大于7.55g/cm3的粉末冶金零件，优选地，密度为7.4～7.55g/cm3。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：密度不能超过7.55g/cm3，当密度过高，产品烧结过程中容易出现脱蜡不良，造成产品压溃强度降低。
进一步地，所述烧结操作为：将成形压制后的粉末冶金零件，在烧结炉上经过脱蜡、预热、700～810℃保温烧结20～30min，优选地，保温烧结时间为25min。
优选地，所述烧结操作是在8寸网带烧结炉上进行；优选地，所述脱蜡时间为40～50min；更优选地，所述脱蜡时间为45min；优选地，脱蜡温度为350～450℃；更优选地，所述脱蜡温度为400℃；优选地，所述预热时间为20～30min；更优选地，所述预热时间为25min；优选地，所述预热温度为600～680℃；更优选地，所述预热温度为650℃。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：相对于现有技术的其他产品，本发明方案通过延长烧结时的脱蜡及预热时间，避免脱蜡过快，分解大量气体从产品内部颗粒间隙溢出，带出液相Bi和Sn。
本发明的实施例一为：一种高强度自润滑粉末冶金材料及其制备方法与应用，以Cu粉为基粉添加Sn-Bi预混合金粉，所述Sn-Bi预混合金粉的质量百分数为18％，余量为Cu粉，所述Sn-Bi预混合金粉中Sn与Bi的质量比为10:8；
所述高强度自润滑粉末冶金材料通过以下方法制备而成：
S1、将铜基粉和Sn-Bi预混合金粉依次加入到双锥混料斗进行混料后，过2层80目筛(对粉料进行筛分，避免筛上物或粗大粉料混入后期产品中形成砂孔)，其中，所述混料时间为55min；
S2、将过筛后的物料进行10～20min合批(以防止粉料成分偏析)后制得所述粉末冶金材料。
将上述操作制得的粉末冶金材料用于止推轴承的制备，如图1所示，包括以下步骤：
将上述粉末冶金材料经过成形压机压制成密度为7.45g/cm3的粉末冶金零件后，在8寸网带烧结炉经过脱蜡、预热、810℃烧结保温25min(样品如图2所示)，再经冷却后，通过复压、机加工后制得止推轴承成品，如图3所示。
对比例一为：一种粉末冶金材料及其在止推轴承制备中的应用，所述冶金材料为在扩散合金粉CuSn10中加入Bi粉，所述Bi粉的添加量为8％，所述粉末冶金材料同样经过混料、过筛及合批操作后制得，制备过程中的各参数均与实施例一相同。将上述粉末冶金材料通过与实施例一相同操作步骤制备止推轴承，其中，烧结样品如图4所示。
对比例二为：一种粉末冶金材料，所述冶金材料由扩散合金粉CuSn10组成。所述粉末冶金材料同样经过混料、过筛及合批操作后制得，制备过程中的各参数均与实施例一相同。
对比例一采用在CuSn10材料中加入Bi粉，Bi粉在材料中都是以单质颗粒形式存在在烧结过程中由于Bi粉熔点低(2713℃)且Bi不与铜反应会发生不可逆的转变现象，即液相Bi在材料内部会发生团聚，以致于溢出材料表面(如图4所示)。因Bi在烧结过程存在不稳定性，故在目前粉末冶金材料中未广泛应用。Bi大量异常聚集使Bi在材料基体内部也分布不均匀，使材料耐磨性显著下降。脱模剂以气体形式挥发，致使材料内液相Bi随气体一起溢出表面。烧结后组织主要为α+(α-Sn共晶体)+Bi。
对比例二中的CuSn10材料，虽能满足市场上大部分的轴承性能要求，但仍不能满足汽车发动机增压器的止推轴承的性能要求，因此，无法直接应用于止推轴承的制备中。现有技术中，通过添加Pb元素来提高止推轴承的耐磨性，但Pb为有害金属，随着社会的发展人们对环保越来越重视，欧盟也通过汽车禁用物质法案，汽车轴承中禁止使用含铅的合金。因此，现有技术中还有提出以Ag及微细碳化物等添加到CuSn10粉中，然而由于Ag价格昂贵，因此，其实用价值并不高，而碳化物自身硬度高，摩擦过程中易发生剥落，磨粒磨损为主要磨损形式，破坏基体材料。
本发明实施例在Cu粉中加入Sn-Bi合金粉，其中，Cu以单质相存在Sn-Bi以二元共晶相形式存在，在烧结过程中Cu破坏了Sn-Bi共晶结构，Bi不溶于Cu，而Sn溶于Cu，因此，在温度升高过程中Sn受到向Cu扩散的驱动力，Sn-Bi中的Sn不断向Cu中扩散，Sn-Bi中的Bi以单质相析出。对比图3和4可知，本发明方案中的Bi析出速度相对较缓慢不会出现对比例一中的Bi大量偏聚，和溢出表面的现象。烧结后组织主要为α+(α-Sn共晶体)+Bi+(βSn-Bi共晶体)。βSn-Bi共晶体在滑动过程中会有微细的Bi析出，形成析出强化，改善机体材料的滑移难度。
将实施例一及对比例一制得的止推轴承进行磨损测试，测试过程中，使用的是测试仪器为MM-2000摩擦磨损试验机，并通过精度为十万分之一的分析天平进行重量测量；磨损测试过程中，试验参数为：载荷0.03MPa，24800转，滑动速度为97.4m/s，润滑磨损(使用的润滑油均为SAE10)摩擦副使用材料GCr15轴承钢，淬火硬度63HRc，磨损前后的重量称量前均需将制得的止推轴承浸入等体积的丙酮中通过相同功率的超声波清洗相同时间再经完全干燥后进行称重。随机抽取实施例一和对比例一制得的样品各四件(分别编号为1、2、3、4)，进行磨损测试，实施例一和对照例一的1号样品磨损测试后的止推样品的形貌表征分别如图5(实施例一)和6(对比例一)所示，重量信息结果统计如表1所示：
表1对比例一与实施例一制得的止推轴承磨损测试的重量信息表
Figure BDA0001837247100000081
从表1可以看出，采用本发明方案的冶金材料制得的止推轴承的平均失重量Δw为0.00084g，而对比案例平均失重量Δw为0.00717，对比例组失重量为实施例组失重量的8.5倍。
由此表明，在相同的磨损条件下，本发明方案材料制得的止推轴承的耐磨性能远优于对比例组。对比图5和图6可以看出，图6中的对比例一样品磨损后样品表面出现大量的犁沟，磨损程度明显较本发明方案样品的图5严重。磨损是材料表面流失量Δw，Δw大小反映材料耐磨性，Δw值大，材料耐磨性不好，反之亦反。耐磨性是材料综合性能指标的体现，在相同磨损条件下，耐磨性与材料成分、组织和性能(硬度)表面状态有关。本发明方案制得的产品的Δw相对于对比例方案Δw降低近100倍。材料组分基本一致，因此材料组分上几乎不存在差异；尤其是Bi的添加量一致，由此表明，本发明方案中Bi以Sn-Bi合金的方式添加对材料的自润滑性提升及止推轴承的耐磨性能提升具有实质性影响，且本发明方案制得的止推轴承具有良好的耐磨性能，远优于现有技术。
对实施例一与对比例一制得的冶金材料的表面硬度进行测试，结果表下表2所示：
表2为实施例一与对比例一制得的冶金材料的表面硬度测试结果表
Figure BDA0001837247100000091
从上表2中可以看出，对比例一与实施例一制得的冶金材料的基体硬度没有明显差异。
对本发明方案实施例一及对比例一制得的冶金材料进行组织检测，结果分别如图7和8所示，对比图7和8可以看出，对比例一制得的材料组织为ɑ+(ɑ-Sn共晶体)+Bi，配方三材料组织为α+(α-Sn共晶体)+Bi+(βSn-Bi共晶体)。实施例一中由于βSn-Bi共晶体在滑动过程中会有微细的Bi析出，因此，该材料的表面滑移度较好，由其制得的止推轴承耐磨性好。
采用本发明方案制得的冶金材料的杂质中Pb、Hg、Cr6+的质量百分含量均在0.1％以下；Cd的质量百分含量在0.01％以下。
综上所述，本发明提供的一种高强度自润滑粉末冶金材料及其制备方法与应用，本发明方案的冶金材料具有良好的自润滑性，采用本发明方案的冶金粉末制得的止推轴承具有良好的耐磨性能。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种高强度自润滑粉末冶金材料在止推轴承制备中的应用，其特征在于：所述粉末冶金材料由铜基粉和Sn-Bi预混合金粉组成，所述Sn-Bi预混合金粉的质量百分含量为14～22％；所述Sn-Bi预混合金粉中Sn与Bi的质量比为(8～12):(6～10)；所述应用包括如下步骤：将所述高强度自润滑粉末冶金材料经成形压制成粉末冶金零件后，经过烧结、复压、机加工后得到所述止推轴承成品。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述铜基粉为纯铜粉。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述成形压制操作为：将所述粉末冶金材料压制成密度不大于7.55g/cm3的粉末冶金零件。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述烧结操作为：将成形压制后的粉末冶金零件，在烧结炉上经过脱蜡、预热、700～810℃保温烧结20～30min。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：所述脱蜡时间为40～50min；脱蜡温度为350～450℃；所述预热时间为20～30min；所述预热温度为600～680℃。
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