CN110625110B - 一种渗铜导管材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种渗铜导管材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种渗铜导管材料及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。本发明提供的渗铜导管材料由包括以下重量份的原料制备得到：碳粉1～2份、电解铜粉18～22份、铬钼粉1～3份、铁钼粉5～7份、润滑剂5～15份、铁铬粉2～6份和水雾化铁粉40～50份。本发明在铁基复合材料中添加多种合金元素，尤其是电解铜粉的添加，含有多元素铜，能够有效填充零件中的空隙率，增加零件致密性及热传导。

Description

一种渗铜导管材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种渗铜导管材料及其制备方法和应用。
背景技术
目前国内的高端发动机气门导管材料主要采用纯黄铜制备，成本较高。而采用一般粉末冶金制备的含铜量高的气门导管无法达到纯黄铜导管的各项性能要求，密度仅为6.2～6.4g/cm3，零件中10％以上的孔隙大幅度降低了材料的综合力学性能。因此，研发一种价格低廉，且具有良好性能的导管材料替代纯黄铜导管材料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种渗铜导管材料及其制备方法和应用，本发明提供的渗铜导管材料大量采用价格较低的铁基粉末，能够节约铜的用量，成本低廉，且得到的渗铜导管材料具有高耐磨、高强度、抗氧化、抗腐蚀、热传导性能优异、致密性好等优点。这种材料已成功替代了一款四缸汽油发动机，排气气门导管CuZn36Mn3AL2SiPb材料,材料性能经过验证也得到了认可，该材料目前可替代高端发动机的铜气门导管材料。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种渗铜导管材料，由包括以下重量份的原料制备得到：碳粉1～2份、电解铜粉18～22份、铬钼粉1～3份、铁钼粉5～7份、润滑剂5～15份、铁铬粉2～6份和雾化铁粉40～50份。
优选的，所述铬钼粉中铬与钼的质量比为(1～2)：1。
优选的，所述铁钼粉中铁与钼的质量比为(3～6):1。
优选的，所述电解铜粉中包括铜和铬，所述铜与铬的质量比为(13～16):1。
优选的，各制备原料中，粒径为+100目的颗粒＜5wt.％，粒径为-100目～+150目的颗粒占10～14wt.％，粒径为-150目～+250目的颗粒占30～34wt.％，粒径为-250目～+325目的颗粒占12～16wt.％，粒径为-325目～+400目的颗粒占14～18wt.％，粒径为-400目的颗粒＜25wt.％，各粒径的质量百分比总和为100％。
本发明提供了上述方案所述渗铜导管材料的制备方法，包括以下步骤：
将除电解铜粉以外的制备原料混合，得到混合料；
将所述混合料和电解铜粉分别进行温压成形，得到基体坯和铜坯；
利用所述铜坯对基体坯进行渗铜烧结，得到渗铜钢坯；
将所述渗铜钢坯依次进行多段温区烧结和真空浸油，得到渗铜导管材料。
优选的，将所述混合料进行温压成形时的压力为190～300KN，温度为25～35℃，保温保压时间为3～10min；
将所述电解铜粉进行温压成形时的压力为100～180KN，温度为20～30℃，保温保压时间为3～10min。
优选的，所述渗铜烧结的温度为1100℃±5℃，时间为12～15min。
优选的，所述真空浸油的压力为0.4～0.8Mpa，时间为5～10min。
本发明提供了上述方案所述渗铜导管材料或上述方案所述制备方法制备得到的渗铜导管材料在制备铜气门导管中的应用。
本发明提供了一种渗铜导管材料，由包括以下重量份的原料制备得到：碳粉1～2份、电解铜粉18～22份、铬钼粉1～3份、铁钼粉5～7份、润滑剂5～15份、铁铬粉2～6份、水雾化铁粉40～50份。本发明在铁基复合材料中添加多种合金元素，尤其是电解铜粉的添加，含有多元素铜，能够有效填充零件中的空隙率，增加零件致密性及热传导。
本发明提供了上述渗铜导管材料的制备方法，包括以下步骤：将除电解铜粉以外的制备原料混合，得到混合料；将所述混合料和电解铜粉分别进行温压成形，得到基体坯和铜坯；利用所述铜坯对基体坯进行渗铜烧结，得到渗铜钢坯；将所述渗铜钢坯依次进行多段温区烧结和真空浸油，得到渗铜导管材料。
本发明利用温压成形能够提高材料的致密性，使材料更具耐磨性；通过渗铜烧结，进一步提高了材料的致密性和耐磨性，且化学性质稳定，同时使渗铜导管材料具备了高强度；经多段温区烧结后，使材料中的不同成分充分扩散，达到很好的机械性能；真空浸油能够排除产品空隙中的空气，将油脂压入产品填充空隙，使产品具有高密度及含油率高，使用寿命延长，适应天然气发动机的需求。实施例的结果表明，本发明制备的渗铜导管材料强度达到700MPa以上，布氏硬度为HB150～250。
具体实施方式
本发明提供了一种渗铜导管材料，由包括以下重量份的原料制备得到：碳粉1～2份、电解铜粉18～22份、铬钼粉1～3份、铁钼粉5～7份、润滑剂5～15份、铁铬粉2～6份和水雾化铁粉40～50份。
在本发明中，未经特殊说明，采用的均为本领域熟知的市售商品。
以重量份计，本发明提供的渗铜导管材料的制备原料包括1～2份的碳粉，优选为1.5～2份。
以所述碳粉的重量份为基准，本发明提供的渗铜导管材料的制备原料包括18～22份的电解铜粉，优选为20～22份。在本发明中，所述电解铜粉中包括铜和铬，所述铜与铬的质量比优选为(13～16):1，更优选为16:1。
以所述碳粉的重量份为基准，本发明提供的渗铜导管材料的制备原料包括1～3份的铬钼粉，优选为1.5～2份。在本发明中，所述铬钼粉中铬与钼的质量比优选为(1～2)：1，更优选为1:1。
以所述碳粉的重量份为基准，本发明提供的渗铜导管材料的制备原料包括5～7份的铁钼粉，优选为5.5～7份。在本发明中，所述铁钼粉中铁与钼的质量比优选为(3～6):1，更优选为6:1。
以所述碳粉的重量份为基准，本发明提供的渗铜导管材料的制备原料包括5～15份的润滑剂，优选为6～10份。在本发明中，所述润滑剂优选为硬脂酸锌。
以所述碳粉的重量份为基准，本发明提供的渗铜导管材料的制备原料包括2～6份的铁铬粉，优选为3～5份。本发明对所述铁铬粉中铁与铬的比例没有特殊要求，本领域熟知的市售铁铬粉均可。
以所述碳粉的重量份为基准，本发明提供的渗铜导管材料的制备原料包括40～50份的水雾化铁粉，优选为40～45份。
在本发明中，上述各制备原料的粒径优选为：粒径为+100目的颗粒＜5wt.％，粒径为-100目～+150目的颗粒占10～14wt.％，粒径为-150目～+250目的颗粒占30～34wt.％，粒径为-250目～+325目的颗粒占12～16wt.％，粒径为-325目～+400目的颗粒占14～18wt.％，粒径为-400目的颗粒＜25wt.％，各粒径的质量百分比总和为100％。
本发明在铁基复合材料中添加多种合金元素，尤其是电解铜粉的添加，含有多元素铜，能够有效填充零件中的空隙率，增加零件致密性及热传导。
本发明还提供了上述技术方案所述渗铜导管材料的制备方法，包括以下步骤：
将除电解铜粉以外的制备原料混合，得到混合料；
将所述混合料和电解铜粉分别进行温压成形，得到基体坯和铜坯；
利用所述铜坯对基体坯进行渗铜烧结，得到渗铜钢坯；
将所述渗铜钢坯依次进行多段温区烧结和真空浸油，得到渗铜导管材料。
本发明将除电解铜粉以外的制备原料混合，得到混合料。本发明对所述混合的方式没有特殊要求，本领域熟知的可以混合均匀的方式均可。
得到混合料后，本发明将所述混合料和电解铜粉分别进行温压成形，得到基体坯和铜坯。本发明对所述混合料和电解铜粉温压成形的先后顺序没有特殊要求，可先将混合料温压成形得到基体坯，或先将电解铜粉温压成形得到铜坯。
本发明将所述混合料进行温压成形，得到基体坯。在本发明中，所述温压成形时的压力优选为190～300KN，更优选为220～280KN，温度优选为25～35℃，保温保压时间优选为3～10min，更优选为3min。本发明所述温压成形使基体坯密度达到6.5～7.0g/cm3，有利于提高产品密度，增加产品致密性，使材料更具耐磨性能。本发明对所述基体坯的形状没有特殊要求，可根据需要进行设计。
本发明将电解铜粉进行温压成形，得到铜坯。在本发明中，所述温压成形时的压力优选为100～180KN，更优选为150KN，温度优选为20～30℃，更优选为22℃，保温保压时间优选为3～10min，更优选为3min；所述铜坯的厚度优选为0.7～1.5mm，更优选为1mm。在本发明中，所述铜坯的形状优选与基体坯的形状相同。
得到基体坯和铜坯后，本发明利用所述铜坯对基体坯进行渗铜烧结，得到渗铜钢坯。
在本发明中，所述渗铜烧结的温度优选为1100℃±5℃，时间优选为12～15min，更优选为12min。本发明对所述渗铜烧结的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域熟知的渗铜烧结方式即可，即将铜坯放置到基体坯上进行渗铜烧结。本发明所述渗铜烧结，可使电解铜扩散到基体坯中，得到的渗铜钢坯强度高、致密性好、耐磨且化学性质稳定。
得到渗铜钢坯后，本发明将所述渗铜钢坯依次进行多段温区烧结、真空浸油和机加工，得到渗铜导管材料。
本发明将所述渗铜钢坯进行多段温区烧结，得到烧结坯。在本发明中，所述多段温区烧结优选为三段烧结，各段烧结的温度依次优选为660℃、960℃和1100℃。在本发明中，所述多段温区烧结的各段时间优选为15min。本发明优选采用推杆式烧结，自动循环推渗铜钢坯入炉，经过不同温度区域烧结。本发明采用多段温区烧结能够防止烧结坯发生氧化、变形、脱碳等现象，使材料中的不同成分充分扩散，达到很好的机械性能。
得到烧结坯后，本发明将所述烧结坯真空浸油。在本发明中，所述真空浸油的压力优选为0.4～0.8Mpa，更优选为0.8Mpa，时间优选为5～10min，更优选为10min。本发明所述真空浸油，通过压力设定，能够排除烧结坯空隙中的空气，将油脂压入烧结坯填充空隙，使产品具有高密度及含高油率。本发明所述真空浸油优选浸渍的为润滑油。
本发明提供了上述方案所述渗铜导管材料或上述方案所述制备方法制备得到的渗铜导管材料在制备铜气门导管中的应用。本发明对所述制备的方式没有特殊要求，采用本领域熟知的铜气门导管的制备方式即可。
下面结合实施例对本发明提供的渗铜导管材料及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种渗铜导管材料，由如下原料按重量份制备：碳粉1.5份、电解铜粉18份、铬钼粉1.5份、铁钼粉5.5份、硬脂酸锌6份、铁铬粉5份和水雾化铁粉45份。其中，所述铬钼粉中铬与钼的质量比为1:1；所述铁钼粉中铁与钼的质量比为6:1；所述电解铜粉中铜与铬的质量比为16:1；各制备原料中，粒径为+100目的颗粒＜5wt.％，粒径为-100目～+150目的颗粒占10～14wt.％，粒径为-150目～+250目的颗粒占30～34wt.％，粒径为-250目～+325目的颗粒占12～16wt.％，粒径为-325目～+400目的颗粒占14～18wt.％，粒径为-400目的颗粒＜25wt.％，各粒径的质量百分比总和为100％。
制备过程：
将除电解铜粉以外的制备原料混合，得到混合料；
采用100T机械压机设备将所述混合料进行温压成形，压力为190KN，温度为35℃，保温保压时间为3min，得到基体坯；将所述电解铜粉进行温压成形，压力为100KN，温度为30℃，保温保压时间为3min，得到铜坯；
利用所述铜坯对基体坯进行渗铜烧结，烧结温度1100℃，烧结时间12min，得到渗铜钢坯；
采用推杆式烧结炉对所述渗铜钢坯进行三段温区烧结，各段烧结的温度依次为660℃、960℃、1100℃，各段烧结的时间为15min，得到烧结坯；
将所述烧结坯浸入润滑油中，控制压力为0.8Mpa，时间为10min，得到渗铜导管材料；
将所述渗铜导管材料进行机加工，得到渗铜材料的导管。
实施例2
与实施例1的不同之处在于原料按如下重量份组成：碳粉2份、电解铜粉20份、铬钼粉3份、铁钼粉7份、硬脂酸锌6份、铁铬粉4份和水雾化铁粉40份。
实施例3
与实施例1的不同之处在于原料按如下重量份组成：碳粉1.5份、电解铜粉22份、铬钼粉1.5份、铁钼粉5份、硬脂酸锌6份、铁铬粉3份和水雾化铁粉45份。
由以上实施例可知，本发明提供了一种渗铜导管材料及其制备方法，本发明提供的渗铜导管材料大量采用价格较低的铁基粉末，能够节约铜的用量，成本低廉，且得到渗铜导管材料具有高耐磨、高强度、抗氧化、抗腐蚀、热传导性能优异、致密性好等优点，能够替代目前高端发动机的铜气门导管材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种渗铜导管材料，其特征在于，由以下重量份的原料制备得到：碳粉1～2份、电解铜粉18～22份、铬钼粉1～3份、铁钼粉5～7份、润滑剂5～15份、铁铬粉2～6份和水雾化铁粉40～50份；所述电解铜粉中包括铜和铬，所述铜与铬的质量比为(13～16):1；
所述渗铜导管材料由包括以下步骤的方法制备得到：
将除电解铜粉以外的制备原料混合，得到混合料；将所述混合料和电解铜粉分别进行温压成形，得到基体坯和铜坯；利用所述铜坯对基体坯进行渗铜烧结，得到渗铜钢坯；将所述渗铜钢坯依次进行多段温区烧结和真空浸油，得到渗铜导管材料。
2.根据权利要求1所述的渗铜导管材料，其特征在于，所述铬钼粉中铬与钼的质量比为(1～2)：1。
3.根据权利要求1所述的渗铜导管材料，其特征在于，所述铁钼粉中铁与钼的质量比为(3～6):1。
4.根据权利要求1所述的渗铜导管材料，其特征在于，各制备原料中，粒径为+100目的颗粒＜5wt.％，粒径为-100目～+150目的颗粒占10～14wt.％，粒径为-150目～+250目的颗粒占30～34wt.％，粒径为-250目～+325目的颗粒占12～16wt.％，粒径为-325目～+400目的颗粒占14～18wt.％，粒径为-400目的颗粒＜25wt.％，各粒径的质量百分比总和为100％。
5.权利要求1～4任一项所述渗铜导管材料的制备方法，包括以下步骤：将除电解铜粉以外的制备原料混合，得到混合料；将所述混合料和电解铜粉分别进行温压成形，得到基体坯和铜坯；利用所述铜坯对基体坯进行渗铜烧结，得到渗铜钢坯；将所述渗铜钢坯依次进行多段温区烧结和真空浸油，得到渗铜导管材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，将所述混合料进行温压成形时的压力为190～300KN，温度为25～35℃，保温保压时间为3～10min；将所述电解铜粉进行温压成形时的压力为100～180KN，温度为20～30℃，保温保压时间为3～10min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述渗铜烧结的温度为1100℃±5℃，时间为12～15min。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述真空浸油的压力为0.4～0.8Mpa，时间为5～10min。
9.权利要求1～4任一项所述渗铜导管材料或权利要求5～8任一项所述制备方法制备得到的渗铜导管材料在制备铜气门导管中的应用。
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