CN111014660A - 一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111014660A
CN111014660A CN202010036458.8A CN202010036458A CN111014660A CN 111014660 A CN111014660 A CN 111014660A CN 202010036458 A CN202010036458 A CN 202010036458A CN 111014660 A CN111014660 A CN 111014660A
Authority
CN
China
Prior art keywords
copper
graphite
graphite particles
sealing material
powder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010036458.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111014660B (zh
Inventor
张永胜
宋俊杰
苏云峰
樊恒中
樊舒凯
胡丽天
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Original Assignee
Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS filed Critical Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority to CN202010036458.8A priority Critical patent/CN111014660B/zh
Publication of CN111014660A publication Critical patent/CN111014660A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111014660B publication Critical patent/CN111014660B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/17—Metallic particles coated with metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B22F3/14—Both compacting and sintering simultaneously
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料的制备方法，是将石墨块材机械破碎后进行分级筛分，经丙酮超声洗净，得到石墨颗粒；将聚乙烯醇溶液均匀喷洒在石墨颗粒表面后与铜粉或铜合金粉与铬粉混合粉体混合，使混合粉体包覆在石墨颗粒表面；然后放入钢模具干压成型，最后置于真空环境中，经排胶、热压烧结得到铜基石墨复合润滑密封材料。本发明制备的铜基石墨复合润滑密封材料中，石墨颗粒作为润滑相组元在基体铜或铜合金材料中呈非均一的、团簇颗粒分布；基体材料形成三维贯通的网状骨架结构；石墨颗粒与铜或铜合金基体通过碳化铬界面相，提高基体和石墨颗粒的结合强度，进而提升材料整体力学性能及可靠性。

Description

一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料及其制 备方法
技术领域
本发明涉及一种铜基石墨复合润滑密封材料及其制备方法，主要用于机械装备的滑动轴承、轴瓦、衬套以及动密封环等部件的加工。
技术背景
石墨因其特殊的片层分子结构和优异的自润滑性能和高温抗氧化性（空气中450℃以上才开始缓慢氧化），与其他固体润滑材料相比，是一种非常理想的宽温域（-180℃液氧环境~450℃高温大气环境）润滑剂，尤其在复杂环境下石墨可表现出更好的润滑性能。由于石墨具有很高的熔点，难以烧结致密化，通常作为固体润滑添加剂形成复合材料来制备具有润滑特性的结构件来实现有效的润滑特性，常见的有金属基石墨复合材料、聚合物基石墨复合材料和陶瓷基石墨复合材料。石墨复合材料已广泛应用于机械装备的滑动轴承、轴瓦、衬套以及动密封环等部件。但石墨材料具有低的热导系数，滑动部件高速运转时易产生大的摩擦温升；而且传统的石墨复合材料制品机械强度低、冲击韧性差，导致构件的可靠性低。
现有技术（wear 372-373（2017）130-138）公开了一种铜石墨自润滑复合材料，以铜合金作为基体相，石墨作为固体润滑剂均匀分散在基体相中，该材料表现出良好的自润滑性能和抗磨损性能。由于石墨相类似于缺陷，破坏了铜基体的连续性，材料的抗冲击韧性以及导热性能没有明显的改善。专利文献CN108396169A报道了一种铜基石墨复合密封材料，其中石墨在基体材料中呈非均一的、团簇颗粒分布，这样使得铜基体形成一个连贯的整体，实现优异的抗冲击性能和导热性能，还能保证必要的强度和复合材料表面的有效润滑。但该材料通过粉末冶金方法制备，由于铜和石墨密度相差太大，制备过程中难以准确控制石墨颗粒的分布，且基体含量过多，密度较大；同时，石墨颗粒与铜及其合金的界面结合强度较弱，材料整体力学性能及可靠性较差。
发明内容
为克服上述现有技术中的缺陷，进一步提高石墨颗粒与铜基体相的结合强度，本发明提供一种具有力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料及其制备方法。
一、铜基石墨复合润滑密封材料的制备
本发明铜基石墨复合润滑密封材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将石墨块材机械破碎后进行分级筛分，经丙酮超声洗净，得到石墨颗粒。石墨颗粒可以是纯石墨，也可以是高强石墨颗粒。石墨颗粒的粒度控制在0.1~0.8mm；
（2）将铜粉或铜合金粉与铬粉球磨混合均匀得混合粉体；混合粉体中铬粉质量百分数为2%~20%；
（3）将质量浓度0.5~2%的聚乙烯醇溶液均匀喷洒在石墨颗粒表面，再与步骤（2）所得混合粉体混合，使混合粉体包覆在石墨颗粒表面；去除多余未粘结的粉体，得到复合石墨颗粒。复合石墨颗粒中石墨颗粒与混合粉体的比例可通过PVA溶液的喷洒量和重复次数来控制。复合石墨颗粒中，石墨颗粒的体积含量控制在30%~60%；
（4）将步骤（3）所得复合石墨颗粒放入钢模具干压成型，得到复合材料坯体。干压成型压力为100~200MPa，保持压2~10min。
（5）将复合材料坯体置于真空环境中，在250~500℃下进行排胶；排胶后的样品经热压烧结得到目标产物-铜基石墨复合润滑密封材料。其中热压烧结温度为750~800 ℃，保温1~2 h，压力为10~30 MPa。
二、铜基石墨复合润滑密封材料的结构
图1为本发明混合粉体包覆在石墨颗粒的扫描电镜图。从图1可以可以看到金属粉体在PVA结合剂的作用下均匀完整的包裹在了石墨颗粒表面。
图2 为本发明制备的复合材料微观结构照片。从图2可以看出，复合材料中，石墨颗粒作为润滑相组元在基体铜或铜合金中呈非均一的、团簇颗粒分布，基体铜或铜合金材料形成三维贯通的网状骨架结构。
图3本发明制备的复合材料的XRD衍射谱图。XRD表明，在烧结过程中有碳化铬（Cr7C3）界面相生成。碳化铬界面相作为桥梁连接石墨颗粒与铜或铜合金基体，提高基体和石墨颗粒的结合强度，进而提升材料整体力学性能及可靠性。
三、铜基石墨复合润滑密封材料的性能
1、摩擦性能
采用美国UMT-3摩擦磨损试验机测试了200~300μm复合材料的摩擦学性能。图4为复合材料的摩擦系数曲线。从图4可知，本发明制备的铜基石墨复合润滑密封材料的摩擦系数低至0.18，因此具有很好的自润滑密封性能。
2、机械性能
经检测，本发明制备的铜基石墨复合润滑密封材料具有优异的机械性能，弯曲强度可达到201 MPa，材料断裂韧性可达6.57 MPa∙m1/2；冲击韧性达1.5 J·cm-2。
综上所述，本发明制备的铜基石墨复合润滑密封材料中，石墨颗粒作为润滑相组元在基体铜或铜合金材料中呈非均一的、团簇颗粒分布；基体材料形成三维贯通的网状骨架结构；石墨颗粒与铜或铜合金基体通过碳化铬界面相，提高基体和石墨颗粒的结合强度，进而提升材料整体力学性能及可靠性。
附图说明
图1 本发明制备的青铜粉包覆的石墨颗粒的扫描电镜图。
图2 本发明制备的复合材料微观结构照片。
图3 本发明制备的复合材料的XRD衍射谱图。
图4为本发明制备的复合材料的摩擦系数曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明铜基石墨复合润滑密封材料的制备、性能作进一步说明。
实施例1
采用现有技术CN108396169A中的方法通过振动球磨机制备了尺寸为600~700 μm的纯石墨颗粒；将质量浓度为2%PVA溶液喷覆在石墨颗粒的表面，将经过喷覆处理后的石墨颗粒与青铜粉混合后放入行星球磨机中混合均匀，使青铜粉附着在石墨颗粒表面形成青铜包石墨颗粒，筛去未包覆在石墨颗粒表面的青铜粉末，重复上述过程，直至石墨体积分数为60%；然后装入钢模具中干压成型，压力为200 MPa，保压10 min。在真空环境250~500 ℃下进行排胶，排胶后的样品经进行热压烧结后得到所述复合材料，其中热压烧结温度为790 ℃，保温2 h，压力为25 MPa。所制备的复合材料断裂韧性为5.12 MPam-2，弯曲强度达到135 MPa，摩擦系数约为0.20。
实施例2
将铬粉和青铜粉经球磨混合得到青铜/铬复合粉体，其中铬的质量分数为5%；市售高纯石墨块体破碎经筛分得到尺寸为400~500μm的石墨颗粒；将质量浓度为2%PVA溶液喷覆在石墨颗粒的表面，将经过喷覆处理后的石墨颗粒与青铜/铬复合粉混合后放入行星球磨机中混合均匀形成青铜/铬复合粉包覆石墨颗粒，通过控制PVA溶液喷洒量和次数控制石墨体积分数为30%。然后装入钢模具中干压成型，压力为150 MPa，保压5 min。在真空环境250~500℃下进行排胶；排胶后的样品经过热压烧结得到所述复合材料，其中热压烧结温度为780℃，保温1.5h，压力为30 MPa。所制备的复合材料断裂韧性为5.12 MPam-2，弯曲强度达到204MPa，摩擦系数约为0.18。

Claims (6)

1.一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将石墨块材机械破碎后进行分级筛分，经丙酮超声洗净，得到石墨颗粒；
（2）将铜粉或铜合金粉与铬粉球磨混合均匀得混合粉体；
（3）将质量浓度0.5~2%的聚乙烯醇溶液均匀喷洒在石墨颗粒表面，再与步骤（2）所得混合粉体混合，使混合粉体包覆在石墨颗粒表面；去除多余未粘结的粉体，得到复合石墨颗粒；
（4）将步骤（3）所得复合石墨颗粒放入钢模具干压成型，得到复合材料坯体；
（5）将复合材料坯体置于真空环境中，在250~500 ℃下进行排胶；排胶后的样品经热压烧结得到铜基石墨复合润滑密封材料。
2.如权利要求1所述一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，石墨颗粒的粒度为0.1~0.8mm。
3.如权利要求1所述一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，混合粉体中铬粉质量百分数为2%~20%。
4.如权利要求1所述一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，复合石墨颗粒中，石墨颗粒的体积含量控制在30~ 60%。
5.如权利要求1所述一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，干压成型压力为100~200MPa，保持压2~10min。
6.如权利要求1所述一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料的制备方法，其特征在于：步骤（5）中，热压烧结温度为750~800 ℃，保温1~2 h，压力为10~30 MPa。
CN202010036458.8A 2020-01-14 2020-01-14 一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料及其制备方法 Active CN111014660B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010036458.8A CN111014660B (zh) 2020-01-14 2020-01-14 一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010036458.8A CN111014660B (zh) 2020-01-14 2020-01-14 一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111014660A true CN111014660A (zh) 2020-04-17
CN111014660B CN111014660B (zh) 2022-03-25

Family

ID=70199451

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010036458.8A Active CN111014660B (zh) 2020-01-14 2020-01-14 一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111014660B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112941398A (zh) * 2021-01-28 2021-06-11 淮阴工学院 一种石墨增强自润滑铜合金及其制备方法
CN114293133A (zh) * 2021-12-31 2022-04-08 西安交通大学 一种用于大气等离子喷涂形成宽温域自润滑涂层的喷涂材料、制备方法、及其应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108396169A (zh) * 2018-01-26 2018-08-14 中国科学院兰州化学物理研究所 一种铜基石墨复合密封材料
CN110102758A (zh) * 2019-05-28 2019-08-09 中南大学 一种Cu-X/C复合材料及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108396169A (zh) * 2018-01-26 2018-08-14 中国科学院兰州化学物理研究所 一种铜基石墨复合密封材料
CN110102758A (zh) * 2019-05-28 2019-08-09 中南大学 一种Cu-X/C复合材料及其制备方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112941398A (zh) * 2021-01-28 2021-06-11 淮阴工学院 一种石墨增强自润滑铜合金及其制备方法
CN114293133A (zh) * 2021-12-31 2022-04-08 西安交通大学 一种用于大气等离子喷涂形成宽温域自润滑涂层的喷涂材料、制备方法、及其应用
CN114293133B (zh) * 2021-12-31 2022-11-04 西安交通大学 一种宽温域自润滑涂层的喷涂材料、制备方法、及其应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN111014660B (zh) 2022-03-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101538279B1 (ko) 개질 폴리이미드 마모층을 갖는 3층 복합 자체 윤활 활주 베어링 및 그 제조 방법
CN111014660B (zh) 一种具有优异力学性能的铜基石墨复合润滑密封材料及其制备方法
CN110976852B (zh) 一种铜基石墨复合润滑密封材料的制备方法
Kumar et al. Microstructure and properties of graphite-reinforced copper matrix composites
CN111266576B (zh) 一种tc4基自润滑材料及其制备方法
JP2013023732A (ja) Ａｌ青銅焼結合金摺動材料およびその製造方法
Karthikeyan et al. Dry sliding wear behaviour of stir cast LM25/ZrO2 metal matrix composites
Raja et al. Effects on microstructure and hardness of Al-B4C metal matrix composite fabricated through powder metallurgy
Yang et al. Effect of multiwalled carbon nanotubes on the lubricating properties of TiAl–Ag composites based on the changes in applied loads and testing temperatures
CN108396169B (zh) 一种铜基石墨复合密封材料
US3479289A (en) High strength,self-lubricating materials
JP2004083934A (ja) 複層摺動部品およびその製造方法
Hussein et al. Fabrication of copper-graphite MMCs using powder metallurgy technique
JP5995389B1 (ja) 銅複合鉄粉の製造方法および焼結金属の製造方法
CN112024899A (zh) 一种TiN-Ti复合粉末及其制备方法和应用
Hamada et al. Experimental investigation of mechanical and tribological characteristics of Al 2024 matrix composite reinforced by yttrium oxide particles
US6355207B1 (en) Enhanced flow in agglomerated and bound materials and process therefor
Tijo et al. Effect of TiC content on sliding wear behavior of TiC-Ti metal matrix composite
CN114000007B (zh) 一种铜基自润滑复合材料及其制备方法
Chinnathaypgal et al. Evaluation of wear behaviour of metal injection moulded nickel based metal matrix composite
Juszczyk et al. Microstructure and tribological properties of the copper matrix composite materials containing lubricating phase particles
Sankar et al. Microstructural characterization and mechanical behavior of copper matrix composites reinforced by B4C and sea shell powder
JP2016160523A (ja) 銅−モリブデン複合材料及びその製造方法
Pawar et al. Development of EDM electrode by powder metallurgy process
Roik et al. The Manufacturing Technology and its Effect on the Tribological Properties of the New Parts for Printing Machines

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant