CN111304491A - 一种可在室温~500℃使用的铜基自润滑复合材料及其制备方法、应用 - Google Patents

一种可在室温~500℃使用的铜基自润滑复合材料及其制备方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料及其制备方法、应用，属于铜基自润滑复合材料制备技术领域。本发明的铜基自润滑复合材料，由以下重量百分数的组分组成：Ni 4～15％、Sn 4～6％、Si 0.05～0.5％、Al 0.03～0.5％、石墨烯0.5～3％、LaF3 0.05～0.5％，余量为Cu。本发明的铜基自润滑复合材料在常温及高温条件下均具有优异的高强度、低摩擦、耐磨损及良好的自润滑特性，本发明的铜基自润滑复合材料可应用于滑动轴承、受电弓或滚动轴承保持架等领域。

Description

一种可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料及其制备 方法、应用
技术领域
本发明涉及一种可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料及其制备方法、应用，属于铜基自润滑复合材料制备技术领域。
背景技术
金属基自润滑复合材料可以应用于航空发动机活门轴承及高比压轴承、设备的浮动或半浮动轴承、武器调整装置用轴承等领域，但是常规的金属基自润滑复合材料制作的轴承、轴瓦、滑板等零部件会出现易磨损、寿命短和可靠性低、润滑性差等问题。
在研制金属基自润滑复合材料的过程中，金属及其合金中加入石墨、二硫属化合物、氧化物、氟化物及盐类等一种或几种复合的固体润滑剂虽然可以改善金属及其合金的摩擦学特性，但会不同程度损伤金属或其合金的强度。石墨烯是一种由碳六元环组成的二维周期蜂窝状晶体结构。近年来研究表明，石墨烯具有超高强度、优异的导电性和导热性、良好的柔韧性和结构稳定性，且化学性质类似于石墨，具有石墨的润滑特性。
现有技术中，申请公布号为CN105689722A的中国发明专利申请公开了一种铜基含油轴承材料及其制备方法，其主要方法是将以下质量分数的合金粉末：5～12％的石墨烯负载镍粉、 6～15％的锡粉、0.1～0.5％的油酸作为分散剂，余量为铜粉，进行球磨；然后在压力为 200～300MPa的液压机上进行压制成型；再在氢气气氛下烧结、冷却；最后采用油轴承专用润滑油在真空条件下完全浸润冷却出炉的轴承毛坯，最后经过模具进行整形。该方法得到的铜基含油轴承材料提高了含油轴承的耐磨性及导热性能，但是该方法含有浸油步骤，操作复杂。
现有技术中，授权公告号为CN105671357B的中国发明专利公开了一种铜基受电弓滑板材料及其制备方法，其主要方法是将质量百分数为40～50％的石墨烯负载铜复合粉，5～7％的锡粉，余量为基体纯铜粉，将上述原料混合均匀，混料时间为5～7小时，将混合好的料放入热压机中，在温度为900℃～1000℃，压力为30～80MPa下进行热压，保压时间为30～60min，即得。该方法提高了滑板的润滑性和耐磨性，但是制备方法中有热压操作，步骤也相对繁琐。
现有技术中，申请公布号为CN103849794A的中国发明专利申请公开了一种环保自润滑耐磨铜合金及其制备方法，该环保自润滑耐磨铜合金的组分及质量百分含量为Sn 5～13％、Ni 和/或Co 2～9％、Bi 2～10％、Zr 0.05～0.3％、RE 0.05～0.5％，余量为铜和不可避免的杂质。该组分制得的铜合金材料具有环保、合金铸态组织细小均匀、密度高硬度大等特点。
但是，现有技术中公开的金属基自润滑复合材料并不确定是否适合在高温条件下使用，并且制得的材料强度和润滑性也不足以满足现在的需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料。该铜基自润滑复合材料在常温到500℃的温度下具有强度大、耐磨损、自润滑性好的特点。
本发明还提供一种上述可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料的制备方法。通过该方法制得的铜基自润滑复合材料在常温到500℃环境下具有高硬度、高强度、低摩擦、耐磨损及自润滑性好的优势。
本发明还提供了一种上述可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料在滑动轴承、受电弓或滚动轴承保持架中的应用。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料，由以下重量百分数的组分组成：Ni 4～ 15％、Sn 4～6％、Si 0.05～0.5％、Al 0.03～0.5％、石墨烯0.5～3％、LaF30.05～0.5％，余量为Cu。
优选的，上述可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料由以下重量百分数的组分组成： Ni 4～15％、Sn 4～6％、Si 0.05～0.5％、Al 0.05～0.3％、石墨烯0.8～1.5％、LaF3 0.05～0.4％，余量为Cu。
该铜基自润滑复合材料中，Cu、Ni以及Sn三种元素形成Cu-Ni-Sn合金基体，同时加入能够提高时效硬化效果或机械性能的微量元素Al、Si和加入石墨烯、LaF3组成的润滑相。Si 元素的加入与Ni相结合，形成的Ni2Si、Ni3Si抑制了不连续沉淀相的形成，细化了Cu-Ni-Sn 合金基体的晶粒，从而提高了复合材料基体的硬度；Al的加入起到了固溶强化和细化晶粒效应，提高了Cu-Ni-Sn合金的屈服强度；石墨烯和LaF3作为润滑剂，在室温下石墨烯起主要润滑作用；在中温时(100～400℃)，因温度升高，摩擦表面由于摩擦化学反应和或高温氧化形成的金属氧化物和软化的金属及石墨烯的混合物起润滑作用；在高温(500℃左右)时，石墨烯与摩擦表面形成的金属氧化物、软化的金属和LaF3的混合物起润滑作用。本发明的铜基自润滑复合材料在常温至500℃的温度下均具有优异高强度、低摩擦、耐磨损及良好的自润滑特性。
本发明的铜基自润滑复合材料，在合金(Cu-Ni-Sn)中加入一定量的微量元素Al和Si，生成了硬质相和/或细化了晶粒进而提高了复合材料的强度，此外，石墨烯是二维片层状蜂窝晶体结构，类似于纳米级有规则的网状纤维织物，其与Cu-Ni-Sn基体在烧结合金化过程中溶渗、粘结，增强了基体强度。在摩擦过程中，石墨烯的剥层转移性、良好的附着性和柔韧性，在对偶材料表面形成了附着牢固的石墨烯为主的复合润滑膜。加入具有润滑作用的石墨烯、 LaF3，在保证了复合材料强度大的同时，提升了高温条件下的耐磨润滑性能，适用于常温到 500℃的环境中。本发明的铜基自润滑复合材料可应用于滑动轴承、受电弓或滚动轴承保持架中。
一种上述可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将Cu、Sn、Ni、Al、Si、石墨烯和LaF3按比例混合、球磨得物料；
(2)将球磨后的物料进行冷压成型，得毛坯；
(3)将毛坯在还原气氛中于870～950℃下保温60～90分钟，冷却，得制品；
(4)将步骤(3)所得制品进行时效处理，所述时效处理是将步骤(3)中所得制品在还原气氛中于350～400℃下保温180～260分钟，冷却，即得。
该制备方法简单，制得的铜基自润滑复合材料在常温及高温条件下均具有优异的高强度、低摩擦、耐磨损及良好的自润滑特性。此外，经烧结后的该铜基自润滑复合材料或由其制造的产品毛坯，在一定时间和温度下进行时效处理时，复合材料的组织结构中发生调幅分解而产生了微小交替的调幅组织，进一步提高了复合材料自身的硬度和强度。
本发明的铜基自润滑复合材料的制备方法中，所用还原气氛能够防止各原料被氧化。优选的，还原气氛为氢气气氛或者含氢气氛。其中含氢气氛由氢气与惰性气体的混合气体组成。优选的，还原气氛为氢气气氛。
本发明的铜基自润滑复合材料的制备方法中，步骤(4)中的冷却为随炉自然冷却。冷却过程同样在还原气氛下进行。
所述Cu、Sn、Ni、Al均为电解粉或还原粉。所述Cu、Sn、Ni、Al、Si、石墨烯和LaF3的纯度均大于99.5％。各组分的纯度大于99.5％可以使制得的铜基自润滑复合材料综合性能更好。
所述Cu、Sn、Ni、Al、Si的粒度小于0.06mm，所述石墨烯和LaF3的粒度小于0.035mm。控制Cu、Sn、Ni、Al、Si的粒度小于0.06mm；石墨烯和LaF3的粒度小于0.035mm。
步骤(1)中混合的时间为10～12h。混合时间在10～12h可以保证各组分能充分混匀。
步骤(1)中球磨的时间为20～24h。球磨使得各组分更加均匀的混合，有利于各组分的机械合金化。
步骤(2)所述冷压成型的压力为300MPa～350MPa。
一种上述可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料在滑动轴承、受电弓或滚动轴承保持架中的应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明的铜基自润滑复合材料用润滑剂和铜基体的配比不局限于实施例中的配比，使用时可根据具体情况调整用量。
可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料的实施例
实施例1
本实施例的铜基自润滑复合材料，由以下重量百分数的组分组成：Ni 9％、Sn5％、Si 0.1％、 Al 0.1％、石墨烯0.8％、LaF3 0.08％，余量为Cu。其中Cu、Sn、Ni、Al均为电解粉，Cu、 Sn、Ni、Al、Si、石墨烯和LaF3的纯度均大于99.5％，Cu、Sn、Ni、Al、Si的粒度小于0.06mm，石墨烯和LaF3的粒度小于0.035mm。
实施例2
本实施例的铜基自润滑复合材料，由以下重量百分数的组分组成：Ni 12％、Sn5％、Si 0.3％、Al 0.5％、石墨烯1.5％、LaF3 0.5％，余量为Cu。其中Cu、Sn、Ni、Al均为电解粉， Cu、Sn、Ni、Al、Si、石墨烯和LaF3的纯度均大于99.5％，Cu、Sn、Ni、Al、Si的粒度小于0.06mm，石墨烯和LaF3的粒度小于0.035mm。
实施例3
本实施例的铜基自润滑复合材料，由以下重量百分数的组分组成：Ni 4％、Sn6％、Si 0.5％、 Al 0.05％、石墨烯2％、LaF3 0.05％，余量为Cu。其中Cu、Sn、Ni、Al均为还原粉，Cu、Sn、 Ni、Al、Si、石墨烯和LaF3的纯度均大于99.5％，Cu、Sn、Ni、Al、Si的粒度小于0.06mm，石墨烯和LaF3的粒度小于0.035mm。
实施例4
本实施例的铜基自润滑复合材料，由以下重量百分数的组分组成：Ni 15％、Sn4％、Si 0.05％、Al 0.3％、石墨烯1％、LaF3 0.4％，余量为Cu。其中Cu、Sn、Ni、Al均为还原粉， Cu、Sn、Ni、Al、Si、石墨烯和LaF3的纯度均大于99.5％，Cu、Sn、Ni、Al、Si的粒度小于0.06mm，石墨烯和LaF3的粒度小于0.035mm。
可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料的制备方法的实施例
实施例5
本实施例的铜基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将以下质量百分比的各组分：Ni 9％、Sn 5％、Si 0.1％、Al 0.1％、石墨烯0.8％、 LaF3 0.08％，余量为Cu，按比例装入三维混料器中混匀，混合时间为12h，然后取出，装入球磨罐中球磨20h，得物料，球料比为4:1(重量比)；其中Cu、Sn、Ni、Al均为电解粉，Cu、Sn、Ni、Al、Si、石墨烯和LaF3的纯度均大于99.5％，Cu、Sn、Ni、Al、Si的粒度小于0.06mm，石墨烯和LaF3的粒度小于0.035mm；
(2)将球磨后的物料装入钢模中，将其置于四柱液压机上，在300MPa压力下压制，保压3min后脱模，即形成冷压产品毛坯；
(3)将毛坯置于管式自由烧结炉中，在氢气保护气氛中，以3℃/min的速度升温至920℃，保温70min，保温结束后在炉内冷却至室温，得制品；
(4)对制品进行时效处理，即将制品置于管式无压烧结炉中，在氢气保护气氛中，以3℃ /min的速度升温至400℃，保温240min，保温结束后，在炉内冷却至室温即得铜基自润滑复合材料。
实施例6
本实施例的铜基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将以下质量百分比的各组分：Ni 12％、Sn 5％、Si 0.3％、Al 0.5％、石墨烯1.5％、 LaF3 0.5％，余量为Cu，按比例装入三维混料器中混匀，混合时间为12h，然后取出，装入球磨罐中球磨24h，得物料，球料比为4:1(重量比)；其中Cu、Sn、Ni、Al均为电解粉，Cu、Sn、Ni、Al、Si、石墨烯和LaF3的纯度均大于99.5％，Cu、Sn、Ni、Al、Si的粒度小于0.06mm，石墨烯和LaF3的粒度小于0.035mm；
(2)将球磨后的物料装入钢模中，将其置于四柱液压机上，在350MPa压力下压制，保压3min后脱模，即形成冷压产品毛坯；
(3)将毛坯置于管式自由烧结炉中，在氢气保护气氛中，以4℃/min的速度升温至950℃，保温90min，保温结束后在炉内冷却至室温，得制品；
(4)对制品进行时效处理，即将制品置于管式无压烧结炉中，在氢气保护气氛中，以3℃ /min的速度升温至400℃，保温240min，保温结束后，在炉内冷却至室温即得铜基自润滑复合材料。
实施例7
本实施例的铜基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将以下质量百分比的各组分：Ni 4％、Sn 6％、Si 0.5％、Al 0.05％、石墨烯2％、LaF3 0.05％，余量为Cu，按比例装入三维混料器中混匀，混合时间为11h，然后取出，装入球磨罐中球磨22h，得物料，球料比为4:1(重量比)；其中Cu、Sn、Ni、Al均为还原粉，Cu、Sn、Ni、Al、Si、石墨烯和LaF3的纯度均大于99.5％，Cu、Sn、Ni、Al、Si的粒度小于0.06mm，石墨烯和LaF3的粒度小于0.035mm；
(2)将球磨后的物料装入钢模中，将其置于四柱液压机上，在330MPa压力下压制，保压3min后脱模，即形成冷压产品毛坯；
(3)将毛坯置于管式自由烧结炉中，在氢气保护气氛中，以5℃/min的速度升温至870℃，保温60min，保温结束后在炉内冷却至室温，得制品；
(4)对制品进行时效处理，即将制品置于管式无压烧结炉中，在氢气保护气氛中，以5℃ /min的速度升温至400℃，保温240min，保温结束后，在炉内冷却至室温即得铜基自润滑复合材料。
实施例8
本实施例的铜基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将以下质量百分比的各组分：Ni 15％、Sn 4％、Si 0.05％、Al 0.3％、石墨烯1％、 LaF3 0.4％，余量为Cu，按比例装入三维混料器中混匀，混合时间为11h，然后取出，装入球磨罐中球磨22h，得物料，球料比为4:1(重量比)；其中Cu、Sn、Ni、Al均为还原粉，Cu、Sn、Ni、Al、Si、石墨烯和LaF3的纯度均大于99.5％，Cu、Sn、Ni、Al、Si的粒度小于0.06mm，石墨烯和LaF3的粒度小于0.035mm；
(2)将球磨后的物料装入钢模中，将其置于四柱液压机上，在330MPa压力下压制，保压3min后脱模，即形成冷压产品毛坯；
(3)将毛坯置于管式自由烧结炉中，在氢气保护气氛中，以5℃/min的速度升温至900℃，保温60min，保温结束后在炉内冷却至室温，得制品；
(4)对制品进行时效处理，即将制品置于管式无压烧结炉中，在氢气保护气氛中，以5℃ /min的速度升温至400℃，保温240min，保温结束后，在炉内冷却至室温即得铜基自润滑复合材料。
本发明的铜基自润滑复合材料在滑动轴承、受电弓或滚动轴承保持架中的应用在以下试验例中体现。
试验例
本试验例对实施例5和实施例6制得的铜基自润滑复合材料的物理性能、机械性能以及摩擦磨损性能进行了测试，具体测试方法为：按照GB/T 231.4-2009/ISO 6506-4：2005中的方法在HBS-62.5数显小负荷布氏硬度计上测试材料的布氏硬度，测试时施加的载荷为62.5Kgf，保荷时间为30s，压头直径为2.5mm；按照GB/T 7314-2005金属材料室温压缩试验方法在 WDW-200型微机控制电子式万能试验机上测试材料的屈服强度；材料的摩擦磨损试验是在球 -盘式高温摩擦磨损试验机上进行的，盘试样为待测样品，对磨的球试样为直径为6mm的商用Si3N4陶瓷球，摩擦磨损试验的条件如下：载荷为5N，旋转半径为4mm，电机频率为6.43Hz，滑动时间为30min。测试结果如表1和表2所示。
表1实施例1～2材料性能测试(室温)
Figure BDA0002419749960000071
表2实施例1～2摩擦磨损性能测试
Figure BDA0002419749960000072
从表1、表2可以看出，本发明的铜基自润滑复合材料不仅具有较高的硬度和强度，在高温下同样具有较低的摩擦系数和较好的耐磨性能。因此，本发明的铜基自润滑复合材料可在滑动轴承、受电弓或滚动轴承保持架中使用。

Claims (9)

1.一种可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料，其特征在于：由以下重量百分数的组分组成：Ni 4～15％、Sn 4～6％、Si 0.05～0.5％、Al 0.03～0.5％、石墨烯0.5～3％、LaF3 0.05～0.5％，余量为Cu。
2.一种如权利要求1所述的可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将Cu、Sn、Ni、Al、Si、石墨烯和LaF3按比例混合、球磨得物料；
(2)将球磨后的物料进行冷压成型，得毛坯；
(3)将毛坯在还原气氛中于870～950℃下保温60～90分钟，冷却，得制品；
(4)将步骤(3)所得制品进行时效处理，所述时效处理是将步骤3)中所得制品在还原气氛中于350～400℃下保温180～260分钟，冷却，即得。
3.根据权利要求2所述的可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于：所述Cu、Sn、Ni、Al均为电解粉或还原粉。
4.根据权利要求2所述的可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于：所述Cu、Sn、Ni、Al、Si、石墨烯和LaF3的纯度均大于99.5％。
5.根据权利要求2所述的可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于：所述Cu、Sn、Ni、Al、Si的粒度小于0.06mm，所述石墨烯和LaF3的粒度小于0.035mm。
6.根据权利要求2所述的可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中混合的时间为10～12h。
7.根据权利要求2所述的可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中球磨的时间为20～24h。
8.根据权利要求2所述的可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述冷压成型的压力为300MPa～350MPa。
9.根据权利要求1所述的可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料在滑动轴承、受电弓或滚动轴承保持架中的应用。
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