CN111961914B - 一种锡青铜-钢双金属复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种锡青铜-钢双金属复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锡青铜‑钢双金属复合材料，其包括铜合金层和钢基体，所述钢基体的表面具有镀铜层；铜合金层由以下组分按重量百分比组成：锡11％～13％、镍4.5％～5.5％、铅2.5％～3.5％，和余量的铜。铜合金层中的Ni与Cu、Fe均能实现较好的互溶效果，不仅增加了铜合金层的硬度，还能够提升铜合金层与钢基体之间的界面结合强度；铜合金层中的Pb可以使铜合金层具有良好的润滑减摩作用。本发明还公开了锡青铜‑钢双金属复合材料的制备方法，采用梯度升温的方式进行加热烧结，制备得到性能优异的材料。本发明提供的制备方法，具有设备投资少、操作简单、成本低等诸多优点，有利于规模化生产，具有工业应用价值。

Description

一种锡青铜-钢双金属复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于双金属复合材料技术领域，特别涉及一种锡青铜-钢双金属复合材料及其制备方法。
背景技术
铜钢双金属复合材料在齿轮泵、柱塞泵等液压泵领域有着较为广泛的应用，铜钢双金属复合材料由铜合金层和钢基体组成，其铜合金层作为摩擦副零部件的工作层不仅具有减摩耐磨耐蚀、耐热导热及抗疲劳等特性，且由于其兼具软硬相组织决定其具有抗咬合性、嵌藏性、顺应性等优良减摩、抗粘着性能，而其钢基体起到承载和抗冲击作用，补充了铜合金力学性能低的缺点，因此，铜钢双金属复合材料兼具两种材料的优良性能。
粉末冶金法是制备铜钢双金属复合材料的常用方法。但目前粉末冶金法制备的铜钢双金属复合材料采用的铜合金材料主要有CuPb10Sn10粉末、CuPb15Sn5粉末和CuPb15Sn8粉末等，主要制备工序包括混料—铺粉—预烧—初轧—复烧—精轧—校平等。采用目前常用的铜合金粉末材料和粉末冶金工艺制备的铜钢双金属复合材料存在铜合金层的硬度低、界面结合强度差和工序复杂等问题，难以满足中高压液压泵的使用要求。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种锡青铜-钢双金属复合材料，所述复合材料的铜合金层硬度高、界面结合强度高，且制备工艺简便，能够适用于中高压液压泵的使用要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种锡青铜-钢双金属复合材料，包括铜合金层和钢基体，所述钢基体的表面具有镀铜层；所述铜合金层由以下组分按重量百分比组成：锡11％～13％、镍4.5％～5.5％、铅2.5％～3.5％，和余量的铜，杂质总量不大于2％。
进一步方案，所述铜合金层的显微组织主要为α+δ的共析组织，其中α相为锡的铜基固溶体，δ相为具有复杂立方结构的Cu31Sn8固溶体。
进一步方案，所述铜合金层的密度为8.4～9.0g/cm3。
进一步方案，所述铜合金层的摩擦因数为0.04～0.05。
进一步方案，所述铜合金层的硬度不小于135HBW。
进一步方案，所述镀铜层的厚度为0.005～0.015mm。
本发明的另一个目的是提供上述所述的锡青铜-钢双金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用雾化法制备合金化锡青铜粉末材料，为了改善锡青铜粉末材料的压制性能，减少压模磨损和有利于脱模，再向合金化锡青铜粉末材料中加入硬脂酸锌，经过混料、压制，制得锡青铜粉末压坯，锡青铜粉末压坯的密度为7.8～8.2g/cm3；所述合金化锡青铜粉末材料由以下组分按重量百分比组成：锡11％～13％、镍4.5％～5.5％、铅2.5％～3.5％，和余量的铜；优选的，所述硬脂酸锌的加入量是锡青铜粉末材料总重量的0.4％～0.8％；
(2)对钢基体的一个平面进行镀铜处理，在钢基体的表面形成镀铜层；
(3)将钢基体具有镀铜层的一面朝向锡青铜粉末压坯，然后将钢基体放置于锡青铜粉末压坯上，在还原性气氛中进行加热烧结，得到锡青铜-钢双金属复合材料。进一步优选的，所述加热烧结分为三个阶段：第一阶段的温度为360～450℃，保温时间为30～60min；第二阶段的温度为850～900℃，保温时间为50～70min；第三阶段的温度为360～500℃，保温时间为40～60min；所述还原性气氛为氮氢混合气。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明制备的锡青铜-钢双金属复合材料，其铜合金层的材料中添加了Ni和Pb；一方面，Ni与Cu和Fe均能实现较好的互溶效果，不仅增加了铜合金层的硬度，还能够提升铜合金层与钢基体之间的界面结合强度；另一方面，Pb可以使铜合金层具有良好的润滑减摩作用；
(2)本发明采用梯度升温的方式进行加热烧结，第一阶段的加热烧结能够使铜合金层中硬脂酸锌完全分解并挥发，防止硬脂酸锌残留而导致铜合金层内部产生孔洞等缺陷；第二阶段的加热烧结能够使铜合金层由机械啮合变成晶体结合，此阶段的烧结同时伴有少量的液相出现；第三阶段的加热烧结能够使铜合金层发生共析反应，生成α+δ的共析组织。
(3)本发明采用粉末冶金的方法制备锡青铜-钢双金属复合材料，具有设备投资少、操作简单和生产成本较低等诸多优点，有利于规模化生产的要求，具有工业应用价值。
附图说明
图1为实施例1制得的复合材料中铜合金层的金相组织图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)采用雾化法制备合金化锡青铜粉末材料，合金化锡青铜粉末材料的组分含量如表1所示，称取合金化锡青铜粉末材料100份，然后向其中加入0.6份硬脂酸锌得到混合料，将混合料加入混料机中充分混合后取出，并使用机械压机对混合料进行压制，得到压坯密度为8.0g/cm3的锡青铜粉末压坯；
(2)钢基体的材料选用45#钢，首先对钢基体表面进行清洗，然后在其表面进行镀铜处理，在钢基体的表面形成厚度为0.005mm的镀铜层；
(3)烧结气氛选用含氢量为15％的氮氢混合气，将镀铜的钢基体放置于锡青铜粉末压坯上，然后一起放置于烧结炉中在氮氢混合气中进行加热烧结，烧结第一阶段的温度设定为360℃，保温时间为60min；第二阶段的温度设定为880℃，保温时间为60min；第三阶段的温度设定为500℃，保温60min；得到锡青铜-钢双金属复合材料。
实施例2
(1)采用雾化法制备合金化锡青铜粉末材料，合金化锡青铜粉末材料的组分含量如表1所示，称取合金化锡青铜粉末材料100份，然后向其中加入0.4份硬脂酸锌得到混合料，将混合料加入混料机中充分混合后取出，并使用机械压机对混合料进行压制，得到压坯密度为8.2g/cm3的锡青铜粉末压坯；
(2)钢基体的材料选用45#钢，首先对钢基体表面进行清洗，然后在其表面进行镀铜处理，在钢基体的表面形成厚度为0.010mm的镀铜层；
(3)烧结气氛选用含氢量为16％的氮氢混合气，将镀铜的钢基体放置于锡青铜粉末压坯上，然后一起放置于烧结炉中在氮氢混合气中进行加热烧结，烧结第一阶段的温度设定为400℃，保温时间为50min；第二阶段的温度设定为850℃，保温时间为70min；第三阶段的温度设定为400℃，保温50min，得到锡青铜-钢双金属复合材料。
实施例3
(1)采用雾化法制备合金化锡青铜粉末材料，合金化锡青铜粉末材料的组分含量如表1所示，称取合金化锡青铜粉末材料100份，然后向其中加入0.8份硬脂酸锌得到混合料，将混合料加入混料机中充分混合后取出，并使用机械压机对混合料进行压制，得到压坯密度为7.8g/cm3的锡青铜粉末压坯；
(2)钢基体的材料选用45#钢，首先对钢基体表面进行清洗，然后在其表面进行镀铜处理，在钢基体的表面形成厚度为0.013mm的镀铜层；
(3)烧结气氛选用含氢量为14％的氮氢混合气，将镀铜的钢基体放置于锡青铜粉末压坯上，然后一起放置于烧结炉中在氮氢混合气中进行加热烧结，烧结第一阶段的温度设定为450℃，保温时间为30min；第二阶段的温度设定为900℃，保温时间为50min；第三阶段的温度设定为360℃，保温40min，得到锡青铜-钢双金属复合材料。
实施例4
(1)采用雾化法制备合金化锡青铜粉末材料，合金化锡青铜粉末材料的组分含量如表1所示，称取合金化锡青铜粉末材料100份，然后向其中加入0.6份硬脂酸锌得到混合料，将混合料加入混料机中充分混合后取出，并使用机械压机对混合料进行压制，得到压坯密度为8.0g/cm3的锡青铜粉末压坯；
(2)钢基体的材料选用45#钢，首先对钢基体表面进行清洗，然后在其表面进行镀铜处理，在钢基体的表面形成厚度为0.010mm的镀铜层；
(3)烧结气氛选用含氢量为17％的氮氢混合气，将镀铜的钢基体放置于锡青铜粉末压坯上，然后一起放置于烧结炉中在氮氢混合气中进行加热烧结，烧结第一阶段的温度设定为380℃，保温时间为45min；第二阶段的温度设定为870℃，保温时间为65min；第三阶段的温度设定为450℃，保温50min，得到锡青铜-钢双金属复合材料。
实施例5
(1)采用雾化法制备合金化锡青铜粉末材料，合金化锡青铜粉末材料的组分含量如表1所示，称取合金化锡青铜粉末材料100份，然后向其中加入0.6份硬脂酸锌得到混合料，将混合料加入混料机中充分混合后取出，并使用机械压机对混合料进行压制，得到压坯密度为8.0g/cm3的锡青铜粉末压坯；
(2)钢基体的材料选用45#钢，首先对钢基体表面进行清洗，然后在其表面进行镀铜处理，在钢基体的表面形成厚度为0.010mm的镀铜层；
(3)烧结气氛选用含氢量为15％的氮氢混合气，将镀铜的钢基体放置于锡青铜粉末压坯上，然后一起放置于烧结炉中在氮氢混合气中进行加热烧结，烧结第一阶段的温度设定为430℃，保温时间为40min；第二阶段的温度设定为885℃，保温时间为60min；第三阶段的温度设定为380℃，保温45min，得到锡青铜-钢双金属复合材料。
对比例1
以实施例2为参考，对比例1在步骤(1)中选取不加入Ni的合金化锡青铜粉末，其他条件与实施例2相同，制备得到的锡青铜-钢双金属复合材料。
对比例2
以实施例2为参考，对比例2在步骤(1)中选取不加入Pb的合金化锡青铜粉末，其他条件与实施例2相同，制备得到的锡青铜-钢双金属复合材料。
表1各实施例中锡青铜粉末材料的化学成分(重量百分比)
Figure BDA0002642043360000051
对上述实施例和对比例制得的材料进行性能检测，其中，铜合金层摩擦因数的测试方式为：采用环块摩擦磨损试验，标准为GB/T12444-2006《金属材料磨损试验方法试环-试块滑动磨损试验》，加载力为20Kg，转速为400r/min，滴油润滑，滴油量每分钟10-12滴。本申请同一组别的实施例做6次重复试验，每次试验时长120min，从10min开始记录数值，分别每隔10min记录一次，试验结果取平均值，保留三位有效数字。铜合金层硬度检测采用标准GB/T 231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分:试验方法》，每个实施例制备3个试样，每个试样选取6个点进行检测；铜合金层与钢基体之间的界面结合强度测试采用标准YS/T485-2005《烧结双金属材料剪切强度的测定方法》，每个实施例制备6个试样，试验后取平均值，按照四舍五入保留三位有效数字，试验结果见表2。从测试结果看，与对比例相比，通过本发明实施例中的制备方法制备的锡青铜-钢双金属复合材料性能优异，其铜合金层摩擦因数低、硬度高、界面结合强度高。
表2各实施例和对比例制得的材料的检测结果
Figure BDA0002642043360000061
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对实施案例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施案例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锡青铜-钢双金属复合材料，其特征在于：包括铜合金层和钢基体，所述钢基体的表面具有镀铜层；所述铜合金层由以下组分按重量百分比组成：锡11％～13％、镍4.5％～5.5％、铅2.5％～3.5％，和余量的铜；
所述的锡青铜-钢双金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备合金化锡青铜粉末材料，再向合金化锡青铜粉末材料中加入硬脂酸锌，经过混料、压制，制得锡青铜粉末压坯，锡青铜粉末压坯的密度为7.8～8.2g/cm3；所述合金化锡青铜粉末材料由以下组分按重量百分比组成：锡11％～13％、镍4.5％～5.5％、铅2.5％～3.5％，和余量的铜；
(2)对钢基体的一个平面进行镀铜处理，在钢基体的表面形成镀铜层；
(3)将钢基体具有镀铜层的一面朝向锡青铜粉末压坯，然后将钢基体放置于锡青铜粉末压坯上，在还原性气氛中进行加热烧结，得到锡青铜-钢双金属复合材料；所述加热烧结分为三个阶段：第一阶段的温度为360～450℃，保温时间为30～60min；第二阶段的温度为850～900℃，保温时间为50～70min；第三阶段的温度为360～500℃，保温时间为40～60min；
2.根据权利要求1所述的锡青铜-钢双金属复合材料，其特征在于：所述铜合金层的显微组织主要为α+δ的共析组织，其中α相为锡的铜基固溶体，δ相为具有复杂立方结构的Cu31Sn8固溶体。
3.根据权利要求1所述的锡青铜-钢双金属复合材料，其特征在于：所述铜合金层的密度为8.4～9.0g/cm3。
4.根据权利要求1所述的锡青铜-钢双金属复合材料，其特征在于：所述铜合金层的摩擦因数为0.04～0.05。
5.根据权利要求1所述的锡青铜-钢双金属复合材料，其特征在于：所述铜合金层的硬度不小于135HBW。
6.根据权利要求1所述的锡青铜-钢双金属复合材料，其特征在于：所述镀铜层的厚度为0.005～0.015mm。
7.如权利要求1-6任一项所述的锡青铜-钢双金属复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)制备合金化锡青铜粉末材料，再向合金化锡青铜粉末材料中加入硬脂酸锌，经过混料、压制，制得锡青铜粉末压坯，锡青铜粉末压坯的密度为7.8～8.2g/cm3；所述合金化锡青铜粉末材料由以下组分按重量百分比组成：锡11％～13％、镍4.5％～5.5％、铅2.5％～3.5％，和余量的铜；
(2)对钢基体的一个平面进行镀铜处理，在钢基体的表面形成镀铜层；
(3)将钢基体具有镀铜层的一面朝向锡青铜粉末压坯，然后将钢基体放置于锡青铜粉末压坯上，在还原性气氛中进行加热烧结，得到锡青铜-钢双金属复合材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，制备合金化锡青铜粉末材料的方法为雾化法；所述硬脂酸锌的加入量是合金化锡青铜粉末材料总重量的0.4％～0.8％。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述加热烧结分为三个阶段：第一阶段的温度为360～450℃，保温时间为30～60min；第二阶段的温度为850～900℃，保温时间为50～70min；第三阶段的温度为360～500℃，保温时间为40～60min。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述还原性气氛为氮氢混合气。
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