CN114000007B - 一种铜基自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铜基自润滑材料及其制备方法，属于金属基复合材料的制备，本发明采用粉末冶金热压法制备铜基自润滑材料。其原料为铜镍银合金粉末、及石墨，其中复合材料以铜镍合金为基体，银为弥散强化相，石墨为固体润滑添加剂。其质量百分比，由铜为65％‑88％、镍为2％‑16％、银为0.5％‑4.5％、石墨为5％‑20％组成，通过将原料粉末的混合，经压力范围为1‑40MPa，温度范围为900‑1200℃热压制备得出系列铜基自润滑材料。该材料性能优异，摩擦系数低，强度高，可以满足多种严苛使用环境的需求，且该工艺具有控制容易，生产成本低等特点。

Description

一种铜基自润滑复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，特别是涉及铜基自润滑材料及其制备方法。

背景技术

在现代的工业生产和人类生活中，摩擦磨损是造成材料损耗和能量耗散的重要原因之一，通过使用润滑材料可以有效改善材料的磨损情况，延长摩擦件的使用寿命，减少能量的耗散。铜基自润滑材料因其良好的力学性能、耐腐蚀性能、导热性能好以及润滑减摩性能好等特点可以很好地满足精密零件的使用条件和严苛的环境要求，在铁路交通、工程机械、航空航天等领域均得到了广泛使用。

铜基自润滑复合材料是金属基自润滑材料的重要组成部分，同时其也是在室温至500℃间润滑摩擦用的首选材料。通过粉末冶金方法制备的铜基自润滑轴承和轴瓦在纺织机械、食品机械、办公机械及汽车工业中均得到了广泛的应用。随着工业技术的发展，对于特殊服役条件下的自润滑材料要求越来越高，要求相对摩擦的零部件能长时间工作在高温、高负荷、强腐蚀等特殊工况，对于传统的锡青铜、铅青铜等自润滑材料，随着使用环境温度的升高，其强度明显降低、耐磨性也随之变差。为了进一步提高铜基体的机械性能和摩擦学性能，一般采取固溶强化和弥散强化的方式来增强铜基体的性能，通常添加纳米级别的氧化物、硼化物、氮化物、碳化物等弥散强化相颗粒，形成弥散强化铜基体材料，或者往基体中添加锌，铝，镍等合金元素，形成固溶强化铜基体材料。镍与铜在周期表中位置相近且原子半径相差很小，因此可以形成无限固溶的铜镍合金基体，具有高强度和耐热性能。银与铜固溶度很低，与镍几乎不互溶，通过雾化制粉制备的铜合金粉末中的部分银元素在烧结的过程中在基体晶界处析出，通过析出强化的方式进一步强化铜基体，以满足要求日益严苛的使用要求。

将石墨等固体润滑剂加入铜基体中是铜基自润滑材料常见的增润减摩方式。石墨是碳的一种同素异构形态，具有由众多互相平行的层状原子面相互叠合而成的六方晶系层状晶体结构，在其中任意原子面内，每个碳原子与相邻的3个碳原子相连接且距离相等，这样的排列方式使得每层碳原子均构成正六边形，碳原子间由共价键相连，各共价键强度相等，任意两相邻的共价键夹角均为120°。在晶体结构中，原子间的距离越大其结合力就越小，对于石墨而言，其相邻层间碳原子的结合力要远小于同层碳原子间的结合力，二者相差约100倍，因此具有较小结合力的层间碳原子容易分离，这导致石墨不同原子层相对分离并且容易滑动形成滑移面，保证其良好的润滑性能。

但经检索发现，到目前为止，还未见有人尝试采用同时含有Ni、Ag的铜基气雾化粉末为原料，通过控制原料中的Ni、Ag含量配合适量的石墨粉经粉末冶金的方法制备高性能铜基自润滑复合材料的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铜基自润滑复合材料及其制备方法，以提高铜基自润滑材料的机械性能、减摩润滑性能和环境适应性。

本发明首次尝试了采用同时含有Ni、Ag的铜基气雾化粉末为原料，通过控制原料中的Ni、Ag含量，配合适量的石墨粉采用适当的粉末冶金工艺制备出了性能优越的铜基自润滑复合材料。本发明所得产品在300℃的压缩强度远远优于现有产品。

本发明一种铜基自润滑复合材料；以质量百分比计；由下述组分组成：

Ni：2～16％、优选为3～8％；

Ag：0.5～4.5％、优选为1.5～3％；

石墨：5～20％、优选为8～12％；

余量为Cu。

本发明一种铜基自润滑复合材料；以质量百分比计，所述铜基自润滑复合材料中Cu的含量为65～88％、优选为76.5～85.5％。

作为优选方案，本发明一种铜基自润滑复合材料；以质量百分比计，所述铜基自润滑复合材料有下述组分组成：Cu 81～85％、Ni 2～6％、Ag3％、石墨10％。

作为进一步的优选方案，以质量百分比计，所述铜基自润滑复合材料有下述组分组成：Cu 83.5～85％、Ni 2～3.5％、Ag3％、石墨10％。

作为更进一步的优选方案，以质量百分比计，所述铜基自润滑复合材料有下述组分组成：Cu 83.5％、Ni 3.5％、Ag3％、石墨10％。

本发明一种铜基自润滑复合材料的制备方法，

包括以下步骤：

S1.配料：将铜、镍、银的雾化合金粉末和石墨粉末按上述重量百分比进行配料；S2.混料：向步骤1配好的料添加脱模剂，在混料机中进行混料，充分混合后得到均匀的混合粉末；

S3.热压：将步骤(2)得到的混合粉末装入石墨模具中，送入热压烧结炉，在大气环境中烧结，随炉冷却后出炉，制得样品。

本发明一种铜基自润滑复合材料的制备方法，金属基体合金粉采用液雾化方法或气雾化法制得，其粒度小于40μm，氧含量低于500ppm。所述雾化合金粉末的制备工艺优选为气雾化制备工艺，气雾化法制备合金粉末时，控制温度为1550℃、雾化压力为3.5MPa、所用气体优选为氩气、在工业上应用时，过热度视原料的熔化情况而定，一般过热度控制在60～100℃。

本发明一种铜基自润滑复合材料的制备方法，所使用石墨粉末的纯度大于99.5％，粒度小于40μm。

本发明一种铜基自润滑复合材料的制备方法，步骤S2所述脱模剂为硬脂酸锌；所述脱模剂的添加量为原料粉末总重量的0.5～1.5％。本发明采用适量的硬脂酸锌作为脱模剂，其具有很好的相容性，同时兼具良好的润滑性，有助于金属基体合金粉末和石墨粉末的充分混合并方便热压后从石墨模具中脱出。

本发明一种铜基自润滑复合材料的制备方法，步骤S2中添加铜合金球进行混料，球料质量比比为(3～6)：1、优选为4:1，混料时间为24～36h、优选为24h，转速为50～80r/min、优选为60r/min。

本发明一种铜基自润滑复合材料的制备方法，步骤S3中，热压的烧结温度为900-1200℃、优选为1125℃，压力为1-40MPa、优选为2MPa，保温时间1h，冷却至室温即得铜基自润滑复合材料。

本发明通过科学合理设计金属基体成分和优化工艺，可制得力学性能优异、润滑减摩效果好的铜基自润滑材料，所得复合材料的室温压缩强度为160～201MPa，300℃的压缩强度为85～130MPa，与不锈钢对磨件的摩擦系数为0.158～0.172。

经优化后，本发明所得复合材料的室温压缩强度为198～201MPa，300℃的压缩强度为119～127MPa，与不锈钢对磨件的摩擦系数为0.158～0.171。

经进一步优化后，本发明所得复合材料的室温压缩强度为199.5～201MPa，300℃的压缩强度为121～127MPa，与不锈钢对磨件的摩擦系数为0.158～0.165。

经更进一步优化后，本发明所得复合材料的室温压缩强度为200～201MPa，300℃的压缩强度为126～127MPa，与不锈钢对磨件的摩擦系数为0.158～0.159。

本发明提供了一种满足严苛使用环境和宽温度范围的高性能自润滑材料，本发明制备的铜基自润滑材料具有优异的力学性能，摩擦系数低，抗磨损性能好等优点。

经优化后，在适量组份和制备工艺的协同作用下，所得产品的高温压缩强度得到显著提升。

本发明工艺简单，控制容易，生产成本低，在诸多工业领域具有广泛用途。

附图说明

附图1为实施例1所得产品的金相图；

附图2为实施例2所得产品的金相图；

附图3为实施例3所得产品的金相图；

附图4为实施例4所得产品的金相图；

附图5为实施例1-4所得产品与不锈钢对磨件的摩擦系数测试结果图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1

本实施例提供一种铜基自润滑材料，由以下重量百分比的合金成分组成：Cu：84％，Ni：6％，石墨粉末：10％，其中金属基体气雾化合金粉末粒度小于40μm，氧含量低于500ppm，石墨粉末纯度高于99.5％，粒度小于40μm，其制作步骤如下：

S1.配料：将铜镍银气雾化合金粉末、石墨粉按上述重量百分比进行配料；

S2.混料：向配好的料中添加脱模剂，脱模剂为硬脂酸锌，添加量为原料粉末总重量的0.5％。将金属基合金粉末和石墨粉末混合后，在V型混料机中，添加铜合金球进行混料，球料比为4：1，转速为60r/min，充分混合24h后得到均匀的混合粉末；

S3.热压：将得到的混合粉末装入石墨模具中，送入热压烧结炉，在大气环境中烧结，热压的烧结温度为1115℃，压力为2MPa，保温时间1h，随炉冷却至室温即得铜基自润滑复合材料。

本实施例的铜基自润滑复合材料的各项性能测试结果见表1；其金相图如图1所示，其与不锈钢对磨件的摩擦系数(载荷10N，转速0.1m/s)随时间变化规律如图5所示。

实施例2

本实施例提供一种铜基自润滑材料，由以下重量百分比的合金成分组成：Cu：85％，Ni：2％，Ag：3％，石墨粉末：10％，其中金属基体气雾化合金粉末粒度小于40μm，氧含量低于500ppm，石墨粉末纯度高于99.5％，粒度小于40μm，其制作步骤如下：

S1.配料：将铜镍银气雾化合金粉末、石墨粉按上述重量百分比进行配料；

S2.混料：向配好的料中添加脱模剂，脱模剂为硬脂酸锌，添加量为原料粉末总重量的0.5％。将金属基合金粉末和石墨粉末混合后，在V型混料机中，添加铜合金球进行混料，球料比为4：1，转速为60r/min，充分混合24h后得到均匀的混合粉末；

S3.热压：将得到的混合粉末装入石墨模具中，送入热压烧结炉，在大气环境中烧结，热压的烧结温度为1125℃，压力为2.2MPa，保温时间1h，随炉冷却至室温即得铜基自润滑复合材料。

本实施例的铜基自润滑复合材料的各项性能测试结果见表1；其金相图如图2所示，其与不锈钢对磨件的摩擦系数(载荷10N，转速0.1m/s)随时间变化规律如图5所示。

实施例3

本实施例提供一种铜基自润滑材料，由以下重量百分比的合金成分组成：Cu：83.5％，Ni：3.5％，Ag：3％，石墨粉末：10％，其中金属基体气雾化合金粉末粒度小于40μm，氧含量低于500ppm，石墨粉末纯度高于99.5％，粒度小于40μm，其制作步骤如下：

S1.配料：将铜镍银气雾化合金粉末、石墨粉按上述重量百分比进行配料；

S2.混料：向配好的料中添加脱模剂，脱模剂为硬脂酸锌，添加量为原料粉末总重量的0.5％。将金属基合金粉末和石墨粉末混合后，在V型混料机中，添加铜合金球进行混料，球料比为4：1，转速为60r/min，充分混合24h后得到均匀的混合粉末；

S3.热压：将得到的混合粉末装入石墨模具中，送入热压烧结炉，在大气环境中烧结，热压的烧结温度为1125℃，压力为2.2MPa，保温时间1h，随炉冷却至室温即得铜基自润滑复合材料。

本实施例的铜基自润滑复合材料的各项性能测试结果见表1；其金相图如图3所示，其与不锈钢对磨件的摩擦系数(载荷10N，转速0.1m/s)随时间变化规律如图5所示。

实施例4

本实施例提供一种铜基自润滑材料，由以下重量百分比的合金成分组成：Cu：81％，Ni：6％，Ag：3％，石墨粉末：10％，其中金属基体气雾化合金粉末粒度小于40μm，氧含量低于500ppm，石墨粉末纯度高于99.5％，粒度小于40μm，其制作步骤如下：

S1.配料：将铜镍银气雾化合金粉末、石墨粉按上述重量百分比进行配料；

S2.混料：向配好的料中添加脱模剂，脱模剂为硬脂酸锌，添加量为原料粉末总重量的0.5％。将金属基合金粉末和石墨粉末混合后，在V型混料机中，添加铜合金球进行混料，球料比为4：1，转速为60r/min，充分混合24h后得到均匀的混合粉末；

S3.热压：将得到的混合粉末装入石墨模具中，送入热压烧结炉，在大气环境中烧结，热压的烧结温度为1125℃，压力为2.2MPa，保温时间1h，随炉冷却至室温即得铜基自润滑复合材料。

本实施例的铜基自润滑复合材料的各项性能测试结果见表1；其金相图如图4所示，其与不锈钢对磨件的摩擦系数(载荷10N，转速0.1m/s)随时间变化规律如图5所示。

表1本发明实施例1～4所得产品的性能

摩擦学性能是在HT-1000型高温摩擦磨损试验机上进行的，实验参数为：载荷10N，转速0.1m/s，时间30min，温度为室温。

本发明所述的含银的铜基自润滑复合材料在室温和高温下都具有优异的力学性能，其摩擦系数小润滑性能好，图1～4显示了实施例1～4的微观结构组织，可以看到石墨均匀分布于铜合金基体之中，保证了复合材料优异的力学性能和良好的润滑性。

对比例1：

本对比例提供一种铜基自润滑材料，由以下重量百分比的合金成分组成：Cu：87.5％，镍：2.5％，石墨粉末：10％。其中金属基体气雾化合金粉末粒度小于40μm，氧含量低于500ppm，石墨粉末纯度高于99.5％，粒度小于40μm，其制作步骤如下：

S1.配料：将铜镍银气雾化合金粉末、石墨粉按上述重量百分比进行配料；

S2.混料：向配好的料中添加脱模剂，脱模剂为硬脂酸锌，添加量为原料粉末总重量的0.5％。将金属基合金粉末和石墨粉末混合后，在V型混料机中，添加铜合金球进行混料，球料比为4：1，转速为60r/min，充分混合24h后得到均匀的混合粉末；

S3.热压：将得到的混合粉末装入石墨模具中，送入热压烧结炉，在大气环境中烧结，热压的烧结温度为1115℃，压力为2MPa，保温时间1h，随炉冷却至室温即得铜基自润滑复合材料。

本对比例的铜基自润滑复合材料的各项性能测试结果见表2。

对比例2：

本对比例提供一种铜基自润滑材料，由以下重量百分比的合金成分组成：Cu粉：83.5％，Ni粉：3.5％，Ag粉：3％，石墨粉末：10％，其中铜粉和镍粉的粒度小于20μm，银粉的粒度小于4μm，氧含量低于500ppm，石墨粉末纯度高于99.5％，粒度小于40μm，其制作步骤如下：

S1.配料：将铜粉、镍粉、银粉和石墨粉按上述重量百分比进行配料；

S2.混料：向配好的料中添加脱模剂，脱模剂为硬脂酸锌，添加量为原料粉末总重量的0.5％。将金属基合金粉末和石墨粉末混合后，在V型混料机中，添加铜合金球进行混料，球料比为4：1，转速为60r/min，充分混合24h后得到均匀的混合粉末；

S3.热压：将得到的混合粉末装入石墨模具中，送入热压烧结炉，在大气环境中烧结，热压的烧结温度为1150℃，压力为2.3MPa，保温时间1h，随炉冷却至室温即得铜基自润滑复合材料。

本对比例的铜基自润滑复合材料的各项性能测试结果见表2。

对比例3：

本对比例提供一种铜基自润滑材料，由以下重量百分比的合金成分组成：Cu粉：84％，Ni粉：6％，石墨粉末：10％。其中铜粉和镍粉的粒度小于20μm，氧含量低于500ppm，石墨粉末纯度高于99.5％，粒度小于40μm，其制作步骤如下：

S1.配料：将铜粉末、镍粉末、石墨粉按上述重量百分比进行配料；

S2.混料：在V型混料机中向配好的料中添加铜合金球进行混料，球料比为4：1，转速为60r/min，充分混合24h后得到均匀的混合粉末；

S3.放电等离子烧结：将得到的混合粉末装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，在真空中烧结，烧结温度为900℃，压力为30MPa，升温速度100℃/min，保温时间10min，放电等离子烧结后即得铜基自润滑复合材料。

本对比例的铜基自润滑复合材料的各项性能测试结果见表2。

对比例4：

本对比例提供一种铜基自润滑材料，由以下重量百分比的合金成分组成：Cu粉：85％，Sn粉：5％，石墨粉末：10％。其中铜粉粒度小于20μm，锡粉粒度小于40μm，氧含量低于500ppm，石墨粉末纯度高于99.5％，粒度小于40μm，其制作步骤如下：

S1.配料：将铜粉、锡粉和石墨粉按上述重量百分比进行配料；

S2.混料：向配好的料中添加脱模剂，脱模剂为硬脂酸锌，添加量为原料粉末总重量的0.5％。将金属基合金粉末和石墨粉末混合后，在V型混料机中，添加铜合金球进行混料，球料比为4：1，转速为60r/min，充分混合24h后得到均匀的混合粉末；

S3.热压：将得到的混合粉末装入石墨模具中，送入热压烧结炉，在大气环境中烧结，热压的烧结温度为900℃，压力为30MPa，保温时间1h，随炉冷却至室温即得铜基自润滑复合材料。

本对比例的铜基自润滑复合材料的各项性能测试结果见表2。

表2本发明对比例1～4所得产品的性能

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于本领域的普通技术人员而言，在上述说明的基础上不脱离本发明的原则和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种铜基自润滑复合材料；其特征在于：所述铜基自润滑复合材料以质量百分比计；由下述组分组成：

Ni： 3~8%；

Ag： 1.5~3%；

石墨： 8~12%；

余量为Cu；

所述铜基自润滑复合材料通过以下步骤制备：

S1.配料：将铜镍银的雾化合金粉末和石墨粉末按上述质量百分比进行配料；铜镍银的雾化合金粉末采用液雾化方法或气雾化法制得，其粒度小于40µm，氧含量低于500ppm；

S2.混料：向S1配好的料添加脱模剂，在混料机中进行混料，充分混合后得到均匀的混合粉末；

S3.热压：将S2得到的混合粉末装入石墨模具中，送入热压烧结炉，在大气环境中烧结，随炉冷却后出炉，制得样品；

S2中所述脱模剂为硬脂酸锌；所述脱模剂的添加量为原料粉末总重量的0.5~1.5%；

步骤S2中添加铜合金球进行混料，球料质量比比为（3~6）：1；混料时间为24~36h，转速为50~80r/min；

步骤S3中，热压的烧结温度为900 - 1200℃，压力为1 - 40MPa，保温时间1h，冷却至室温即得铜基自润滑复合材料；

所得复合材料的室温压缩强度为160~201MPa，300℃的压缩强度为85~130MPa，与不锈钢对磨件的摩擦系数为0.158~0.172。

2.根据权利要求1所述的一种铜基自润滑复合材料；其特征在于：以质量百分比计，所述铜基自润滑复合材料有下述组分组成：Cu 83.5%、Ni 3.5%、Ag3%、石墨10%。

3.根据权利要求1所述的一种铜基自润滑复合材料，其特征在于：所使用石墨粉末的纯度大于99.5%，粒度小于40µm。

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