CN114908271B - 一种耐高温铜合金基固体润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耐高温铜合金基固体润滑复合材料，该复合材料由质量分数百分比为90~95%的耐热铜合金粉末和5~10%的石墨润滑剂组成。本发明还公开了该复合材料的制备方法。本发明所得材料具有硬度高、强度高、摩擦系数低、磨损率低、对环境友好等特点，而且制备工艺简单、可控性好、应用范围广泛，适合在室温至500℃无油工况下使用；同时作为固体润滑材料在电力、能源、机械加工和轨道交通等领域具有重要的应用前景，可用于高温复杂工况下的滑动部件，如滑动轴承、轴套、滑块等。

Description

一种耐高温铜合金基固体润滑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属基固体润滑材料技术领域，尤其涉及一种耐高温铜合金基固体润滑复合材料及其制备方法。
背景技术
铜合金及其复合材料由于优异的导电性、导热性、抗腐蚀性能和摩擦学性能，被广泛应用于电力、能源、机械加工和轨道交通等领域，如各种导电触头、电刷，高速列车受电弓滑板、滑动轴衬和轴瓦等。在高温环境及高速滑动过程中引起的摩擦热往往超过300 ℃，而润滑油脂在温度高于300 ℃时会加速分解甚至焦化，而一般的铜基固体润滑材料在高温下强度低、磨损率高，因此这就对该类材料的高温减摩抗磨性能提出了较高的要求。
铜镍铝合金是一类强度高、高温稳定性好、抗蚀性强的结构材料，可通过添加锡、锌、铁和锰等合金元素起到固溶强化作用，从而提高其力学性能和耐热性，并可通过加入石墨或软金属等作为润滑剂来改善摩擦学性能。专利CN1641237A在铜镍合金中加入石墨、碳纤维和铅作为润滑剂，获得的产品主要用于200~500 ℃温度范围，摩擦系数为0.15~0.25。专利CN107586989A通过在铜合金中加入石墨、银和铅作为润滑剂，获得了室温至300 ℃具有减摩抗磨性能的产品。这些方法中，银和铅作为一种固体润滑剂可以起到改善材料高温摩擦学性能的作用，但是银是一种贵金属，成本高，而铅作为一种污染物会严重影响人的身体健康；并且这些方法工艺复杂、生产成本高，也不能满足在室温至500 ℃的更高的摩擦学性能要求。因此，对开发出满足经济实用、环境友好的高性能铜合金基固体润滑复合材料具有迫切的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种性能良好的耐高温铜合金基固体润滑复合材料。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该耐高温铜合金基固体润滑复合材料的制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种耐高温铜合金基固体润滑复合材料，其特征在于：该复合材料由质量分数百分比为90~95%的耐热铜合金粉末和5~10%的石墨润滑剂组成。
所述耐热铜合金粉末按下述方法制得：按质量百分比计，将16.5~17.8%的Ni、2.5~3.5%的Al、0.9~1.6%的Fe、0.7~1.2%的Cr、0.7~1.2%的Mn和0.6~1.1%的稀土元素以及余量为Cu，在氩气气氛下进行高能球磨即得。
所述高能球磨的条件是指球料比为1~2:1，转速为200~300 r/min，球磨时间为6~8h，磨罐和磨球均为碳化钨硬质合金。
所述石墨润滑剂为鳞片状石墨粉，其颗粒大小为25~35 μm。
如上所述的一种耐高温铜合金基固体润滑复合材料的制备方法，其特征在于：首先按配比称重；然后将耐热铜合金粉末和石墨润滑剂经低能球磨得到混合粉末，该混合粉末置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结完成后随炉冷却至室温，即得铜合金基固体润滑复合材料。
所述低能球磨的条件是指球料比为1~2:1，转速为200~250 r/min，球磨时间为4~6h，磨罐和磨球均为304钢。
所述热压烧结的条件是指真空度低于8×10-1Pa，升温速度为5~15 ℃/min，烧结温度为850~920℃，施加压力为25~40MPa，保温时间40~60min。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过设计制备一种无铅铜镍铝耐高温合金，并在此基础上添加石墨润滑剂来提高铜合金基复合材料在高温下的摩擦学性能，满足铜合金基复合材料在室温至500℃温度范围内的减摩抗磨性能要求。
2、本发明所制备的铜基固体润滑复合材料具有硬度高、力学性能优异的特点，其硬度为70~121 HB，抗压强度为196~424 MPa，抗弯强度为191~290 MPa。同时，该材料摩擦系数较低并且稳定，磨损率较低，在室温至500 ℃范围内具有良好的摩擦学性能。
3、本发明制备工艺简单，通过配方和工艺的调整就可以调控材料性能。
4、本发明不含铅等有害金属元素，对环境友好，可用于食品加工机械。
5、本发明成本低、经济效益高、应用范围广泛，适合在室温至500 ℃无油工况下使用；同时作为固体润滑材料在电力、能源、机械加工和轨道交通等领域具有重要的应用前景，可用于高温复杂工况下的滑动部件，如滑动轴承、轴套、滑块等。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的工艺流程图。
图2为本发明实施例2制备的铜合金基固体润滑复合材料在25 ℃、300 ℃和500℃下的摩擦曲线。
图3为本发明实施例3制备的铜合金基固体润滑复合材料在25 ℃、300 ℃和500℃的磨损率。
具体实施方式
如图1所示，一种耐高温铜合金基固体润滑复合材料，该复合材料由质量分数百分比（g/g）为90~95%的耐热铜合金粉末和5~10%的石墨润滑剂组成。
其中：耐热铜合金粉末按下述方法制得：按质量百分比（g/g）计，将16.5~17.8%的Ni、2.5~3.5%的Al、0.9~1.6%的Fe、0.7~1.2%的Cr、0.7~1.2%的Mn和0.6~1.1%的稀土元素以及余量为Cu置于高能球磨机中，在氩气气氛下进行高能球磨，球料比为1~2:1，转速为200~300 r/min，球磨时间为6~8 h，磨罐和磨球均为碳化钨硬质合金。球磨结束即得。
石墨润滑剂为鳞片状石墨粉，其颗粒大小为25~35μm。
该复合材料的制备方法：首先按配比称重；然后将耐热铜合金粉末和石墨润滑剂放入低能球磨机中，球料比为1~2:1，转速为200~250 r/min，球磨时间为4~6 h，磨罐和磨球均为304钢。球磨结束得到混合粉末，该混合粉末置于真空热压烧结炉中，于真空度低于8×10-1Pa、升温速度为5~15 ℃/min、烧结温度为850~920℃、施加压力为25~40MPa、保温时间40~60min的条件下进行热压烧结，烧结完成后随炉冷却至室温，即得铜合金基固体润滑复合材料。
实施例1
95g的耐热铜合金粉末中添加5g的石墨润滑剂，然后通过低能球磨机在球料比1:1，转速为200 r/min，混合时间为4 h的条件下混合均匀。随后将混合粉末装入石墨模具中，置于真空热压烧结炉中烧结。烧结参数为：真空度低于8×10-1Pa、升温速度为15 ℃/min、烧结温度为780℃、压力为25MPa、保温时间40min。烧结结束后，随炉冷却至室温得到耐高温铜合金基固体润滑复合材料。
其中：耐热铜合金粉末按下述方法制得：将16.5%的Ni、2.8%的Al、1.2%的Fe、0.9%的Cr、0.8%的Mn和0.8%的Re以及余量为Cu置于高能球磨机中，充入氩气，球料比为2:1，在200 r/min转速条件下球磨8 h，即得。
对所得复合材料进行性能测试：
采用阿基米德原理测量其密度为7.2 g/cm3。
采用布式硬度计测试其硬度为121 HB，测试条件为：施加载荷为30 Kg，加载时间为30 s。
力学性能采用CMT-5205万能材料试验机进行测试，压缩和三点弯曲位移速率为0.1 mm/min；该复合材料的抗压强度为424 MPa，抗弯强度为290 MPa。
高温摩擦学性能采用HT-1000高温摩擦磨损试验机进行评价，对偶球为316不锈钢，载荷为5 N，滑动速度为0.20 m/s，摩擦半径为5 mm，滑动距离为360 m，运行时间为30min，测试温度为25 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃。该复合材料在室温至500℃的温度范围内摩擦系数为0.10~0.27，磨损率为(0.26~3.5) ×10-4 mm3/Nm。
实施例2
92.5g的耐热铜合金粉末中添加7.5g的石墨润滑剂，然后通过低能球磨机在球料比2:1，转速为250 r/min，混合时间为5 h的条件下混合均匀。随后将混合粉末装入石墨模具中，置于真空热压烧结炉中烧结。烧结参数为：真空度低于8×10-1Pa、升温速度为10 ℃/min、烧结温度为850 ℃、压力为30 MPa、保温时间60 min。烧结结束后，随炉冷却至室温得到耐高温铜合金基固体润滑复合材料。
其中：耐热铜合金粉末按下述方法制得：将16.5%的Ni、2.8%的Al、1.1%的Fe、1.0%的Cr、0.9%的Mn和0.8%的Re以及余量为Cu置于高能球磨机中，充入氩气，球料比为2:1，在250 r/min转速条件下球磨6 h，即得。
对所得复合材料进行高温摩擦学性能测试，测试方法同实施例1。测试结果如图2所示：
所得复合材料在室温至500 ℃的温度范围内摩擦系数为0.04~0.17，磨损率为(0.36~1.5) ×10-4 mm3/Nm。所制备的材料在室温至500 ℃摩擦系数低并且稳定，磨损率低，具有良好的减摩抗磨性能。
实施例3
90g的耐热铜合金粉末中添加10g的石墨润滑剂，然后通过低能球磨机在球料比2:1，转速为250 r/min，混合时间为6 h的条件下混合均匀。随后将混合粉末装入石墨模具中，置于真空热压烧结炉中烧结。烧结参数为：真空度低于8×10-1Pa、升温速度为10 ℃/min、烧结温度为900 ℃、压力为35 MPa、保温时间60 min。烧结结束后，随炉冷却至室温得到耐高温铜合金基固体润滑复合材料。
其中：耐热铜合金粉末按下述方法制得：将16.5%的Ni、2.8%的Al、1.2%的Fe、1.1%的Cr、1.0%的Mn和1.0%的Re以及余量为Cu置于高能球磨机中，充入氩气，球料比为2:1，在300 r/min转速条件下球磨6 h，即得。
对所得复合材料进行高温摩擦学性能测试，测试方法同实施例1。测试结果如图3所示：
所得复合材料在室温至500 ℃的温度范围内摩擦系数为0.06~0.17，磨损率为(1.0~3.8) ×10-5mm3/Nm。所制备的材料在室温至500 ℃摩擦系数低并且稳定，磨损率低，具有良好的减摩抗磨性能。

Claims (4)

1.一种耐高温铜合金基固体润滑复合材料，其特征在于：该复合材料由质量分数百分比为90~95%的耐热铜合金粉末和5~10%的石墨润滑剂组成；所述耐热铜合金粉末按下述方法制得：按质量百分比计，将16.5~17.8%的Ni、2.5~3.5%的Al、0.9~1.6%的Fe、0.7~1.2%的Cr、0.7~1.2%的Mn和0.6~1.1%的稀土元素以及余量为Cu，在氩气气氛下进行高能球磨即得；所述高能球磨的条件是指球料比为1~2:1，转速为200~300 r/min，球磨时间为6~8 h，磨罐和磨球均为碳化钨硬质合金；
该复合材料的制备方法：首先按配比称重；然后将耐热铜合金粉末和石墨润滑剂经低能球磨得到混合粉末，该混合粉末置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结完成后随炉冷却至室温，即得铜合金基固体润滑复合材料。
2.如权利要求1所述的一种耐高温铜合金基固体润滑复合材料，其特征在于：所述石墨润滑剂为鳞片状石墨粉，其颗粒大小为25~35 μm。
3.如权利要求1所述的一种耐高温铜合金基固体润滑复合材料，其特征在于：所述低能球磨的条件是指球料比为1~2:1，转速为200~250 r/min，球磨时间为4~6 h，磨罐和磨球均为304钢。
4.如权利要求1所述的一种耐高温铜合金基固体润滑复合材料，其特征在于：所述热压烧结的条件是指真空度低于8×10-1Pa，升温速度为5~15 ℃/min，烧结温度为850~920℃，施加压力为25~40MPa，保温时间40~60min。
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