CN1325676C - 无铅铜基高温自润滑复合材料 - Google Patents
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Abstract
无铅铜基高温自润滑复合材料，其特征在于复合材料的基体为铜合金，自润滑组元为石墨，其化学成份为：Ni+C+Sn+Zn+MX+Fe+Cu。其中的MX为以下非金属化合物或金属化合物中的任意一种：BN、Si3N4、SiC、Al2O3、TiN、TiC、Cr3C2；其中的C为石墨和碳纤维。本发明具有抗氧化，耐腐蚀与高温耐磨损等特性，能用于300～500℃范围的轴承和滑块。它的使用避免了含铅给人类环境带来的危害，因而是绿色的、环保的。
Description
技术领域：
本发明涉及自润滑复合材料，具体是一种无铅铜基高温自润滑复合材料。
背景技术：
铜基粉末冶金含油轴承和铜基合金轴瓦，其润滑剂多为各种润滑油脂，当温度超过350℃达到500℃时，因润滑油脂分解基体强度下降，导致材料摩擦系数增大，耐磨性降低，磨损急骤加大而失效。金属铅具有质软易变形、熔点低、与润滑油的亲和性好、边界润滑特性以及其价格便宜等特性，含铅锡青铜更具有优良的摩擦学特性，以及抗氧化性、耐腐蚀性等性能，在滑动轴承中得到普遍使用。然而，铅及铅元素属剧毒物质，长期广泛的使用含铅产品会给人类环境带来不可忽视的危害，随着环保化、绿色化意识的提高，各国对产品涉及环保和有害物质企业的管理态势更加严格，在追求产品高性能的同时，要求产品无铅化。无铅化的实施将使铜基滑动轴承材料减摩性能降低、顺应性变差、抗咬合等性能下降。如何使无铅铜基滑动轴承材料达到含铅铜基滑动轴承材料的性能，德国ArwedUecker、日本那须和重等人利用Zn取代铜基材料中的铅，研制的无铅铜基材料在低载荷电器产品轴承及汽车电刷方面得到应用。日本神谷等人研制的Cu-Sn-Ag轴承合金，在高速重载滑动条件下，固溶合金中锡、银向轴承表面富集，形成一层很薄的Sn-Ag软质附着层，起着降低摩擦、抵抗粘着的作用，具有较好的滑动轴承特性，在重载柴油发动机中得到应用。欧美等国研制的铝锡表面合金涂层、特殊树脂基二硫化钼涂层，利用软质涂层的减摩性能好、抗咬合的特点，也在高压滑动轴承中得到了应用。然而，无论是涂层材料还是Cu-Sn-Ag轴承合金，都存在不耐高温的问题。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是提供一种不含铅的、能在300℃--500℃时正常工作的无铅铜基高温自润滑复合材料。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
本发明无铅铜基高温自润滑复合材料的特点是复合材料的基体为铜合金，自润滑组元为石墨，其按重量百分比的组成为：Ni：5-15％、C：5-12％、Sn：4-8％、Zn：4-8％、MX：0.2-1.6％、Fe：1-3％、Cu余量；
其中的MX为以下非金属化合物或金属化合物中的任意一种：BN、Si3N4、SiC、Al2O3、TiN、TiC、Cr3C2。
其中的C为石墨和碳纤维，且碳纤维占材料总体积百分比为0.5-3％。
本发明所述的碳纤维直径为5-10μm，长度为1-3mm。
本发明中的石墨和碳纤维表面均采用复合镀。其镀层可以为：内层为铜镀层，外层为铁镀层：或：内层为铜镀层，外层为镍镀层；或：内层为镍磷合金镀层，外层为铜镀层。
本发明采用铜粉或预合金铜粉加入所需合金元素和相应的化合物以及表面经过化学镀的石墨粉和碳纤维，经混料、压制、烧结，复压复烧等工序制成所需材料。
本发明在铜基体中添加镍、铁、锡、锌等合金元素起固溶强化作用；加入的MX为非金属化合物或金属化合物两类，起到弥散强化作用，提高材料耐热性能和抗高温蠕变性能；加入碳纤维，使基体进一步增强增韧，从而提高热变形温度。由于润滑组元石墨和碳纤维与铜基体不相容，界面结合强度低，因此在石墨和碳纤维的表面采用化学镀，形成复合镀层，在烧结过程中，镀层与铜基体通过扩散、固溶、反应来提高界面结合强度，从而提高复合材料的高温力学性能。
经测定，本发明材料的主要技术参数如下表所示：
| 密度g/cm3 | 硬度HB | 抗压强度极限Mpa | 摩擦系数μ | 使用温度℃ |
| 6.5-7.5 | 32-80 | 180-430 | 0.12-0.25 | 300-500 |
本发明的有益效果体现在：
1、本发明的无铅化避免了广泛使用含铅产品会给人类环境带来的危害，对追求绿色、促进环保有着积极的意义。
2、本发明使铜基自润滑材料的最高使用温度由原先350℃提高到500℃。
3、本发明具有抗氧化，耐腐蚀、自润滑与高温耐磨损等特性，其应用领域广泛，主要用于200-500℃范围的轴承和导套，如用于食品加热机械上的轴承和滑块，工程机械高压泵侧板，用于铝压铸机和注塑机上的导套，用于钢厂轧机上的轧辊轴承套，钢包吊耳轴承，铁路机车和汽车发动机上耐温承载衬套以及等。
附图为本发明工艺流程图。
具体实施方式：
采用铜粉或预合金铜粉加入所需合金元素和相应的化合物以及表面经过化学镀的石墨粉和碳纤维，经混料、压制、烧结和后续加工制成所需材料。
实施例1：
用锡青铜预合金粉，加入-200目的镍粉、铁粉，超细氮化硼粉和经过表面复合镀的石墨粉和碳纤维。石墨粉为鳞片状天然石墨粉，碳纤维直径为5-10μm，长度为1-3mm，且碳纤维占材料总体积百分比为0.5-3％。石墨粉和碳纤维分别用化学镀，先镀铜后镀铁，形成Cu+Fe的复合镀层。具体化学成份见表1。
表1
| 元素 | Ni | C | Sn | BN | Zn | Fe | Cu |
| W(％) | 10 | 8 | 6 | 0.5 | 6 | 1.5 | 余量 |
将上述原料装入“V”型混料机中混合2小时。
把混合好的料装入钢制模具中，在液压机上单位压制压力为400MPa，压制成所需形状的压坯，将压坯放入氨分解保护气氛中，烧结温度880℃，保温60分钟。将烧后坯在500-600Mpa压力下复压，600-800℃退火处理。复合材料的力学性能见表2，摩擦磨损性能见表3。
表2 复合材料力学性能
| 密度g/cm3 | 硬度HB | 冲击韧性J/cm2 | 抗压强度Mpa | |
| 7.05 | 42 | 3.18 | 20℃ | 500℃ |
| 410 | 220 | |||
表3 复合材料的摩擦磨损性能
| 温度 | 20℃ | 200℃ | 350℃ | 500℃ | ||||
| 指标 | μ | w | μ | w | μ | w | μ | w |
| 数值 | 0.20 | 4.36 | 0.20 | 6.83 | 0.22 | 16.36 | 0.23 | 49.12 |
表中，μ为摩擦系数，w为磨损体积(10-11m3)
摩擦系数在MG-200高速高温摩擦磨损试验机进行。
磨损试验采用大越式高温摩擦磨损试验机进行，试验条件为：干摩擦磨损状况，对磨材料为Cr12钢，试验温度在空气中从室温到500℃，摩擦线速度0.51m/s、载荷2.6Kg，每次磨损试验行程为600M.
实施例2：
用锡青铜预合金粉，加入-200目的镍粉、铁粉、超细氮化硼粉和经过表面复合镀的石墨粉和碳纤维。石墨粉为鳞片状天燃石墨粉，碳纤维直径为5-10μm，长度为1-3mm，且碳纤维占材料总体积百分比为0.5-3％。石墨粉和碳纤维用化学镀，先镀镍磷合金再镀铜，形成Ni-P+Cu的复合镀层。具体化学成份见表4。
表4
| 元素 | Ni | C | Sn | BN | Zn | Fe | Cu |
| w(％) | 5 | 12 | 4 | 0.2 | 8 | 3 | 余量 |
将上述原料装入“V”型混料机中混合2小时。把混合好的料装入石墨模具中，在热压机上压制成所需形状的压坯。复合材料的力学性能见表5，摩擦磨损性能见表6。
表5 复合材料力学性能
| 密度g/cm3 | 硬度HB | 冲击韧性J/cm2 | 抗压强度MPa | |
| 6.5 | 32 | 2.05 | 20℃ | 500℃ |
| 350 | 180 | |||
表6 复合材料的摩擦磨损性能
| 温度 | 20℃ | 200℃ | 350℃ | 500℃ | ||||
| 指标 | μ | w | μ | w | μ | w | μ | w |
| 数值 | 0.12 | 2.94 | 0.13 | 5.64 | 0.16 | 11.20 | 0.14 | 66.72 |
实施例3：
用锡青铜预合金粉，加入-200目的镍粉、铁粉、超细氮化硼和经过表面复合镀的石墨粉和碳纤维。石墨粉为鳞片状天然石墨粉，碳纤维直径为5-10μm，长度为1-3mm，且碳纤维占材料总体积百分比为0.5-3％。石墨粉和碳纤维用化学镀，先镀铜后镀铁，形成Cu+Fe的复合镀层。具体化学成份见表7。
表7
| 元素 | Ni | C | Sn | BN | Zn | Fe | Cu |
| w(％) | 15 | 5 | 8 | 1.6 | 4 | 1 | 余量 |
将上述原料装入“V”型混料机中混合2小时。把混合好的料装入钢制模具中，在液压机上单位压制压力为400MPa，压制成所需形状的压坯，将压坯放入氨分解保护气氛中，烧结温度850℃，保温60分钟，再经复压复烧。复合材料的力学性能见表8。复合材料的摩擦磨损性能见表9。
表8 复合材料力学性能
| 密度g/cm3 | 硬度HB | 冲击韧性J/cm2 | 压缩强度MPa | |
| 7.5 | 80 | 3.62 | 20℃ | 500℃ |
| 430 | 260 | |||
表9 复合材料的摩擦磨损性能
| 温度 | 20℃ | 200℃ | 350℃ | 500℃ | ||||
| 指标 | μ | w | μ | w | μ | w | μ | w |
| 数值 | 0.20 | 4.75 | 0.22 | 9.62 | 0.23 | 19.35 | 0.25 | 53.23 |
实施例4：
用100目电解铜粉，加入-200目的镍粉、钼粉、铁粉锌粉、锡粉、超细氮化硼和经过表面复合镀的石墨粉和碳纤维。石墨粉为鳞片状天然石墨粉，碳纤维直径为5-10μm，长度为1-3mm，且碳纤维占材料总体积百分比为0.5-3％。石墨粉和碳纤维用化学镀，先镀铜层，后镀镍层，形成Cu+Ni的复合镀层。具体化学成份见表10。
表10
| 元素 | Ni | C | Sn | BN | Zn | Fe | Cu |
| w(％) | 8 | 10 | 5 | 0.8 | 5 | 2 | 余量 |
将上述原料装入“V”型混料机中混合2小时。把混合好的料装入钢制模具中，在液压机上单位压制压力为400MPa，压制成所需形状的压坯，将压坯放入氨分解保护气氛中，烧结温度850℃，保温60分钟，再经复压复烧。复合材料的力学性能见表11，复合材料的摩擦磨损性能表12。
表11 复合材料力学性能
| 密度g/cm3 | 硬度HB | 冲击韧性J/cm2 | 抗压强度MPa | |
| 7.2 | 52 | 3.31 | 20℃ | 500℃ |
| 413 | 226 | |||
表12 复合材料的摩擦磨损性能
| 温度 | 20℃ | 200℃ | 350℃ | 500℃ | ||||
| 指标 | μ | w | μ | w | μ | w | μ | w |
| 数值 | 0.16 | 3.80 | 0.16 | 7.73 | 0.18 | 15.20 | 0.17 | 48.60 |
实施例5：
用锡青铜预合金粉，加入-200目的镍粉、铁粉、超细氮化硼和经过表面复合镀的石墨粉和碳纤维。石墨粉为鳞片状天然石墨粉，碳纤维直径为5-10μm，长度为1-3mm，且碳纤维占材料总体积百分比为0.5-3％。石墨粉和碳纤维用化学镀，先镀铜层，后镀铁层，形成Cu+Fe的复合镀层。具体化学成份见表13。
表13
| 元素 | Ni | C | Sn | BN | Zn | Fe | Cu |
| w(％) | 9 | 6 | 7 | 1.0 | 7 | 1.6 | 余量 |
将上述原料装入“V”型混料机中混合2小时。把混合好的料装入钢制模具中，在液压机上单位压制压力为400MPa，压制成所需形状的压坯，将压坯放入氨分解保护气氛中，烧结温度850℃，保温60分钟，再经复压复烧。复合材料的力学性能见表14。复合材料的摩擦磨损性能见表15。
表14 复合材料力学性能
| 密度g/cm3 | 硬度HB | 冲击韧性J/cm2 | 压缩强度MPa | |
| 7.1 | 46 | 3.22 | 20℃ | 500℃ |
| 396 | 215 | |||
表15 复合材料的摩擦磨损性能
| 温度 | 20℃ | 200℃ | 350℃ | 500℃ | ||||
| 指标 | μ | w | μ | w | μ | w | μ | w |
| 数值 | 0.18 | 4.15 | 0.19 | 8.26 | 0.21 | 16.19 | 0.22 | 43.80 |
实施例6：
用锡青铜预合金粉，加入-200目的镍粉、铁粉、超细氮化硼和经过表面复合镀的石墨粉和碳纤维。石墨粉为鳞片状天然石墨粉，碳纤维直径为5-10μm，长度为1-3mm，且碳纤维占材料总体积百分比为0.5-3％。石墨粉和碳纤维用化学镀，先镀铜层，后镀镍层，形成Cu+Ni的复合镀层。具体化学成份见表16。
表16
| 元素 | Ni | C | Sn | BN | Zn | Fe | Cu |
| w(％) | 12 | 7 | 4.5 | 1.1 | 6.5 | 2.5 | 余量 |
将上述原料装入“V”型混料机中混合2小时。把混合好的料装入钢制模具中，在液压机上单位压制压力为400MPa，压制成所需形状的压坯，将压坯放入氨分解保护气氛中，烧结温度850℃，保温60分钟，再经复压复烧。复合材料的力学性能见表17。复合材料的摩擦磨损性能见表18。
表17 复合材料力学性能
| 密度g/cm3 | 硬度HB | 冲击韧性J/cm2 | 压缩强度MPa | |
| 7.0 | 65 | 3.08 | 20℃ | 500℃ |
| 420 | 240 | |||
表18 复合材料的摩擦磨损性能
| 温度 | 20℃ | 200℃ | 350℃ | 500℃ | ||||
| 指标 | μ | w | μ | w | μ | w | μ | w |
| 数值 | 0.19 | 4.77 | 0.20 | 7.83 | 0.21 | 14.52 | 0.21 | 39.45 |
针对上述实施例1～6，将其中的BN等量更换为Si3N4或SiC或Al2O3或TiN或TiC或Cr3C2，采用相同的制作工艺，同样可实现本发明目的。
Claims (5)
1、一种无铅铜基高温自润滑复合材料，其特征在于复合材料的基体为铜合金，自润滑组元为石墨，其按重量百分比的组成为：
Ni：5-15％、 C：5-12％、 Sn：4-8％、 Zn：4-8％、
MX：0.2一1.6％、 Fe：1-3％、 Cu余量；
其中的MX为以下非金属化合物或金属化合物中的任意一种：BN、Si3N4、SiC、Al2O3、TiN、TiC、Cr3C2。
其中的C为石墨和碳纤维，且碳纤维占材料总体积百分比为0.5-3％。
2、根据权利要求1所述的复合材料，其特征是所述的碳纤维直径为5-10μm，长度为1-3mm。
3、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于石墨和碳纤维表面均采用复合镀；其镀层中的内层为铜镀层，外层为铁镀层。
4、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于石墨和碳纤维表面均采用复合镀；其镀层中的内层为铜镀层，外层为镍镀层。
5、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于石墨和碳纤维表面均采用复合镀；其内层为镍磷合金镀层，外层为铜镀层。
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