CN1603449A - 一种含纳米颗粒的铜合金复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金材料领域，特别涉及用于制造液压泵动密封静环所用的含纳米颗粒的铜合金复合材料。该复合材料的化学组成成分(重量％)为：石墨1－5％,粒径为＜70μm；钠米镍1－5％，平均粒径40－60nm；氧化铝1－5％，平均粒径140－160nm，其中＜100nm占15－17％；余量为6－6－3铜合金，粒径为＜70μm。本发明与现有技术相比具有机械强度高，耐磨减摩性好，密封效果好，寿命长的优点。用本发明材料制造的液压泵轴尾动密封静环，加速寿命试验130小时，其平均泄漏量为≯0.0076ml/h，试车后分解泵检查，静环密封面无目视可见磨损，与浸铜石墨材料比，在实际工作能力提高一倍的情况下，平均泄漏量降低近20倍。

Description

一种含纳米颗粒的铜合金复合材料

技术领域

本发明属于冶金材料领域，特别涉及用于制造液压泵动密封静环所用的含纳米颗粒的铜合金复合材料。

背景技术

在现有技术中，机械密封(又称端面密封，统称动密封)广泛应用于各工业领域。在旋转机械动密封装置中，90％以上为机械密封，即采用动静环端面紧贴合并依靠相对摩擦运动来实现密封。因而动静环的摩擦副材料选择及其摩擦学行为至关重要，它直接影响泄漏率和密封寿命。

漏油是液压传动与控制技术的主要缺点之一，消除泄漏是国际流体动力工业的重要议题。国内外动密封材料大多采用石墨基产品。例如，日本专利特开平8-219287介绍的密封环，其材质是由膨胀石墨、金属箔或织物构成的复合材料。美国专利US4415165报道的动密封材料为弹性石墨。美国专利US4601475关于用于阻止油或气体渗透的环状多层材料是由膨胀石墨与合成橡胶、合成纤维组成的复合材料。上述石墨基材料由于整体机械强度和耐磨性能差，而且脆性大，加工性不好，特别在压力增大情况下，常出现急剧磨损和大量泄漏，使用寿命受到一定限制。

目前国内主要采用浸铜石墨作为动密封材料。该材料利用石墨基体存在的20-30％孔隙，采用热等静压等方法进行金属浸渍，已得到广泛应用。但由于石墨中的孔隙分布不均，且大小不同，使得所浸渍的金属分布不均，有金属的地方比较耐磨，但金属过于集中则容易磨损对磨材料；无金属的地方，只有石墨，则不耐磨。在装配试车中发现，浸铜石墨不易磨合，密封压力调节范围窄，液压泵的动静压试验一次合格率低，需反复排故，致使生产周期加长，产品质量不稳定。

发明内容

本发明目的是提供一种机械强度高，耐磨减摩性好，密封效果好，寿命长的液压泵动密封静环用含纳米颗粒的铜合金复合材料。

根据上述目的，本发明具体解决方案为：该复合材料具体化学组成成份(重量％)为：石墨1-5％，粒径＜70μm；镍1-5％，平均粒径40-60nm；氧化铝1-5％，平均粒径140-160nm，其中＜100nm占15-17％；余量为6-6-3铜基合金(Sn5.0-7.0％，Zn5.0-7.0％，Pb2.0-4.0％，其余为铜)，粒径＜70μm。

上述技术方案的工作原理为：由于在铜合金基体中添加几种不同特点的粉末材料，使其相互取长补短，获得了机械性能、化学性能、摩擦学性能多种性能都理想的新材料。本发明材料有保持自润滑的软相，又有保持高强度的硬相，满足了摩擦副要求的低摩擦轻磨损的目的。

本发明在铜合金中添加石墨，是因为石墨具有良好的自润滑性能，但其强度低，耐磨性差。铜合金则具有良好的机械强度和耐磨性能，但润滑性差。采用铜合金-石墨复合材料可获得良好的综合性能。将石墨的添加量规定为1-5％，是因为当石墨含量低于1％时，无法获得足够的自润滑性能；超过5％，将使材料的抗弯抗压强度下降，并降低耐磨性能。添加纳米镍，是为了活化烧结，提高烧结性能。由于纳米镍表面活性高，具有小尺寸效应，因此可促进烧结过程，使元素之间的结合力增强。本发明材料由于纳米镍的添加，机械强度明显增加，石墨分布更加均匀，耐磨性得到提高，表明了纳米镍的活化作用。其添加量为1-5％，是因为小于1％，活化作用不明显；超过5％，活化作用的增加不大，而且纳米镍价格昂贵，也不利于降低材料成本。添加纳米氧化铝是为了提高材料的耐磨减摩性能。在摩擦条件下，纳米氧化铝作为高强度硬相，可缓解试样表面下区域内的磨损变形，不仅可发挥其优异的耐磨性，还可提高减摩性。同时，纳米氧化铝以小体积分数的第二相引入铜合金软基体中，可产生弥散强化效果。本发明材料由于纳米氧化铝的添加，提高了抗弯抗压强度，就证明了这一点。纳米氧化铝的添加量为1-5％，是因为小于1％，其弥散强化的效果不明显；大于5％，则由于非金属添加量的增加，反而容易降低材料的机械性能。至于选择6-6-3铜基合金作为材料基体，是因为它耐蚀性好，耐磨和减摩性能优于其它合金。

由于铜合金与石墨、氧化铝不发生化学反应，而且铜合金颗粒表面粘附石墨、氧化铝后将严重阻碍烧结的进行，因此，采用一般的粉末冶金烧结方法，铜合金的烧结强度大大下降，甚至出现粉化，使烧结无法进行。为此，本发明采用了放电等离子烧结技术。放电等离子可使物质之间瞬间产生数千度局部高温，使粉末颗粒表面产生气化和熔融现象，在放电冲击压力下，发生溅射作用，去除吸附气体，冲破氧化薄膜和石墨阻碍，在加压状态下，粉末颗粒接触后，迅速扩散，形成连接部分，牢固地烧结在一起。本发明放电等离子烧结工艺参数为：烧结温度750-850℃，压力20-40Mpa，烧结时间10-15分钟。

本发明与现有技术相比具有机械强度高，耐磨减摩性好，密封效果好，寿命长的优点。本发明材料具有较高的抗弯强度和抗压强度，与浸铜石墨材料，其磨损性能提高一倍以上。用本发明材料和放电等离子烧结机制造的液压泵轴尾动密封静环，加速寿命试验130小时，其平均泄漏量为≯0.0076mL/h，试车后分解泵检查，静环密封面无目视可见磨损，与浸铜石墨材料比，在实际工作能力提高一倍的情况下，平均泄漏量降低近20倍。

具体实施方式

采用本发明复合材料的具体化学组成成份，按表1组成进行配料、混合，然后在放电等离子烧结机上进行加压烧结，烧结温度750℃，压力20Mpa，烧结时间10分钟，制得机械性能试样4批，其中1-4号为本发明的复合材料，5号为对比例浸铜石墨，分别在DL-1000电力拉力机上测定抗弯强度，在50吨万能试验机上测定抗压强度，最终试验结果所得出的抗弯强度和抗压强度的性能指标如表1所示。

表1本发明复合材料具体化学组成成份(重量％)和性能指标表

批号	化学组成(重量％)				性能指标
							石墨粒径＜70μm	纳米镍平均粒径40-60nm	纳米氧化铝平均粒径140-160nm，其中＜100nm占15-17％	6-6-3铜合金粒径＜70μm	抗弯强度MPa	抗压强度MPa
	1	3	5	5	余量	300							480
2							3	5	3	余量	220	450
	3	1	3	5	余量	250							470
4							5	1	1	余量	200	420
	5	浸铜石墨				85							300

根据上述测定结果，可计算出，本发明材料平均抗弯强度和抗压强度分别为浸铜石墨的2.9倍和1.5倍。

采用上述表1中所示的批号为1的具体化学组成成份：石墨3％，纳米镍5％，纳米氧化铝5％，余量为6-6-3铜合金组成进行配料，充分混合后在放电等离子烧结机上进行加压烧结，烧结温度850℃，压力40Mpa，烧结时间15分钟，制得条形试样，试样尺寸为6mm×7mm×35mm，试验面粗糙度R1.6。用MM-200试验机，采用条环方式进行摩擦磨损试验。为进行对比，对石墨浸铜材料也采用同样方式进行试验。试验条件和参数为：环试件转速200r/min，正压力200N，磨损时间2h。环试件经YH-10航空液压油浸泡，开始运转时用浸油毛刷给环试件涂油一次。环试件尺寸为40mm×16mm×10mm，试验面粗糙度R0.2，材料为12CrNi3A，表面渗碳0.55mm，硬度55HRC。最终试验结果所得出的磨损宽度平均值，本发明材料为0.89mm，石墨浸铜材料为1.02mm。根据相对耐磨性ε＝ε1/ε2(ε1表示浸铜石墨磨损宽度，ε2表示本发明材料磨损宽度)可计算出，本发明材料平均耐磨性约为浸铜石墨的1.2倍。

采用上述表1中所示的批号为1的具体化学组成成份：石墨3％，纳米镍5％，纳米氧化铝5％，余量为6-6-3铜合金组成进行配料，制作的液压泵轴尾动密封的静环，代替原用的浸铜石墨静环，进行了加速寿命试验。单应力加速下，泵的转速和出口压力分别提高144-217％及115-138％，试验60h；双应力加速下，转速和出口压力同时提高(转速提高193-217％，出口压力提高138-151％)，试验70h。轴尾动密封的实际工作能力为额定工作条件下的二倍。试验结果是加速试验130h泄漏量≯1mL，平均泄漏量为≯0.0076mL/h，试车后分解泵检查，静环密封面无目视可见磨损。而浸铜石墨材料在额定工作条件下的平均泄漏量为0.155mL/h。与此相比，本发明材料所制造的液压泵轴尾动密封静环，在实际工作能力提高一倍的情况下，其平均泄漏量降低近20倍。

Claims (1)

1、一种含纳米颗粒的铜合金复合材料，其化学组成成份(重量％)为：石墨1-5％，粒径为＜70μm；钠米镍1-5％，平均粒径40-60nm；氧化铝1-5％，平均粒径140-160nm，其中＜100nm占15-17％；余量为6-6-3铜合金，粒径为＜70μm。