無鉛銅基滑動軸承材料及其製備方法
2023-06-04 19:55:31
專利名稱：：無鉛銅基滑動軸承材料及其製備方法
技術領域：
：本發明涉及滑動軸承材料，更具體地說是一種無鉛銅基滑動軸承材料及其製備方法。
背景技術：
：鉛具有質軟易變形、熔點低、邊界潤滑特性佳等特性，作為銅基滑動軸承材料的重要組元而得到普遍使用，如Cu-10Sn-10Pb、Cu-3Sn-24Pb是最為常見的汽車發動機滑動軸承材料，含鉛銅基滑動軸承材料具有較好的減摩、抗粘著等特性。然而，鉛及其化合物屬劇毒物質，使用含鉛產品會給人類環境帶來不可忽視的危害。對銅基滑動軸承材料而言，如何在無鉛條件下仍保持良好減摩、抗粘著等特性，顯得尤為重要。減摩特性較好的軟質相石墨在銅基複合材料中的應用較為普遍，銅基石墨複合材料可作為無鉛銅基滑動軸承材料使用，可是銅與石墨界面結合差，石墨對銅合金基體有割裂作用，銅基石墨滑動軸承材料的性能受石墨含量的制約，石墨含量低時，減摩、抗粘著性能不足，石墨含量高時，強度、硬度下降，而且單純石墨的抗粘著特性也不如低熔點金屬鉛。無毒低熔點金屬元素鉍與鉛相似，和銅、鋁不溶，以游離態形式存在於銅、鋁合金中，對合金基體的強度影響較小，摩擦過程中因摩擦熱引起鉍熔化而在摩擦表面形成具有抗粘、減摩作用的膜，從而改善複合材料的摩擦磨損特性，已率先在鋁基複合材料中得到應用。將金屬元素鉍引入到銅基軸承材料中也可起減摩、抗粘著作用，然而鉍的硬度比鉛略高，延展性也比鉛稍差，因而使其減摩、抗粘著性能比鉛弱，所以銅鉍軸承材料的摩擦學性能不如銅鉛軸承材料。
發明內容本發明是針對上述現有技術所存在的不足之處，提供一種無鉛銅基滑動軸承材料及其製備方法，以期利用石墨的減摩特性與鉍的抗粘著特性的協同作用取代銅基軸承材料中鉛，實現銅基軸承材料的無鉛化。本發明解決技術問題採用如下技術方案本發明無鉛銅基滑動軸承材料的特點是所述材料按重量百分比的構成為鎳5-15°/。、錫3-10%、鋅0-5%、鐵0-5%、石墨1-5%、鉍2-15%、銅60-80%、助劑0.1-1%。本發明無鉛銅基滑動軸承材料的特點也在於所述石墨表面具有銅鎳複合鍍層，所述銅和鎳包括石墨表面形成的銅鎳複合鍍層中的銅和鎳，所述銅鎳複合鍍層中的銅和鎳的含量按重量百分比均為具有銅鎳複合鍍層的石墨總量的30%。所述助劑為聚乙烯醇、聚乙二醇、硬脂酸、硬脂酸鋅、矽烷偶聯劑、矽酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽的任一種，或其複合物。本發明無鉛銅基滑動軸承材料的製備方法的特點是按如下步驟操作a、將助劑按2-25%的重量百分比濃度溶解於水或溶劑中，再與石墨混合併攪拌均勻，得助劑與石墨的混合料；b、將步驟a所得助劑與石墨混合料與其他組元混合併攪拌均勻，得混合物料；c、將步驟b所述混合物料經復壓復燒製得無鉛銅基滑動軸承材料。本發明無鉛銅基滑動軸承材料的製備方法的特點也在於按如下步驟操作a、採用化學鍍方法在石墨表面形成銅和鎳複合鍍層；b、將助劑按2-25%的重量百分比濃度溶解於水或溶劑中，再與含有複合鍍層的石墨混合併攪拌均勻，得助劑與石墨的混合料；c、將步驟b所得助劑與石墨混合料與其他組元混合併攪拌均勻，得混合物料；d、將步驟c所述混合物料經復壓復燒製得無鉛銅基滑動軸承材料。本發明無鉛銅基滑動軸承材料的製備方法的特點還在於所述復壓復燒的過程為完成混配的混合物料裝入鋼製模具中，在單位壓制壓力為600Mpa的液壓機上壓製成所需形狀的壓坯，將所述壓坯放入氨分解保護氣氛中進行燒結，燒結溫度為880'C，保溫時間為60分鐘；燒結好的坯料再復壓復燒，復壓壓力為500MPa，復燒溫度為700'C，保溫30分鐘，製得無鉛銅基滑動軸承材料。與已有技術相比，本發明有益效果體現在1、本發明以石墨與鉍作為複合潤滑組元，利用石墨的減摩特性與鉍的抗粘著特性的協同作用取代銅基軸承材料中鉛的作用，實現了銅基軸承材料無鉛化。2、減摩特性較好的軟質相石墨在銅基複合材料中的應用較為普遍，但由於銅與石墨存在界面結合差、石墨對銅合金基體有割裂作用、混料不均等問題，而且單純石墨的抗粘著特性也不如低熔點金屬鉛，以及銅基石墨滑動軸承材料的性能受石墨含量制約，石墨含量低時，減摩、抗粘著性能不足，石墨含量高時，強度、硬度下降。因此，本發明運用電化學方法在石墨顆粒表面沉積多組分複合鍍層，實現非金屬表面的金屬化，有效改善了石墨與銅合金基體之間的潤溼性，提高界面結合強度，從而提高銅基軸承材料的力學及摩擦學性能。3、本發明在材料製備時加入相應助劑，有效改善了各種粉料之間的沾附性，使複合材料不分層，不偏析，實現複合材料組織結構與性能的均勻性。4、本發明利用抗粘著性能較好的無毒低熔點金屬元素鉍的複合添加，改善了單純石墨抗粘著特性的不足，儘量降低石墨的用量，解決了銅基石墨滑動軸承材料的強度和韌性問題。5、本發明軸承材料，無論是減摩、抗粘著特性，還是強度、韌性都達到甚至超過了現有含鉛銅基軸承材料Cu-10Sn-10Pb，實現了銅基軸承材料無鉛化，符合綠色、環保的發展趨勢。以下通過具體實施方式對本發明作進一步說明。具體實施方式具體實施中，無鉛銅基滑動軸承材料按重量百分比的構成為鎳5-15%、錫3-10%、鋅0-5°/。、鐵0-5%、石墨1-5%、鉍2-15%、銅60-80%、助劑0.1-1%。上述組成中的銅和鎳包括石墨表面形成的銅鎳複合鍍層中的銅和鎳，銅鎳複合鍍層中的銅和鎳的含量按重量百分比均為具有銅鎳複合鍍層的石墨總量的30%。助劑為聚乙烯醇、聚乙二醇、硬脂酸、硬脂酸鋅、矽烷偶聯劑、矽酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽的任一種，或其複合物；具體實施中，無鉛銅基滑動軸承材料可以按如下過程製作步驟l、將助劑按2-25%的重量百分比濃度溶解於水或溶劑中，再與石墨混合併攪拌均勻，得助劑與石墨的混合料；步驟2、將步驟l所得助劑與石墨混合料與其他組元混合併攪拌均勻，得混合物料；步驟3、將步驟2所述混合物料經復壓復燒製得無鉛銅基滑動軸承材料。具體實施中，無鉛銅基滑動軸承材料也可以按如下過程操作-步驟l、採用化學鍍方法在石墨表面形成銅和鎳複合鍍層；步驟2、將助劑按2-25°/。的重量百分比濃度溶解於水或溶劑中，再與含有複合鍍層的石墨混合併攪拌均勻，得助劑與石墨的混合料；步驟3、將步驟2所得助劑與石墨混合料與其他組元混合併攪拌均勻，得混合物料；步驟4、將步驟3所得混合物料經復壓復燒製得無鉛銅基滑動軸承材料。復壓復燒的過程是完成混配的混合物料裝入鋼製模具中，在單位壓制壓力為600Mpa的液壓機上壓製成所需形狀的壓坯，將壓坯放入氨分解保護氣氛中進行燒結，燒結溫度為88(TC，保溫時間為60分鐘；燒結好的坯料再復壓復燒，復壓壓力為500MPa，復燒溫度為700°C，保溫30分鐘，製得無鉛銅基滑動軸承材料。實施例1，本實施例按如下步驟進行材料的製備1、用200目錫青銅預合金粉，加入200目的鎳粉、鋅粉、鐵粉以及鉍粉充分混勻；2、將助劑按2-25%的重量百分比濃度充分溶解於水或乙醇溶劑中，並與表面有複合鍍層的300目的石墨粉混勻；3、把步驟1和2的兩種粉末充分混勻並晾乾，經復壓復燒製得無鉛銅基滑動軸承材料。具體化學成份見表l，所製得的無鉛銅基軸承材料的力學性能見表2，摩擦磨損性能見表3，磨損試驗在端面摩擦磨損試驗機上進行，對磨材料為Crl2鋼，壓力5Mpa，線速度為0.4m/s，浸32號機械油，試驗時間3小時。tableseeoriginaldocumentpage6摩擦磨損試驗過程中，摩擦係數與摩擦溫升小表示銅基軸承材料的減摩、抗粘性能好，磨損量低表示銅基軸承材料的耐磨性能好。經過3小時的摩擦磨損試驗，由表3看出，幹摩擦條件下摩擦副平均摩擦係數為0.26，摩擦溫升為160'C，磨損量36.83x10—9m3,表明無鉛銅基軸承材料的減摩耐磨性能較好；浸油潤滑條件下，由於液固潤滑減摩的聯合作用，摩擦副平均摩擦係數更小，摩擦溫升很低，磨損量也很小，表明無鉛銅基軸承材料在浸油潤滑條件下體現出了更好的減摩耐磨性能。實施例2:材料製備方法、性能檢測方法和條件與實施例1相同，調整無鉛銅基軸承材料的化學成份，具體化學成份見表4，無鉛銅基軸承材料的力學性能見表5，無鉛銅基軸承摩擦磨損性能見表6。表4無鉛銅基軸承材料化學成份tableseeoriginaldocumentpage7表5無鉛銅基軸承材料力學性能tableseeoriginaldocumentpage7表6無鉛銅基軸承材料的摩擦磨損性能tableseeoriginaldocumentpage7經過3小時的摩擦磨損試驗，由表6看出，幹摩擦條件下摩擦副平均摩擦係數為0.23，摩擦溫升為152°C，磨損量31.67xl(r9m3，表明無鉛銅基軸承材料的減摩耐磨性能較好；浸油潤滑條件下，由於液固潤滑減摩的聯合作用，摩擦副平均摩擦係數更小，摩擦溫升很低，磨損量也很小，表明無鉛銅基軸承材料在浸油潤滑條件下體現出了更好的減摩耐磨性能。實施例3:材料製備方法、性能檢測方法和條件與實施例1、2相同，所不同的是調整無鉛銅基軸承材料的成份，具體化學成份見表7，無鉛銅基軸承材料的力學性能見表8，無鉛銅基軸承摩擦磨損性能見表9。表7無鉛銅基軸承材料化學成份tableseeoriginaldocumentpage7表8無鉛銅基軸承材料力學性能tableseeoriginaldocumentpage7tableseeoriginaldocumentpage8經過3小時的摩擦磨損試驗，由表9看出，幹摩擦條件下摩擦副平均摩擦係數為0.21，摩擦溫升為147°C，磨損量26.13xl0—9m3，表明無鉛銅基軸承材料的減摩耐磨性能較好；浸油潤滑條件下，由於液固潤滑減摩的聯合作用，摩擦副平均摩擦係數更小，摩擦溫升很低，磨損量也很小，表明無鉛銅基軸承材料在浸油潤滑條件下體現出了更好的減摩耐磨性能。實施例4:材料製備方法、性能檢測方法和條件與實施例1、2、3相同，調整無鉛銅基軸承材料的化學成份，具體化學成份見表10，無鉛銅基軸承材料的力學性能見表11，無鉛銅基軸承摩擦磨損性能見表12。tableseeoriginaldocumentpage8經過3小時的摩擦磨損試驗，由表12看出，幹摩擦條件下摩擦副平均摩擦係數為0.22，摩擦溫升為15(TC，磨損量30.59X10—9m3，表明無鉛銅基軸承材料的減摩耐磨性能較好；浸油潤滑條件下，由於液固潤滑減摩的聯合作用，摩擦副平均摩擦係數更小，摩擦溫升很低，磨損量也很小，表明無鉛銅基軸承材料在浸油潤滑條件下體現出了更好的減摩耐磨性能。實施例5:材料製備方法、性能檢測方法和條件與實施例1、2、3、4相同，調整無鉛銅基軸承材料的化學成份，具體化學成份見表13，無鉛銅基軸承材料的力學性能見表14，無鉛銅基軸承摩擦磨損性能見表15。表13無鉛銅基軸承材料化學成份元素MSnZnFeBiGr助劑Cuw(%)10621250.6餘量表14無鉛銅基軸承材料力學性能密度g/cm3硬度HB衝擊韌性J/cm2壓潰強度MPa7.02524.59289表15無鉛銅基軸承材料的摩擦磨損性能摩擦係數磨損量o-V摩擦溫升。C浸油潤滑0.0221.3165幹磨擦0.2134.35140經過3小時的摩擦磨損試驗，由表15看出，千摩擦條件下摩擦副平均摩擦係數為0.21，摩擦溫升為140°C，磨損量34.35xl(T9rn3，表明無鉛銅基軸承材料的減摩耐磨性能較好；浸油潤滑條件下，由於液固潤滑減摩的聯合作用，摩擦副平均摩擦係數更小，摩擦溫升很低，磨損量也很小，表明無鉛銅基軸承材料在浸油潤滑條件下體現出了更好的減摩耐磨性能。實施例6:本實施例按如下步驟進行材料的製備1、用200目錫青銅預合金粉，加入200目的鎳粉、鋅粉、鐵粉以及鉍粉充分混勻；2、將助劑按2-25%的重量百分比濃度充分溶解於水或乙醇溶劑中，並與300目的石墨粉混勻；3、把步驟1和2的兩種粉末充分混勻並晾乾，經復壓復燒製得無鉛銅基滑動軸承材料。性能檢測方法和條件與實施例1、2、3、4、5相同，調整無鉛銅基軸承材料的化學成份，具體化學成份見表16，無鉛銅基軸承材料的力學性能見表17，無鉛銅基軸承摩擦磨損性能見表18。表16無鉛銅基軸承材料化學成份tableseeoriginaldocumentpage10表17無鉛銅基軸承材料力學性能tableseeoriginaldocumentpage10經過3小時的摩擦磨損試驗，由表18看出，幹摩擦條件下摩擦副平均摩擦係數為0.28，摩擦溫升為187'C，磨損量57.35X10—9m3，表明無鉛銅基軸承材料的減摩耐磨性能較好；浸油潤滑條件下，由於液固潤滑減摩的聯合作用，摩擦副平均摩擦係數更小，摩擦溫升很低，磨損量也很小，表明無鉛銅基軸承材料在浸油潤滑條件下體現出了更好的減摩耐磨性能。相同的配方組分，由於選用的是沒有表面鍍層的普通石墨，所以表18與表3相比，相應無鉛銅基軸承材料的減摩耐磨性能稍差。實施例7:材料製備方法與實施例6相同，性能檢測方法和條件與實施例1、2、3、4、5、6相同，調整無鉛銅基軸承材料的化學成份，具體化學成份見表19，無鉛銅基軸承材料的力學性能見表20，無鉛銅基軸承摩擦磨損性能見表21。tableseeoriginaldocumentpage11經過3小時的摩擦磨損試驗，由表21看出，幹摩擦條件下摩擦副平均摩擦係數為0.23，摩擦溫升為165°C，磨損量61.35xl0—9m3，表明無鉛銅基軸承材料的減摩耐磨性能較好；浸油潤滑條件下，由於液固潤滑減摩的聯合作用，摩擦副平均摩擦係數更小，摩擦溫升很低，磨損量也很小，表明無鉛銅基軸承材料在浸油潤滑條件下體現出了更好的減摩耐磨性能。相同的配方組分，由於選用的是沒有表面鍍層的普通石墨，所以表21與表15相比，相應無鉛銅基軸承材料的減摩耐磨性能稍差。權利要求1、一種無鉛銅基滑動軸承材料，其特徵是所述材料按重量百分比的構成為鎳5-15％、錫3-10％、鋅0-5％、鐵0-5％、石墨1-5％、鉍2-15％、銅60-80％、助劑0.1-1％。2、根據權利要求1所述的無鉛銅基滑動軸承材料，其特徵是所述石墨表面具有銅鎳複合鍍層，所述銅和鎳包括石墨表面形成的銅鎳複合鍍層中的銅和鎳，所述銅鎳複合鍍層中的銅和鎳的含量按重量百分比均為具有銅鎳複合鍍層的石墨總量的30%。3、根據權利要求1或2所述的無鉛銅基滑動軸承材料，其特徵是所述助劑為聚乙烯醇、聚乙二醇、硬脂酸、硬脂酸鋅、矽烷偶聯劑、矽酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽的任一種，或其複合物。4、權利要求1所述的無鉛銅基滑動軸承材料的製備方法，其特徵是按如下步驟操作a、將助劑按2-25%的重量百分比濃度溶解於水或溶劑中，再與石墨混合併攪拌均勻，得助劑與石墨的混合料；b、將步驟a所得助劑與石墨混合料與其他組元混合併攪拌均勻，得混合物料；c、將步驟b所述混合物料經復壓復燒製得無鉛銅基滑動軸承材料。5、權利要求2所述的無鉛銅基滑動軸承材料的製備方法，其特徵是按如下步驟操作a、採用化學鍍方法在石墨表面形成銅和鎳複合鍍層；b、將助劑按2-25%的重量百分比濃度溶解於水或溶劑中，再與含有複合鍍層的石墨混合併攪拌均勻，得助劑與石墨的混合料；c、將步驟b所得助劑與石墨混合料與其他組元混合併攪拌均勻，得混合物料；d、將步驟c所述混合物料經復壓復燒製得無鉛銅基滑動軸承材料。6、根據權利要求4或5所述無鉛銅基滑動軸承材料的製備方法，其特徵是所述復壓復燒的過程為完成混配的混合物料裝入鋼製模具中，在單位壓制壓力為600MPa的液壓機上壓製成所需形狀的壓坯，將所述壓坯放入氨分解保護氣氛中進行燒結，燒結溫度為88(TC，保溫時間為60分鐘；燒結好的坯料再復壓復燒，復壓壓力為500MPa，復燒溫度為700'C，保溫30分鐘，製得無鉛銅基滑動軸承材料。全文摘要無鉛銅基滑動軸承材料及其製備方法，其特徵是材料的構成鎳、錫、鋅、鐵、石墨、鉍、銅和助劑，本發明材料基體為無鉛銅合金，減摩、抗粘著組元為鉍和石墨。銅基軸承材料強度高，減摩、抗粘著性能優良，實現了銅基軸承材料無鉛化。本發明將原含鉛銅基軸承材料中的鉛取消，利用鉍和石墨的協同作用取代鉛的作用，完全克服了鉛汙染的缺陷，且軸承的使用性能基本不變，可完全代替含鉛銅基軸承材料。本發明材料可以在食品機械、藥品機械、工程機械、汽車等產品中應用，可減摩、抗粘著性能好、散熱效果好，並且抗氧化、耐腐蝕。文檔編號B22F3/12GK101576118SQ20091011697公開日2009年11月11日申請日期2009年6月15日優先權日2009年6月15日發明者俞建衛,尹延國,焦明華,明田,挺解,馬少波申請人:合肥工業大學