專利名稱：一種環(huán)保無鉛銅基自潤滑材料及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種新型銅基自潤滑材料及其制備方法，具體地說是涉及用一種采用 Al替代傳統(tǒng)銅基自潤滑材料中的1 的新型材料及其制備工藝，屬于冶金材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋼-銅雙金屬減摩材料不僅賦予材料良好的減摩性能和較好的抗咬合性，同時(shí)材料具有高的強(qiáng)度和硬度，增強(qiáng)材料的耐磨性能，可以較好的滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦的要求。現(xiàn)有汽車軸瓦用青銅基自潤滑材料中常含有大量的鉛，如CuI^blOSnlO，CuI^bMSn， cuPb23sn3)等。由于1 及其化合物的劇毒性，發(fā)達(dá)國家出臺(tái)了很多相關(guān)的法規(guī)限制和禁止使用含鉛的材料，如從2006年7月1日開始實(shí)施的歐盟RoHS(有害物質(zhì)限定規(guī)定)指令， 對(duì)我國約六成機(jī)電產(chǎn)品出口歐盟造成重大影響。隨著國外限鉛令的逐步實(shí)施和國內(nèi)環(huán)保意識(shí)的不斷提高，我國開發(fā)無鉛銅基自潤滑材料的呼聲日益高漲。鋁和鉛同為面心立方結(jié)構(gòu)，具有良好的塑性變形能力，國內(nèi)外研究人員曾嘗試采用鋁代鉛生產(chǎn)新型銅基自潤滑材料，但由于采用粉末冶金燒結(jié)法制備鋁代鉛銅基自潤滑材料時(shí)，在燒結(jié)過程中鋁容易氧化，在自潤滑材料與鋼背之間易生成氧化鋁，嚴(yán)重影響合金層和鋼背的結(jié)合強(qiáng)度，目前，尚無成功研制的系統(tǒng)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是提供一種具有較好的結(jié)合性能和良好的摩擦磨損性能的環(huán)保無鉛銅基自潤滑材料。本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是提供一種所制造的雙金屬自潤滑材料具有較好的結(jié)合性能和良好的摩擦磨損性能的環(huán)保無鉛銅基自潤滑材料制備工藝。為了解決上述第一個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明提供的環(huán)保無鉛銅基自潤滑材料，銅合金粉的成分為霧化CuSnSNi 1，粒度為-200目，Al粉粒度為-200目，質(zhì)量配比為90 96霧化 CuSn8Nil 粉，4 10 鋁。為了解決上述第二個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明提供的制備環(huán)保無鉛銅基自潤滑材料的工藝如下(1)混料把成分為霧化CuSnSNi 1，粒度為-200目的銅合金粉和粒度為_200目的Al粉按質(zhì)量配比為90 96霧化CuSnSNil粉，4 10鋁先預(yù)混合在一起，在混料機(jī)中混合均勻；(2)制作支撐鋼背采用鋼板按壓坯尺寸制作支撐鋼背，支撐鋼背表面電鍍銅，電鍍銅層厚度8 15 μ m ；⑶鋪粉采用特殊的多層鋪粉方式，且各層粉末成分配比不同，把混合均勻的原料粉均勻鋪在鋼背上。嚴(yán)格精確控制每層粉的厚度，確保操作規(guī)范。若鋪粉左右不均勻，會(huì)造成板料后期軋制時(shí)側(cè)彎；任何形式的鋪粉不均勻均會(huì)影響合金層的表面質(zhì)量，從而影響材料使用性能。(4)松裝燒結(jié)采用松裝燒結(jié)的方法，把鋪粉后的樣品放入燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)。初燒是保證材料具有優(yōu)良性能的關(guān)鍵工序。初燒溫度選擇850士 10°C，保溫30-45min。(5)初軋根據(jù)燒結(jié)后樣品收縮率，決定初軋下率。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)最終成品厚度確定了相應(yīng)的鋼板預(yù)留軋制厚度和粉體的收縮率及軋制量，初燒收縮率越大，相應(yīng)的初軋軋制量就變小； 反之，收縮率越小，相應(yīng)的初軋軋制量就必然要加大。(6)復(fù)燒將經(jīng)步驟0)(5)所得的無鉛自潤滑材料，在燒結(jié)爐中復(fù)燒。復(fù)燒溫度選擇 830 士 10°C，保溫 15-30min。(7)復(fù)軋將經(jīng)步驟(6)制得的自潤滑材料在不可逆二輥冷軋機(jī)上進(jìn)行復(fù)軋，使材料尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求。復(fù)軋環(huán)節(jié)除考慮繼續(xù)提高合金層的密度和改善組織的均勻性外，還要著重考慮批次合金板材的厚度一致性以及下道退火終軋工序的軋制收縮余量，軋制壓下率控制為
3% — 5%。(8)退火及精軋將經(jīng)步驟(7)制得的材料在燒結(jié)爐中進(jìn)行退火處理，消除加工硬化。然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行精軋校平。上述步驟(5)中初軋采用不可逆二輥冷軋機(jī)。上述步驟(7)中復(fù)軋采用不可逆二輥冷軋機(jī)。采用上述技術(shù)方案的環(huán)保無鉛銅基自潤滑材料及其制備工藝，采用Al來替代傳統(tǒng)銅基自潤滑材料中的1 。通過把Al粉和銅合金粉混合在一起，然后采用多層鋪粉方式然后經(jīng)松裝燒結(jié)、軋制等工藝環(huán)節(jié)制得新型環(huán)保自潤滑復(fù)合材料。本發(fā)明獲得的新型自潤滑材料主要物理機(jī)械性能見表1.本發(fā)明獲得的新型自潤滑軸瓦材料能滿足汽車軸瓦的要求，具體性能見實(shí)施例。表1鋁代鉛自潤滑材料主要物理機(jī)械性能
密度(g/cm3)孔隙度(％)表觀硬度(HB)抗壓強(qiáng)度(MPa)4. 0 6. 2< 10. 015 60^ 100本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有含鉛銅基自潤滑材料，其優(yōu)點(diǎn)如下(1)本發(fā)明在國內(nèi)外首次采用Al替代1 ，用粉末冶金方法制備無鉛自潤滑材料， 其生產(chǎn)工藝簡單易控，制備成本低。并避免了傳統(tǒng)青銅自潤滑材料含毒重金屬鉛從而對(duì)人體和環(huán)境帶來污染的問題。(2)通過控制銅合金粉和Al粉的比例，采用特殊的梯度鋪粉方式，解決了 Al燒結(jié)困難的問題，使銅自潤滑層和鋼背結(jié)合良好，確保自潤滑復(fù)合材料有良好的力學(xué)性能。
(3)本發(fā)明制備的新型環(huán)保無鉛自潤滑復(fù)合材料，具有優(yōu)異的摩擦磨損性能和良好的力學(xué)性能，同時(shí)還具有高強(qiáng)度、耐腐蝕等特點(diǎn)，在飛機(jī)、高速列車和汽車等軍民領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1 無鉛環(huán)保自潤滑軸承材料自潤滑軸承材料組成為銅合金粉的成分為霧化CuSnSNi 1，粒度為-200目，Al粉粒度為-200目，質(zhì)量配比為94%霧化CuSn8Nil粉，6%電解鋁粉。制造工藝如下各組分按配比混合均勻后采用三維混料器混合均勻；采用厚度2. 5mm的45號(hào)鋼板加工成鋼背，鍍銅，鍍層厚度8 μ m，采用梯度鋪粉的方式把混合均勻的原料均勻的鋪在鋼背上，合金粉厚度為8mm ；松裝加壓燒結(jié)工藝如下快速升溫至850，保溫45min，通氫氣保護(hù)， 然后水冷至室溫出爐；在不可逆二輥冷軋機(jī)上進(jìn)行初軋，初軋使合金層厚度為4. 5mm ；再在 830下進(jìn)行復(fù)燒，保溫時(shí)間為30min，通氫氣保護(hù)；在不可逆二輥冷軋機(jī)上進(jìn)行復(fù)軋，軋下率為5% ；然后進(jìn)行退火和精軋?zhí)幚?。摩擦磨損性能采用美國UMT3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，介質(zhì)為飛天玉柴油，轉(zhuǎn)速η = 900rpm，載荷為50N，平均摩擦因數(shù)μ = 0.089，磨痕寬度為1095 μ m。市場上廣泛使用的、經(jīng)后續(xù)鍍層處理CuSnlOI^blO軸瓦材料，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，其摩擦因數(shù)μ = 0.089，磨痕寬度為1163 μ m。實(shí)施例2 無鉛環(huán)保自潤滑軸承材料自潤滑軸承材料組成為銅合金粉的成分為霧化CuSnSNi 1，粒度為-200目，Al粉粒度為-200目，質(zhì)量配比為96%霧化CuSn8Nil粉，4%電解鋁粉。制造工藝如下各組分按配比混合均勻后采用三維混料器混合均勻；采用厚度2. 5mm的45號(hào)鋼板加工成鋼背，鍍銅，鍍層厚度15 μ m，采用梯度鋪粉的方式把混合均勻的原料均勻的鋪在鋼背上，合金粉厚度為8mm ；松裝加壓燒結(jié)工藝如下快速升溫至850°C，保溫45min，通氫氣保護(hù)，然后水冷至室溫出爐；在二輥不可逆冷軋機(jī)上進(jìn)行初軋，初軋使合金層厚度為4. 5mm ； 再在830°C下進(jìn)行復(fù)燒，保溫時(shí)間為30min，通氫氣保護(hù)；在不可逆二輥冷軋機(jī)上進(jìn)行復(fù)軋， 軋下率為5% ；然后進(jìn)行退火和精軋?zhí)幚?。摩擦磨損性能采用美國UMT3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，介質(zhì)為飛天玉柴油，轉(zhuǎn)速η = 1500rpm，載荷為50N，平均摩擦因數(shù)μ = 0. 068，磨痕寬度為995 μ m。實(shí)施例3 無鉛環(huán)保自潤滑軸承材料自潤滑軸承材料組成為銅合金粉的成分為霧化CuSnSNi 1，粒度為-200目，Al粉粒度為-200目，質(zhì)量配比為:90%霧化CuSnSNil粉，10%鋁。制造工藝如下
各組分按配比混合均勻后采用三維混料器混合均勻；采用厚度2. 5mm的45號(hào)鋼板加工成鋼背，鍍銅，鍍層厚度12 μ m，采用梯度鋪粉的方式把混合均勻的原料均勻的鋪在鋼背上，合金粉厚度為8mm ；松裝加壓燒結(jié)工藝如下快速升溫至840°C，保溫30min，通氫氣保護(hù)，然后水冷至室溫出爐；在不可逆二輥冷軋機(jī)上進(jìn)行初軋，初軋使合金層厚度為4. 5mm ； 再在820°C下進(jìn)行復(fù)燒，保溫時(shí)間為15min，通氫氣保護(hù)；在不可逆二輥冷軋機(jī)上進(jìn)行復(fù)軋， 軋下率為3% ；然后進(jìn)行退火和精軋?zhí)幚怼ＤΣ聊p性能采用美國UMT3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，介質(zhì)為飛天玉柴油，轉(zhuǎn)速η = 1500rpm，載荷為50N，平均摩擦因數(shù)較低，磨損量也較小。實(shí)施例4 無鉛環(huán)保自潤滑軸承材料自潤滑軸承材料組成為銅合金粉的成分為霧化CuSnSNi 1，粒度為-200目，Al粉粒度為-200目，質(zhì)量配比為:92%霧化CuSnSNil粉，8%鋁。制造工藝如下各組分按配比混合并采用三維混料器混合40min ；采用厚度2. 5mm的低碳鍍銅鋼板加工成鋼背，采用梯度鋪粉的方式把混合均勻的原料均勻的鋪在鋼背上，合金粉厚度為 8mm ；松裝加壓燒結(jié)工藝如下快速升溫至860°C，保溫40min，通氫氣保護(hù)，然后水冷至室溫出爐；在不可逆二輥冷軋機(jī)上進(jìn)行初軋，初軋使合金層厚度為4. 5mm ；再在840°C下進(jìn)行復(fù)燒，保溫時(shí)間為20min，通氫氣保護(hù)；在不可逆二輥冷軋機(jī)上進(jìn)行復(fù)軋，軋下率為4% ；然后進(jìn)行退火和精軋?zhí)幚怼ＤΣ聊p性能采用美國UMT3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，介質(zhì)為飛天玉柴油，轉(zhuǎn)速η = 900rpm，載荷為120N，平均摩擦因數(shù)較小，低于0. 02，體積磨損也較小，自潤滑材料層的磨痕寬度僅為1mm。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)保無鉛銅基自潤滑材料，其特征是銅合金粉的成分為霧化CuSnSNil，粒度為-200目，Al粉粒度為-200目，質(zhì)量配比為90 96霧化CuSn8Nil粉，4 10鋁。
2.制備權(quán)利要求1所述的環(huán)保無鉛銅基自潤滑材料的工藝，其特征是步驟如下(1)混料把成分為霧化CuSnSNi 1，粒度為-200目的銅合金粉和粒度為-200目的Al粉按質(zhì)量配比為90 96霧化CuSn8Nil粉，4 10鋁先預(yù)混合在一起，混合均勻；(2)制作支撐鋼背采用鋼板按壓坯尺寸制作支撐鋼背，支撐鋼背表面電鍍銅，電鍍銅層厚度8 15 μ m ；(3)鋪粉采用梯度鋪粉方式把混合均勻的原料粉均勻鋪在鋼背上；(4)松裝燒結(jié)采用松裝燒結(jié)的方法，把鋪粉后的樣品放入燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，初燒溫度850士 10°C， 保溫 30-45min ；(5)初軋根據(jù)燒結(jié)后樣品收縮率，決定初軋下率，設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)最終成品厚度確定相應(yīng)的鋼板預(yù)留軋制厚度和粉體的收縮率及軋制量；(6)復(fù)燒將經(jīng)步驟G)、(5)所得的無鉛自潤滑材料，在燒結(jié)爐中復(fù)燒，復(fù)燒溫度830士 10°C，保溫 15-30min ；(7)復(fù)軋將經(jīng)步驟(6)制得的自潤滑材料在冷軋機(jī)上進(jìn)行復(fù)軋，使材料尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求，軋制壓下率控制為3% 5% ；(8)退火及精軋將經(jīng)步驟(7)制得的材料在燒結(jié)爐中進(jìn)行退火處理，消除加工硬化，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行精軋校平。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備環(huán)保無鉛銅基自潤滑材料的工藝，其特征是上述步驟 (5)中初軋采用不可逆二輥冷軋機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的制備環(huán)保無鉛銅基自潤滑材料的工藝，其特征是上述步驟(7)中復(fù)軋采用不可逆二輥冷軋機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種環(huán)保無鉛銅基自潤滑材料及其制備工藝，銅合金粉的成分為霧化CuSn8i1，粒度為-200目，Al粉粒度為-200目，質(zhì)量配比為90～96霧化CuSn8Ni1粉，4～10鋁。制備工藝步驟如下(1)混料、(2)制作支撐鋼背、(3)鋪粉、(4)松裝燒結(jié)、(5)初軋、(6)復(fù)燒、(7)復(fù)軋、(8)退火及精軋。本發(fā)明是具有較好的結(jié)合性能和良好的摩擦磨損性能的環(huán)保無鉛銅基自潤滑材料及其制備工藝。
文檔編號(hào)B21B37/00GK102228991SQ201110163148
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者丁莉, 姚萍屏, 趙林 申請(qǐng)人:中南大學(xué)