一種銅基耐磨耐沖擊雙金屬復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于自潤滑耐磨材料領(lǐng)域，涉及一種銅基耐磨耐沖擊雙金屬復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明所述復(fù)合材料適用于在經(jīng)受交變載荷沖擊作用下工作的自潤滑軸承、滑板、受電弓及航空泵用動(dòng)密封等部件，該復(fù)合材料在交變載荷作用下不產(chǎn)生裂紋且在油膜被破壞或油潤滑不充分的情況下自身仍具備良好的低摩擦、抗干磨特性。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代航空、航天、高速鐵路及電力等行業(yè)的應(yīng)用中普遍存在震動(dòng)、交變載荷和高速等極端苛刻工況，而其相關(guān)運(yùn)動(dòng)部件的潤滑、耐磨及密封性能的提高已成為影響整個(gè)系統(tǒng)可靠性和壽命的關(guān)鍵技術(shù)。因此，對在交變載荷作用下仍具有低摩擦、抗干磨性能的新型潤滑耐磨材料提出了迫切需求。
[0003]近年來，在銅基自潤滑耐磨材料和自潤滑合金方面，已經(jīng)進(jìn)行了許多卓有成效的工作，取得了比較好的潤滑效果(專利:CN101985703A、CN103436730A、CN102051553A、CN102925741A等)，多種材料已獲得了工程應(yīng)用。但大部分工作都集中在如何提高銅基復(fù)合材料的耐磨性能研究上，尚未檢索到既考慮材料的低摩擦耐磨損特性，又考慮材料耐沖擊性能的相關(guān)專利。而相關(guān)涉及銅基潤滑材料的沖擊韌性研究的論文(郭斌等“銅基受電弓滑板材料抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性研究”，材料科學(xué)與工藝，2003，I (11):59-63)得到Cu-石墨復(fù)合材料的最大沖擊韌性僅為1.38 J/cm2。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種同時(shí)具備良好摩擦磨損性能和耐沖擊性能的銅基耐磨耐沖擊雙金屬復(fù)合材料及其制備方法。
[0005]雙層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相比單層復(fù)合材料在提高復(fù)合材料韌性方面有它的優(yōu)勢，雙層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于“分層”效應(yīng)的存在，在交變載荷作用下由于交變載荷垂直于雙層結(jié)合界面，而雙層界面的結(jié)合又相比同種材料弱，所以在交變載荷作用下界面會(huì)產(chǎn)生二次裂紋，使垂直于結(jié)合界面的原始裂紋伸展受阻，并且松馳了應(yīng)力，因而可提高材料的韌性。因此，本發(fā)明基于雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用具有良好力學(xué)和耐沖擊性能的銅基合金CuSnlO為支撐層，設(shè)計(jì)以CuSnlO為基體，添加強(qiáng)化相、潤滑相等成分的潤滑層，制備了銅基耐磨耐沖擊雙金屬復(fù)合材料。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的一種銅基耐磨耐沖擊雙金屬復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料由支撐層和潤滑層組成，所述支撐層為CuSnlO合金，所述潤滑層由CuSnlO合金、強(qiáng)化相和潤滑相組成；所述強(qiáng)化相所含組分為鎳、鉻和鈦；所述潤滑相所含組分為二硫化鑰和石墨，所述潤滑層中各組分的質(zhì)量百分含量分別為:鎳:10?15%，鉻:0.5?1%，鈦:O ?1%, CuSnlO:67~79.5%，二硫化鑰:10 ?15%，石墨:0 ?1%。
[0007]銅基耐磨耐沖擊雙金屬復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟:
I)將鎳、鉻、鈦和CuSnlO的粉末按鎳:10?15%、鉻:0.5?1%、鈦:0?1%、CuSnlO:67~79.5%的質(zhì)量百分含量混合后采用濕法球磨15~20小時(shí)，轉(zhuǎn)速為300~400 r/min,球料質(zhì)量比為5:I 10:1，然后將—硫化鑰和石墨的粉末按—硫化鑰:10?15%、石墨:0?1%的質(zhì)量百分含量混合后加入上述混合物中，采用上述的濕法球磨工藝將其球磨5~10小時(shí)，混勻即可，經(jīng)烘干后，得到混合粉末；
2)稱取CuSnlO合金粉末和上述混合粉末在石墨模具中進(jìn)行分步雙層鋪粉，冷壓預(yù)成型，然后在真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，真空度> 1.0X10 2Pa,燒結(jié)溫度為65(T750°C，達(dá)到溫度后施加正壓力20?25MPa，保溫保壓時(shí)間為50?60min，隨爐自然冷卻，即可制備銅基耐磨耐沖擊雙金屬復(fù)合材料。
[0008]所述鎳、鉻、鈦、CuSnlO、二硫化鑰和石墨的純度均大于99.0%。
[0009]本發(fā)明銅基耐磨耐沖擊雙金屬復(fù)合材料的沖擊韌性在JB6型沖擊試驗(yàn)機(jī)測得(α KU)，而材料潤滑層的摩擦磨損性能在Μ-2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測得(200N，0.424m/s,Ih,大氣環(huán)境，Φ40πιπι的淬火45#鋼對偶環(huán),干磨狀態(tài))。
[0010]本發(fā)明所述的具備支撐層(沖擊韌性:55 J/cm2)和潤滑層(沖擊韌性:4 J/cm2)的新型雙層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，既具備易磨合、抗干磨、自潤滑、不粘銅的性能，又具備足夠的沖擊韌性(支撐層/潤滑層厚度比為7:3時(shí)，a KU>46J/cm2)。相對于很多潤滑材料，此種新型雙層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在經(jīng)受交變載荷作用下材料基體不產(chǎn)生裂紋，且在油潤滑不充分的情況下材料自身仍具備良好的低摩擦、抗干磨性能，并且在二硫化鑰和石墨的協(xié)同潤滑下材料的摩擦系數(shù)為0.349，磨損體積僅為0.53mm3。
[0011]綜上所述，本發(fā)明制備的銅基耐磨耐沖擊雙金屬復(fù)合材料同時(shí)具備良好的摩擦磨損性能和耐沖擊性能，滿足復(fù)雜工況條件下對自潤滑耐磨復(fù)合材料沖擊韌性的要求，可用于解決現(xiàn)代航空、航天、高速鐵路及電力等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中普遍存在的震動(dòng)、交變載荷和高速等極端苛刻工況下相關(guān)滑動(dòng)部件的潤滑和耐磨問題。
【具體實(shí)施方式】
[0012]為進(jìn)一步闡述本發(fā)明特提供以下實(shí)施例，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不限于以下實(shí)施例。
[0013]實(shí)施例1
銅基耐磨耐沖擊雙金屬復(fù)合材料潤滑層各組分及其質(zhì)量百分含量分別為:鎳:10%、鉻:0.5%、鈦:1%、CuSnlO:78.5%、二硫化鑰:10%。首先將純度大于99.0%的鎳、鉻、鈦、CuSnlO粉末按鎳:10%、鉻:0.5%、鈦:1%、CuSnlO:78.5%的質(zhì)量百分含量混合后采用濕法球磨20小時(shí)，轉(zhuǎn)速400r/min，球料比10:1，然后將粉末純度大于99.0%的二硫化鑰(11032)粉末按10%的質(zhì)量百分含量加入上述混合物中，再將上述混合物采用上述的濕法球磨工藝球磨5小時(shí)，混勻即可，經(jīng)烘干后，得到混合粉末，稱取支撐層合金粉末和上述混合粉末在石墨模具中進(jìn)行分步雙層鋪粉，冷壓預(yù)成型，然后在真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，真空度1.0 X 10 2Pa,燒結(jié)溫度為700°C，達(dá)到溫度后施加正壓力25MPa，保溫保壓時(shí)間為60min，隨爐自然冷卻，即可制備銅基耐磨耐沖擊雙金屬復(fù)合材料(支撐層和潤滑層的厚度比為7:3)。本實(shí)施方式制得的銅基復(fù)合材料，材料潤滑層的布氏硬度(HB)為192，抗壓強(qiáng)度為739MPa，抗彎強(qiáng)度為407MPa，摩擦系數(shù)為0.346，磨