CN101576118B - 无铅铜基滑动轴承材料及其制备方法 - Google Patents

无铅铜基滑动轴承材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

无铅铜基滑动轴承材料及其制备方法，其特征是材料的构成镍、锡、锌、铁、石墨、铋、铜和助剂，本发明材料基体为无铅铜合金，减摩、抗粘着组元为铋和石墨。铜基轴承材料强度高，减摩、抗粘着性能优良，实现了铜基轴承材料无铅化。本发明将原含铅铜基轴承材料中的铅取消，利用铋和石墨的协同作用取代铅的作用，完全克服了铅污染的缺陷，且轴承的使用性能基本不变，可完全代替含铅铜基轴承材料。本发明材料可以在食品机械、药品机械、工程机械、汽车等产品中应用，可减摩、抗粘着性能好、散热效果好，并且抗氧化、耐腐蚀。

Description

无铅铜基滑动轴承材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及滑动轴承材料，更具体地说是一种无铅铜基滑动轴承材料及其制备方法。
背景技术
铅具有质软易变形、熔点低、边界润滑特性佳等特性，作为铜基滑动轴承材料的重要组元而得到普遍使用，如Cu-10Sn-10Pb、Cu-3Sn-24Pb是最为常见的汽车发动机滑动轴承材料，含铅铜基滑动轴承材料具有较好的减摩、抗粘着等特性。然而，铅及其化合物属剧毒物质，使用含铅产品会给人类环境带来不可忽视的危害。对铜基滑动轴承材料而言，如何在无铅条件下仍保持良好减摩、抗粘着等特性，显得尤为重要。
减摩特性较好的软质相石墨在铜基复合材料中的应用较为普遍，铜基石墨复合材料可作为无铅铜基滑动轴承材料使用，可是铜与石墨界面结合差，石墨对铜合金基体有割裂作用，铜基石墨滑动轴承材料的性能受石墨含量的制约，石墨含量低时，减摩、抗粘着性能不足，石墨含量高时，强度、硬度下降，而且单纯石墨的抗粘着特性也不如低熔点金属铅。
无毒低熔点金属元素铋与铅相似，和铜、铝不溶，以游离态形式存在于铜、铝合金中，对合金基体的强度影响较小，摩擦过程中因摩擦热引起铋熔化而在摩擦表面形成具有抗粘、减摩作用的膜，从而改善复合材料的摩擦磨损特性，已率先在铝基复合材料中得到应用。
将金属元素铋引入到铜基轴承材料中也可起减摩、抗粘着作用，然而铋的硬度比铅略高，延展性也比铅稍差，因而使其减摩、抗粘着性能比铅弱，所以铜铋轴承材料的摩擦学性能不如铜铅轴承材料。
发明内容
本发明是针对上述现有技术所存在的不足之处，提供一种无铅铜基滑动轴承材料及其制备方法，以期利用石墨的减摩特性与铋的抗粘着特性的协同作用取代铜基轴承材料中铅，实现铜基轴承材料的无铅化。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明无铅铜基滑动轴承材料的特点是所述材料按重量百分比的构成为：
镍5-15％、锡3-10％、锌0-5％、铁0-5％、石墨1-5％、
铋2-15％、铜60-80％、助剂0.1-1％。
本发明无铅铜基滑动轴承材料的特点也在于：
所述石墨表面具有铜镍复合镀层，所述铜和镍包括石墨表面形成的铜镍复合镀层中的铜和镍，所述铜镍复合镀层中的铜和镍的含量按重量百分比均为具有铜镍复合镀层的石墨总量的30％。
所述助剂为聚乙烯醇、聚乙二醇、硬脂酸、硬脂酸锌、硅烷偶联剂、硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐的任一种，或其复合物。
本发明无铅铜基滑动轴承材料的制备方法的特点是按如下步骤操作：
a、将助剂按2-25％的重量百分比浓度溶解于水或溶剂中，再与石墨混合并搅拌均匀，得助剂与石墨的混合料；
b、将步骤a所得助剂与石墨混合料与其他组元混合并搅拌均匀，得混合物料；
c、将步骤b所述混合物料经复压复烧制得无铅铜基滑动轴承材料。
本发明无铅铜基滑动轴承材料的制备方法的特点也在于按如下步骤操作：
a、采用化学镀方法在石墨表面形成铜和镍复合镀层；
b、将助剂按2-25％的重量百分比浓度溶解于水或溶剂中，再与含有复合镀层的石墨混合并搅拌均匀，得助剂与石墨的混合料；
c、将步骤b所得助剂与石墨混合料与其他组元混合并搅拌均匀，得混合物料；
d、将步骤c所述混合物料经复压复烧制得无铅铜基滑动轴承材料。
本发明无铅铜基滑动轴承材料的制备方法的特点还在于所述复压复烧的过程为：完成混配的混合物料装入钢制模具中，在单位压制压力为600Mpa的液压机上压制成所需形状的压坯，将所述压坯放入氨分解保护气氛中进行烧结，烧结温度为880℃，保温时间为60分钟；烧结好的坯料再复压复烧，复压压力为500MPa，复烧温度为700℃，保温30分钟，制得无铅铜基滑动轴承材料。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明以石墨与铋作为复合润滑组元，利用石墨的减摩特性与铋的抗粘着特性的协同作用取代铜基轴承材料中铅的作用，实现了铜基轴承材料无铅化。
2、减摩特性较好的软质相石墨在铜基复合材料中的应用较为普遍，但由于铜与石墨存在界面结合差、石墨对铜合金基体有割裂作用、混料不均等问题，而且单纯石墨的抗粘着特性也不如低熔点金属铅，以及铜基石墨滑动轴承材料的性能受石墨含量制约，石墨含量低时，减摩、抗粘着性能不足，石墨含量高时，强度、硬度下降。因此，本发明运用电化学方法在石墨颗粒表面沉积多组分复合镀层，实现非金属表面的金属化，有效改善了石墨与铜合金基体之间的润湿性，提高界面结合强度，从而提高铜基轴承材料的力学及摩擦学性能。
3、本发明在材料制备时加入相应助剂，有效改善了各种粉料之间的沾附性，使复合材料不分层，不偏析，实现复合材料组织结构与性能的均匀性。
4、本发明利用抗粘着性能较好的无毒低熔点金属元素铋的复合添加，改善了单纯石墨抗粘着特性的不足，尽量降低石墨的用量，解决了铜基石墨滑动轴承材料的强度和韧性问题。
5、本发明轴承材料，无论是减摩、抗粘着特性，还是强度、韧性都达到甚至超过了现有含铅铜基轴承材料Cu-10Sn-10Pb，实现了铜基轴承材料无铅化，符合绿色、环保的发展趋势。
以下通过具体实施方式对本发明作进一步说明。
具体实施方式
具体实施中，无铅铜基滑动轴承材料按重量百分比的构成为：
镍5-15％、锡3-10％、锌0-5％、铁0-5％、石墨1-5％、
铋2-15％、铜60-80％、助剂0.1-1％。
上述组成中的铜和镍包括石墨表面形成的铜镍复合镀层中的铜和镍，铜镍复合镀层中的铜和镍的含量按重量百分比均为具有铜镍复合镀层的石墨总量的30％。
助剂为聚乙烯醇、聚乙二醇、硬脂酸、硬脂酸锌、硅烷偶联剂、硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐的任一种，或其复合物；
具体实施中，无铅铜基滑动轴承材料可以按如下过程制作：
步骤1、将助剂按2-25％的重量百分比浓度溶解于水或溶剂中，再与石墨混合并搅拌均匀，得助剂与石墨的混合料；
步骤2、将步骤1所得助剂与石墨混合料与其他组元混合并搅拌均匀，得混合物料；
步骤3、将步骤2所述混合物料经复压复烧制得无铅铜基滑动轴承材料。
具体实施中，无铅铜基滑动轴承材料也可以按如下过程操作：
步骤1、采用化学镀方法在石墨表面形成铜和镍复合镀层；
步骤2、将助剂按2-25％的重量百分比浓度溶解于水或溶剂中，再与含有复合镀层的石墨混合并搅拌均匀，得助剂与石墨的混合料；
步骤3、将步骤2所得助剂与石墨混合料与其他组元混合并搅拌均匀，得混合物料；
步骤4、将步骤3所得混合物料经复压复烧制得无铅铜基滑动轴承材料。
复压复烧的过程是：完成混配的混合物料装入钢制模具中，在单位压制压力为600Mpa的液压机上压制成所需形状的压坯，将压坯放入氨分解保护气氛中进行烧结，烧结温度为880℃，保温时间为60分钟；烧结好的坯料再复压复烧，复压压力为500MPa，复烧温度为700℃，保温30分钟，制得无铅铜基滑动轴承材料。
实施例1，本实施例按如下步骤进行材料的制备：
1、用200目锡青铜预合金粉，加入200目的镍粉、锌粉、铁粉以及铋粉充分混匀；
2、将助剂按2-25％的重量百分比浓度充分溶解于水或乙醇溶剂中，并与表面有复合镀层的300目的石墨粉混匀；
3、把步骤1和2的两种粉末充分混匀并晾干，经复压复烧制得无铅铜基滑动轴承材料。
具体化学成份见表1，所制得的无铅铜基轴承材料的力学性能见表2，摩擦磨损性能见表3，磨损试验在端面摩擦磨损试验机上进行，对磨材料为Cr12钢，压力5Mpa，线速度为0.4m/s，浸32号机械油，试验时间3小时。
表1无铅铜基轴承材料化学成份
  元素   Ni   Sn   Zn   Fe   Bi   Gr   助剂   Cu
  W(％)   5   8   3   3   5   1.5   0.5   余量
表2无铅铜基轴承材料力学性能
  密度g/cm3   硬度HB   冲击韧性J/cm2   压溃强度MPa
  7.82   69   7.18   354
表3无铅铜基轴承材料的摩擦磨损性能
  摩擦系数μ   磨损量10-9m3   摩擦温升℃
  浸油润滑   0.038   1.45   75
  干磨擦   0.26   36.83   160
摩擦磨损试验过程中，摩擦系数与摩擦温升小表示铜基轴承材料的减摩、抗粘性能好，磨损量低表示铜基轴承材料的耐磨性能好。经过3小时的摩擦磨损试验，由表3看出，干摩擦条件下摩擦副平均摩擦系数为0.26，摩擦温升为160℃，磨损量36.83×10-9m3，表明无铅铜基轴承材料的减摩耐磨性能较好；浸油润滑条件下，由于液固润滑减摩的联合作用，摩擦副平均摩擦系数更小，摩擦温升很低，磨损量也很小，表明无铅铜基轴承材料在浸油润滑条件下体现出了更好的减摩耐磨性能。
实施例2：
材料制备方法、性能检测方法和条件与实施例1相同，调整无铅铜基轴承材料的化学成份，具体化学成份见表4，无铅铜基轴承材料的力学性能见表5，无铅铜基轴承摩擦磨损性能见表6。
表4无铅铜基轴承材料化学成份
  元素   Ni   Sn   Zn   Fe   Bi   Gr   助剂   Cu
  W(％)   8   8   0   2   8   1   0.8   余量
表5无铅铜基轴承材料力学性能
  密度g/cm3   硬度HB   冲击韧性J/cm2   压溃强度MPa
  7.86   71   7.23   367
表6无铅铜基轴承材料的摩擦磨损性能
  摩擦系数μ   磨损量10-9m3   摩擦温升℃
  浸油润滑   0.032   1.26   72
  干磨擦   0.23   31.67   152
经过3小时的摩擦磨损试验，由表6看出，干摩擦条件下摩擦副平均摩擦系数为0.23，摩擦温升为152℃，磨损量31.67×10-9m3，表明无铅铜基轴承材料的减摩耐磨性能较好；浸油润滑条件下，由于液固润滑减摩的联合作用，摩擦副平均摩擦系数更小，摩擦温升很低，磨损量也很小，表明无铅铜基轴承材料在浸油润滑条件下体现出了更好的减摩耐磨性能。
实施例3：
材料制备方法、性能检测方法和条件与实施例1、2相同，所不同的是调整无铅铜基轴承材料的成份，具体化学成份见表7，无铅铜基轴承材料的力学性能见表8，无铅铜基轴承摩擦磨损性能见表9。
表7无铅铜基轴承材料化学成份
  元素   Ni   Sn   Zn   Fe   Bi   Gr   助剂   Cu
  W(％)   6   10   3   0   6   3   0.5   余量
表8无铅铜基轴承材料力学性能
  密度g/cm3   硬度HB   冲击韧性J/cm2   压溃强度MPa
  7.39   62   5.78   323
表9无铅铜基轴承材料的摩擦磨损性能
  摩擦系数μ   磨损量10-9m3   摩擦温升℃
  浸油润滑   0.027   1.15   68
  干磨擦   0.21   26.13   147
经过3小时的摩擦磨损试验，由表9看出，干摩擦条件下摩擦副平均摩擦系数为0.21，摩擦温升为147℃，磨损量26.13×10-9m3，表明无铅铜基轴承材料的减摩耐磨性能较好；浸油润滑条件下，由于液固润滑减摩的联合作用，摩擦副平均摩擦系数更小，摩擦温升很低，磨损量也很小，表明无铅铜基轴承材料在浸油润滑条件下体现出了更好的减摩耐磨性能。
实施例4：
材料制备方法、性能检测方法和条件与实施例1、2、3相同，调整无铅铜基轴承材料的化学成份，具体化学成份见表10，无铅铜基轴承材料的力学性能见表11，无铅铜基轴承摩擦磨损性能见表12。
表10无铅铜基轴承材料化学成份
  元素   Ni   Sn   Zn   Fe   Bi   Gr   助剂   Cu
  W(％)   15   6   6   2   10   1   1   余量
表11无铅铜基轴承材料力学性能
  密度g/cm3   硬度HB   冲击韧性J/cm2   压溃强度MPa
  7.89   73   7.31   362
表12无铅铜基轴承材料的摩擦磨损性能
  摩擦系数μ   磨损量10-9m3   摩擦温升℃
  浸油润滑   0.031   1.23   72
  干磨擦   0.22   30.59   150
经过3小时的摩擦磨损试验，由表12看出，干摩擦条件下摩擦副平均摩擦系数为0.22，摩擦温升为150℃，磨损量30.59×10-9m3，表明无铅铜基轴承材料的减摩耐磨性能较好；浸油润滑条件下，由于液固润滑减摩的联合作用，摩擦副平均摩擦系数更小，摩擦温升很低，磨损量也很小，表明无铅铜基轴承材料在浸油润滑条件下体现出了更好的减摩耐磨性能。
实施例5：
材料制备方法、性能检测方法和条件与实施例1、2、3、4相同，调整无铅铜基轴承材料的化学成份，具体化学成份见表13，无铅铜基轴承材料的力学性能见表14，无铅铜基轴承摩擦磨损性能见表15。
表13无铅铜基轴承材料化学成份
元素 Ni Sn Zn Fe Bi Gr 助剂 Cu
  W(％)   10   6   2   1   2   5   0.6   余量
表14无铅铜基轴承材料力学性能
  密度g/cm3   硬度HB   冲击韧性J/cm2   压溃强度MPa
  7.02   52   4.59   289
表15无铅铜基轴承材料的摩擦磨损性能
  摩擦系数μ   磨损量10-9m3   摩擦温升℃
  浸油润滑   0.022   1.31   65
  干磨擦   0.21   34.35   140
经过3小时的摩擦磨损试验，由表15看出，干摩擦条件下摩擦副平均摩擦系数为0.21，摩擦温升为140℃，磨损量34.35×10-9m3，表明无铅铜基轴承材料的减摩耐磨性能较好；浸油润滑条件下，由于液固润滑减摩的联合作用，摩擦副平均摩擦系数更小，摩擦温升很低，磨损量也很小，表明无铅铜基轴承材料在浸油润滑条件下体现出了更好的减摩耐磨性能。
实施例6：本实施例按如下步骤进行材料的制备：
1、用200目锡青铜预合金粉，加入200目的镍粉、锌粉、铁粉以及铋粉充分混匀；
2、将助剂按2-25％的重量百分比浓度充分溶解于水或乙醇溶剂中，并与300目的石墨粉混匀；
3、把步骤1和2的两种粉末充分混匀并晾干，经复压复烧制得无铅铜基滑动轴承材料。
性能检测方法和条件与实施例1、2、3、4、5相同，调整无铅铜基轴承材料的化学成份，具体化学成份见表16，无铅铜基轴承材料的力学性能见表17，无铅铜基轴承摩擦磨损性能见表18。
表16无铅铜基轴承材料化学成份
  元素   Ni   Sn   Zn   Fe   Bi   Gr   助剂   Cu
  W(％)   5   8   3   3   5   1.5   0.5   余量
表17无铅铜基轴承材料力学性能
  密度g/cm3   硬度HB   冲击韧性J/cm2   压溃强度MPa
  7.80   68   5.83   271
表18无铅铜基轴承材料的摩擦磨损性能
  摩擦系数μ   磨损量10-9m3   摩擦温升℃
  浸油润滑   0.045   2.31   81
  干磨擦   0.28   57.35   187
经过3小时的摩擦磨损试验，由表18看出，干摩擦条件下摩擦副平均摩擦系数为0.28，摩擦温升为187℃，磨损量57.35×10-9m3，表明无铅铜基轴承材料的减摩耐磨性能较好；浸油润滑条件下，由于液固润滑减摩的联合作用，摩擦副平均摩擦系数更小，摩擦温升很低，磨损量也很小，表明无铅铜基轴承材料在浸油润滑条件下体现出了更好的减摩耐磨性能。相同的配方组分，由于选用的是没有表面镀层的普通石墨，所以表18与表3相比，相应无铅铜基轴承材料的减摩耐磨性能稍差。
实施例7：
材料制备方法与实施例6相同，性能检测方法和条件与实施例1、2、3、4、5、6相同，调整无铅铜基轴承材料的化学成份，具体化学成份见表19，无铅铜基轴承材料的力学性能见表20，无铅铜基轴承摩擦磨损性能见表21。
表19无铅铜基轴承材料化学成份
  元素   Ni   Sn   Zn   Fe   Bi   Gr   助剂   Cu
  W(％)   10   6   2   1   2   5   0.6   余量
表20无铅铜基轴承材料力学性能
  密度g/cm3   硬度HB   冲击韧性J/cm2   压溃强度MPa
  7.00   51   3.43   220
表21无铅铜基轴承材料的摩擦磨损性能
  摩擦系数μ   磨损量10-9m3   摩擦温升℃
  浸油润滑   0.025   1.67   71
  干磨擦   0.23   61.35   165
经过3小时的摩擦磨损试验，由表21看出，干摩擦条件下摩擦副平均摩擦系数为0.23，摩擦温升为165℃，磨损量61.35×10-9m3，表明无铅铜基轴承材料的减摩耐磨性能较好；浸油润滑条件下，由于液固润滑减摩的联合作用，摩擦副平均摩擦系数更小，摩擦温升很低，磨损量也很小，表明无铅铜基轴承材料在浸油润滑条件下体现出了更好的减摩耐磨性能。相同的配方组分，由于选用的是没有表面镀层的普通石墨，所以表21与表15相比，相应无铅铜基轴承材料的减摩耐磨性能稍差。

Claims (2)

1.一种无铅铜基滑动轴承材料，其特征是所述材料按重量百分比的构成为：镍5％、锡8％、锌3％、铁3％、石墨1.5％、铋5％、助剂0.5％，铜余量；
其中，所述石墨表面具有铜镍复合镀层，所述铜和镍包括石墨表面形成的铜镍复合镀层中的铜和镍，所述铜镍复合镀层中的铜和镍的含量按重量百分比均为具有铜镍复合镀层的石墨总量的30％。
2.一种权利要求1所述无铅铜基滑动轴承材料的制备方法，其特征是按如下步骤操作：
a、采用化学镀方法在石墨表面形成铜和镍复合镀层；
b、将助剂按2-25％的重量百分比浓度溶解于溶剂中，再与含有复合镀层的石墨混合并搅拌均匀，得助剂与石墨的混合料；
c、将步骤b所得助剂与石墨混合料与其他组元混合并搅拌均匀，得混合物料；
d、将步骤c所述混合物料经复压复烧制得无铅铜基滑动轴承材料；
所述复压复烧的过程为：完成混配的混合物料装入钢制模具中，在单位压制压力为600MPa的液压机上压制成所需形状的压坯，将所述压坯放入氨分解保护气氛中进行烧结，烧结温度为880℃，保温时间为60分钟；烧结好的坯料再复压复烧，复压压力为500MPa，复烧温度为700℃，保温30分钟，制得无铅铜基滑动轴承材料。
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