CN101850423B - 高强自润滑铁铜粉末复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强自润滑铁铜粉末复合材料、其制备方法及应用，其特征是所述复合材料由铁合金基体和作为表层的铜合金层组成；铁合金基体的材料成份Cu、C、Sn、Pb、及Fe；铜合金层的材料的成份是Ni、C、MoS2、Sn、Fe、Pb及Cu；分别制备铜合金层温压粉末和铁合金基体温压粉末；将温压粉末装入模具后一次压制成形为压坯；压坯在保护气氛中烧结；烧结后的烧坯在模具中整形完成制备。本发明在保证零件使用性能的同时，极大地降低了零件成本。
Description
技术领域
本发明涉及金属基自润滑复合材料，具体是一种高强自润滑铁铜粉末复合材料及其制备方法。
背景技术
高强自润滑铜合金粉末冶金零件在汽车、工程机械、家用电器等行业具有广泛的用途。随着现代工业的飞速发展，高速度、大载荷等服役条件对自润滑铜合金粉末冶金零件提出了更高的性能要求。由于现行通用的粉末冶金铜合金结构件强度、硬度较低，制约了其应用范围。如我国现行的“烧结锡青铜结构材料JB/T9139-1999”，由于其材料相对密度较低，所以其抗拉强度、硬度均较低，同时还含有对人体有害元素铅。此外，由于近年来无铅环保法规的实施，使得在汽车零部件等行业广泛使用的含铅自润滑粉末冶金铜合金结构零件面临更新换代；铜是有色金属，价格较高，如以铁代铜，则能极大地降低成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高强自润滑铁铜粉末复合材料及其制备方法，在保证零件使用性能的同时，降低零件成本。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
本发明高强自润滑铁铜粉末复合材料的特点是由铁合金基体和作为表层的铜合金层组成；
所述铁合金基体2的材料按重量百分比的成份是：
Cu：5-20、C：0.5-1、Sn：1-3、Pb：≤0.1、其它：≤1，Fe余量；
所述铜合金层(1)的材料按重量百分比的成份是：
Ni：5-15、C：0.5-3、MoS2：0.5-3、Sn：4-8、Fe：1-3、Pb：≤0.1、其它：≤1、Cu余量。
本发明所述的高强自润滑铁铜粉末复合材料的特点也在于：在所述铜合金层1与铁合金基体2结合处存在有所述铜合金层1和铁合金基体2的粉末经烧结结合形成的过渡层。
本发明所述的铜合金层1的厚度为0.2-2毫米。
本发明所述的高强自润滑铁铜粉末复合材料的制备方法，其特征是按如下步骤进行操作：
(1)、分别制备铜合金层温压粉末和铁合金基体温压粉末：
a、按铜合金层1的材料配比，将镍粉、锡粉、铁粉和铜粉分别在真空或保护气氛中于160℃-200℃保温2-4小时去应力回火，再加入粘结剂PVP共同经混料机混料5-10分钟得混合料A；向所述混合料A中加入石墨粉、二硫化钼粉和润滑剂PEG，再经5-10分钟混料得混合均匀的混合粉末A；
b、按铁基体层2的材料配比，将铜粉、铁粉、锡粉和粘结剂PVP共同经混料机混料5-10分钟得铁混合料B，向所述混合料B中加入石墨粉和润滑剂PEG，再经5-10分钟混料得均匀的混合粉末B；
c、将所述混合粉末A和所述混合粉末B分别在50℃温度下干燥，然后过80目筛，筛下物即分别为铜合金层温压粉末和铁合金基体温压粉末；
(2)、在具有温压装置的压机上温压成形：向模具中首先装入所述铁合金基体温压粉末，然后装入铜合金层温压粉末，一次压制成形为压坯，压制压力为600-700MPa，铁合金基体温压粉末和铜合金层温压粉末的粉末温度为90℃～130℃，模具温度为90℃～150℃；
(3)、烧结：将所述压坯在氨分解保护气氛中，960℃～1080℃烧结10-30分钟；
(4)、整形：经步骤(3)烧结后的烧坯在模具中整形完成制备，整形压力为600-700Mpa；
以本发明高强自润滑铁铜粉末复合材料为材质可以制成液压泵侧板、配油盘，滑块或齿条，以替代已有的铜合金结构零件。
关于铜合金层合金化设计：
本发明在铜合金层1材料中添加锡、镍元素起固溶强化作用，提高铜合金强度和硬度，镍元素的加入提高铜合金烧结温度；加入石墨和二硫化钼替代铅作为润滑组元，使铜合金层1具有良好的自润滑性能。由于石墨与铜基体不相容，界面结合强度低，加入铁元素，既起强化作用，亦是为铜合金层1与铁合金基体2烧结时起扩散引导作用，因为在烧结过程中，铁与铜和石墨能通过扩散、固溶、反应来提高界面结合强度，从而提高复合材料的力学性能。
关于铁合金基体设计：
本发明的关键是让两种熔点不同的材料在同一温度下烧结，且性能指标达到预期效果。铁和铜熔点不同，故两者的烧结温度相差较大。为了让铜合金层1和铁合金基体2在同一温度下烧结良好，两种材料界面结合良好，在铁合金基体2加入较多量的铜，作为粘结相；加入锡的目的是使烧结过程出现液相，从而降低烧结温度；加入少量石墨，生成铁碳化合物，提高铁基体强度和硬度。
关于粘结剂PVP、润滑剂PEG：
本发明在铜合金层粉末及铁合金基体粉末中，加入粘结剂PVP目的是使得各种粉末成分均匀无偏析，加入润滑剂PEG目的是改善粉末的压制性能，即在最佳成型温度时，粉末颗粒表面有一层低剪切减摩润滑层存在，有利于粉末间的流动、重排和塑性变形，使得压制零件密度较高且均匀性好。粘结剂PVP用量为(0.15-0.25)％，润滑剂PEG用量为(0.3-0.6)％，两者在烧结过程中被烧除。
本发明的有益效果体现在：
1、本发明由铁合金基体和表层为铜合金层组成，铜合金层保证了零件的使用性能，铁合金基体中以铁代铜，铁含量可达50％以上，极大地降低零件成本。
2、本发明制备方法中，采用温压成形、高温烧结，使材料整体相对密度得到提高，从而提高了材料的强度和硬度。
3、本发明采用石墨和二硫化钼替代铅，使铜合金层1具有良好的自润滑性能，该无铅化设计，避免了含铅给人类环境带来的危害，对环保有着积极的意义。
附图说明
图1为本发明制造的齿轮油泵侧板零件剖视图。
图2为本发明制造的齿轮油泵侧板零件俯视图。
图中标号：1铜合金层，2铁合金基体。
以下通过具体实施方式，结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
实施例1：
参见图1和图2，图1为齿轮油泵侧板零件剖视图，图2为齿轮油泵侧板零件俯视图。
该齿轮油泵侧板由本发明的高强自润滑铁铜粉末复合材料及其制备方法制造而成。
本实施例中高强自润滑铁铜粉末复合材料是由铁合金基体2和作为表层的铜合金层1组成；其中，铁合金基体2的材料按重量百分比的成份见表1；铜合金层1的材料按重量百分比的成份见表2；铜合金层1的厚度设置为1.0毫米。
本实施例中高强自润滑铁铜粉末复合材料按如下步骤进行制备：
1、分别制备铜合金层1温压粉末和铁合金基体2温压粉末：
a、按铜合金层1的材料成份配比，将镍粉、锡粉、铁粉和铜粉分别在真空或保护气氛中于200℃保温2小时去应力回火，再加入粘结剂PVP共同经混料机混料5-10分钟得混合料A；向混合料A中加入石墨粉、二硫化钼粉和润滑剂PEG，再经5-10分钟混料得混合均匀的混合粉末A；
b、按铁基体层2的材料成份配比，将铜粉、铁粉、锡粉和粘结剂PVP共同经混料机混料5-10分钟得铁混合料B，向混合料B中加入石墨粉和润滑剂PEG，再经5-10分钟混料得均匀的混合粉末B；
c、将混合粉末A和混合粉末B分别在50℃温度下干燥，然后过80目筛，筛下物即分别为铜合金层温压粉末和铁合金基体温压粉末；
2、在具有温压装置的压机上温压成形：向模具中首先装入铁合金基体温压粉末，然后装入铜合金层温压粉末，一次压制成形为压坯，压制压力为700MPa，铁合金基体温压粉末和铜合金层温压粉末的粉末温度为130℃，模具温度为90℃；
3、烧结：将压坯在氨分解保护气氛中，1080℃烧结10分钟；烧结后，在铜合金层1与铁合金基体2结合处存在有铜合金层1和铁合金基体2的粉末经烧结结合形成的过渡层。
4、整形：经步骤(3)烧结后的烧坯在模具中整形完成制备，整形压力为600Mpa。
表1铜合金层1材料成份(按重量百分比)：
| 元素 | Ni | C | MoS2 | Sn | Fe | 其它 | Cu |
| Wt(％) | 10 | 0.8 | 1 | 6 | 1.5 | ≤1 | 余量 |
表2铁合金基体2材料成份(按重量百分比)
| 元素 | Cu | C | Sn | 其它 | Fe |
| Wt(％) | 10 | 0.5 | 2 | ≤1 | 余量 |
各种粉末说明如下：
铁粉为还原铁粉，-100目，铁含量大于99.85％；铜粉，铜含量大于99.9％、Pb≤0.1％；镍粉、锡粉，工业纯，-200目。石墨粉为鳞片状天然石墨粉，-200目，碳含量99.9％；二硫化钼粉，工业纯，-200目。
该齿轮油泵侧板还需要后续加工：车内孔、铣槽、磨平面等机械加工，经检验合格为成品。
由上述条件下制成的齿轮油泵侧板的性能检测结果见表3
表3齿轮油泵侧板性能检测结果
实施例2：
本实施例以高强自润滑铁铜粉末复合材料及其制备方法制造而成的零件为液压泵配油盘。
该液压泵配油盘零件的高强自润滑铁铜粉末复合材料及其制备方法同实施例1，与实施例1不同的是：
本实施例中的铜合金层1的厚度设计为0.5毫米；铜合金层1具体化学成份见表4；铁合金基体2具体化学成份见表5；
将镍粉、锡粉、铁粉和铜粉分别在真空中于180℃保温2.5小时去应力回火；
在具有温压装置的压机上温压成形的压制压力为650MPa，铁合金基体温压粉末和铜合金层温压粉末的粉末温度为100℃，模具温度为120℃；
压坯在氨分解保护气氛中，1040℃烧结15分钟；
经步骤3烧结后的烧坯在模具中整形，整形压力为660Mpa；
该液压泵配油盘还需要后续加工：车内孔、铣槽、磨平面、研磨等机械加工，经检验合格为成品。
本实施例中的液压泵配油盘的性能检测结果见表6。
表4铜合金层1材料成份(按质量百分比)：
| 元素 | Ni | C | MoS2 | Sn | Fe | 其它 | Cu |
| Wt(％) | 5 | 0.5 | 3 | 8 | 3 | ≤1 | 余量 |
表5铁合金基体2材料成份(按质量百分比)
| 元素 | Cu | C | Sn | 其它 | Fe |
| Wt(％) | 10 | 0.5 | 2 | ≤1 | 余量 |
表6液压泵配油盘性能检测结果
实施例3：
本实施例高强自润滑铁铜粉末复合材料及其制备方法制造而成的零件为齿条。
该齿条零件所述的高强自润滑铁铜粉末复合材料及其制备方法同实施例1。与实施例1不同的是：
本实施例中铜合金层1的厚度为2毫米；铜合金层1具体化学成份见表7，铁合金基体2具体化学成份见表8；
将镍粉、锡粉、铁粉和铜粉分别在真空或保护气氛中于190℃保温3小时去应力回火；
在具有温压装置的压机上温压成形的压制压力为680MPa，铁合金基体温压粉末和铜合金层温压粉末的粉末温度为110℃，模具温度为100℃；
压坯在氨分解保护气氛中，1060℃烧结20分钟；
经步骤3烧结后的烧坯在模具中整形，整形压力为650Mpa；
该齿条不需要后续机械加工，经检验合格即为成品。
本实施例齿条的性能检测结果见表9。
表7铜合金层1材料成份(按重量百分比)：
| 元素 | Ni | C | MoS2 | Sn | Fe | 其它 | Cu |
| Wt(％) | 15 | 3 | 0.5 | 8 | 1 | ≤1 | 余量 |
表8齿条铁合金基体2材料成份(按重量百分比)
| 元素 | Cu | C | Sn | 其它 | Fe |
| Wt(％) | 5 | 0.5 | 3 | ≤1 | 余量 |
表9齿条性能检测结果
实施例4：
本实施例高强自润滑铁铜粉末复合材料及其制备方法制造而成的零件为滑块。
该滑块零件所述的高强自润滑铁铜粉末复合材料及其制备方法同实施例1。与实施例1不同的是：
本实施例中的铜合金层1的厚度为0.2毫米；铜合金层1具体化学成份见表10，铁合金基体2具体化学成份见表11；
将镍粉、锡粉、铁粉和铜粉分别在真空或保护气氛中于160℃保温4小时去应力回火；
在具有温压装置的压机上温压成形的压制压力为600MPa，铁合金基体温压粉末和铜合金层温压粉末的粉末温度为90℃，模具温度为150℃；
压坯在氨分解保护气氛中，960℃烧结30分钟；
经步骤3烧结后的烧坯在模具中整形，整形压力为700Mpa；
该滑块不需要后续机械加工，经检验合格即为成品。
本实施例滑块零件的性能检测结果见表12。
表10铜合金层1材料成份(按重量百分比)：
| 元素 | Ni | C | MoS2 | Sn | Fe | 其它 | Cu |
| Wt(％) | 9 | 1 | 1 | 4 | 3 | ≤1 | 余量 |
表11滑块铁合金基体2材料成份(按重量百分比)
| 元素 | Cu | C | Sn | 其它 | Fe |
| Wt(％) | 15 | 0.8 | 1.5 | ≤1 | 余量 |
表12滑块性能检测结果
Claims (5)
1.一种高强自润滑铁铜粉末复合材料，其特征在于：由铁合金基体(2)和作为表层的铜合金层(1)组成；
所述铁合金基体(2)的材料按重量百分比的成份是：
Cu：5-20、C：0.5-1、Sn：1-3、Pb：≤0.1、其它：≤1，Fe余量；
所述铜合金层(1)的材料按重量百分比的成份是：
Ni：5-15、C：0.5-3、MoS2：0.5-3、Sn：4-8、Fe：1-3、Pb：≤0.1、其它：≤1、Cu余量。
2.根据权利要求1所述的高强自润滑铁铜粉末复合材料，其特征在于：在所述铜合金层(1)与铁合金基体(2)结合处存在有所述铜合金层(1)和铁合金基体(2)的粉末经烧结结合形成的过渡层。
3.根据权利要求1或2所述的高强自润滑铁铜粉末复合材料，其特征在于：所述铜合金层(1)的厚度为0.2-2毫米。
4.一种权利要求1所述高强自润滑铁铜粉末复合材料的制备方法，其特征是按如下步骤操作：
(1)、分别制备铜合金层(1)温压粉末和铁合金基体(2)温压粉末：
a、按铜合金层(1)的材料配比，将镍粉、锡粉、铁粉和铜粉分别在真空或保护气氛中于160℃-200℃保温2-4小时去应力回火，再加入粘结剂PVP共同经混料机混料5-10分钟得混合料A；向所述混合料A中加入石墨粉、二硫化钼粉和润滑剂PEG，再经5-10分钟混料得混合均匀的混合粉末A；
b、按铁合金基体(2)的材料配比，将铜粉、铁粉、锡粉和粘结剂PVP共同经混料机混料5-10分钟得铁混合料B，向所述混合料B中加入石墨粉和润滑剂PEG，再经5-10分钟混料得均匀的混合粉末B；
c、将所述混合粉末A和所述混合粉末B分别在50℃温度下干燥，然后过80目筛，筛下物即分别为铜合金层温压粉末和铁合金基体温压粉末；
(2)、在具有温压装置的压机上温压成形：向模具中首先装入所述铁合金基体温压粉末，然后装入铜合金层温压粉末，一次压制成形为压坯，压制压力为600-700MPa，铁合金基体温压粉末和铜合金层温压粉末的粉末温度为90℃～130℃，模具温度为90℃～150℃；
(3)、烧结：将所述压坯在氨分解保护气氛中、960℃～1080℃烧结10-30分钟，得烧坯；
(4)、整形：将所述烧坯在模具中整形完成制备，整形压力为600-700Mpa。
5.一种机械零部件，其特征是所述机械零部件是以权利要求1所述高强自润滑铁铜粉末复合材料为材质制成的液压泵侧板、配油盘，滑块或齿条。
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