钢基铜合金双金属滑动轴承及其制备方法

摘要

本发明公开了一种双金属滑动轴承及其制备方法，它以碳钢或不锈钢为外层材料，以铜合金为基体的粉末冶金材料为内层材料，外层材料的内表面电镀形成厚度为4～8μm的电镀铜层，内层材料中各成分及含量为：重量含量为1～20％的铝，重量含量为1～8％的钛，重量含量为1～15％的锡，重量含量为0.1～5％的铁，重量含量为0.1～2％的磷，重量含量为0.1～5％的镍，石墨、二硫化钼或硬脂酸锌中的至少一种，其重量含量为0.1～2％，余量为铜；轴承浸渍有润滑油。本发明轴承具有成本低廉，承载能力高，自润滑性和耐磨损能力优异等特点，可广泛应用于大吨位和大功率挖掘机的动臂、斗杆、铲斗等的往复摇摆部位中。

说明书

技术领域

本发明涉及到一种双金属滑动轴承及其制备方法，尤其是一种以整体式碳钢或不锈钢为承载基体，以铜铝合金为基体作为耐磨减摩层，通过烧末压制烧结而制备的含油双金属滑动轴承及其制备方法。

背景技术

近年来，随着工程机械领域技术的迅速发展，对液压式挖掘机尤其是大吨位和大功率挖掘机的关键工作装置提出了更高的要求。工作装置是直接完成挖掘任务的装置，其可靠性对液压挖掘机整机性能影响很大。它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成，动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制。为了适应各种不同施工作业的需要，液压挖掘机可以配装多种工作装置，如挖掘、起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤等多种作业机具。实际使用中，工作装置处于低速重载的实际工况，这就对轴和轴承的工作性能提出了非常高的要求，而在挖掘机设计中，工作装置的重量在能满足设计性能参数的前提下应尽可能紧凑，所以合理设计轴承对挖掘机整机性能至关重要。为了有效地提高工作装置的可靠性与稳定性，目前大多使用滑动轴承，并安装于液压式挖掘机的摩擦部位，以有效地提高运动部位的润滑性与耐磨性。此类滑动轴承主要为两类，一类是应用于动臂起落和斗杆伸缩部位、以铜合金为基体的自润滑滑动轴承，可以满足在较高载荷和很低速度下的耐磨性需求，但此类轴承的主要缺点是成本较高；另一类是应用于铲斗转动部位、以合金钢为基体的滑动轴承，可以满足高承载和相对高的速度下的使用寿命需求，目前遇到的主要问题是润滑性较差，需要外部润滑的频率较高，若缺油或少油时，轴承的耐磨性会明显下降，以至于更换频率较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提出一种成本低廉，自润滑性和耐磨性能优异，承载能力高的钢基铜合金双金属滑动轴承及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明钢基铜合金双金属滑动轴承以碳钢或不锈钢为外层材料，以铜合金为基体的粉末冶金材料为内层材料，所述外层材料的内表面电镀形成厚度为4～8μm的电镀铜层，所述内层材料中各成分及含量为：铝的重量含量为1～20％，钛的重量含量为1～8％，锡的重量含量为1～15％，铁的重量含量为0.1～5％，磷的重量含量为0.1～2％，镍的重量含量为0.1～5％，石墨、二硫化钼或硬脂酸锌中的至少一种，其重量含量为0.1～2％，余量为铜；轴承浸渍有润滑油。

上述钢基铜合金双金属滑动轴承，所述内层材料中所添加的铜元素为粉片状电解铜，松装密度为2.5～2.7g/cm³，杂质含量≤0.5％，流动性＜35s/50g，粉末颗粒为不规则形状，以保持良好的压制性。

上述钢基铜合金双金属滑动轴承，所述内层材料中所添加的铝，可以是球化铝粉，也可以是铜铝合金粉末，可以大幅度提高材料的耐磨性和强度。

上述钢基铜合金双金属滑动轴承，所述内层材料中所添加的钛，可以是不规则状的还原钛粉，也可以是不规则状的氢化钛粉(TiH₂)。少量钛的添加，可以对铜基体起到弥散强化的作用，可以有效地促进硬度及机械强度的提高。

上述钢基铜合金双金属滑动轴承，所述内层材料中所添加的锡，可以是雾化锡粉，也可以是不规则的铜锡合金粉，在烧结过程中生成特殊的金属间化合物，有效地提高了材料的孔隙率。

上述钢基铜合金双金属滑动轴承，所述内层材料中所添加的铁，可以是还原铁粉，也可以是磷化铁粉(FeP₂₃)，可以起到增加强度的作用。

上述钢基铜合金双金属滑动轴承，所述内层材料中所添加的磷，是以磷化铁粉(FeP₂₃)或磷化铜粉(CuP₈)，可以有效地促进铜合金的烧结性。

上述钢基铜合金双金属滑动轴承，所述内层材料中所添加的镍为电解镍粉。

上述钢基铜合金双金属滑动轴承，所述内层材料中所含有的碳是以石墨的形式存在于合金中。

钢基铜合金双金属滑动轴承的制备方法，包括如下步骤：1、将碳钢或不锈钢钢管通过机械加工成无缝管钢套，内孔加工至所需要的尺寸，并保证壁厚的二次加工余量；2、将加工后的钢套内表面进行电镀铜处理，保证表面镀层厚度为4～8μm；3、以下列含量的原料制成以铜合金为基体的粉末冶金材料：重量含量为1～20％的铝，重量含量为1～8％的钛，重量含量为1～15％的锡，重量含量为0.1～5％的铁，重量含量为0.1～2％的磷，重量含量为0.1～5％的镍，石墨、二硫化钼或硬脂酸锌中的至少一种，其重量含量为0.1～2％，余量为铜；按比例称量好后，机械混合；4、将粉末冶金材料装入环状模具中进行压制，压制压力为200～600MPa，并保证脱模后所压制的环状毛坯外径较前述钢套内径略小，二者间隙大约为0.1～0.5mm，以保证铜合金毛坯能间隙配合至钢套中；5、将环状毛坯套入钢套形成组合件；6、将组合件放置于真空或还原气氛或惰性气氛烧结炉中进行烧结成型，所述还原气氛可以是氢气或氨气，所述惰性可以是氦气或氩气，通过多元合金的合金相图来调整烧结温度或烧结参数，其烧结温度为850～1050℃，烧结时间视组合件尺寸而定，通常为0.5～3小时；7、对轴承内表面、加油孔及油槽进行相应加工，保证合金层厚度≥2mm；8、进行真空浸渍润滑油，保证含油率≥12％(体积比)。

本发明由于采用了上述技术方案，所制备的钢基铜合金双金属滑动轴承具有成本低廉，承载能力高，自润滑性和耐磨损能力优异等特点，烧结后内层铜合金硬度HB≥100MPa，内外层具有良好的粘结强度，可以广泛应用于大吨位和大功率挖掘机的动臂、斗杆、铲斗等的往复摇摆部位中。

具体实施方式

实施例一以制备内径50mm、外径70mm、高度40mm的钢基铜合金双金属滑动轴承为例，其制备方法包括如下步骤：

1、将外径为70mm、内径为60mm的C45号钢管，机械加工为高度为40mm的无缝钢套(轴套)，须保证壁厚的二次加工余量；

2、将轴套的内表面进行电镀铜处理，使其内表面形成厚度为5μm的电镀铜层，要求镀层表面致密均匀，无氧化现象；

3、按如下重量比例进行粉末混合：电解铜粉55％，铝粉3％，钛粉8％，锡粉12％，铁粉5％，磷化铜粉10％，镍粉5％，石墨粉1.5％，硬脂酸锌0.5％，利用锥形混合机混合5小时，制成以铜合金为基体的粉末冶金材料，备用；

4、将以上混合好的粉末冶金材料(混合粉)称量210克，置入高硬度环状模具中进行压制，所压制的环状毛坯内径为50mm，外径稍小于60mm，高度为40mm，压制压力为300MPa。压制后的表面要求无裂纹，并且无明显色差，所压制的脱模后环状毛坯外径较钢套内径略小，二者间隙大约为0.1～0.5mm，以保证铜合金环状毛坯能间隙配合至钢套中；

5、将压制好的环状毛坯放入内表面电镀有铜层的钢套中，形成组合件；

6、将组合件在氢气保护烧结中进行烧结，升温速率为10℃/min，烧结温度为1000℃，保温2小时后随炉冷却；

7、进行内表面机械加工至所需的公差尺寸，保证合金层厚度≥2mm；

8、将所制备的双金属轴承放入真空浸油机中进行润滑油浸渍，保证含油率≥12％(体积比)；取出后包装。

实施例二制备过程与实施例一相同，不同之处在于：钢套为不锈钢管，内表面的铜镀层厚度为8μm；粉末冶金材料中各原料的重量含量分别为：电解铜粉66％、球化铝粉16％、氢化钛粉(TiH2)3％、铜锡合金粉(QCuSn10)2％、磷化铁粉(FeP₂₃)1％、磷化铜粉10％、电解镍粉1％和二硫化钼1％；粉末冶金材料在环状模具的压制压力为500MPa；组合件放置于真空烧结炉中进行烧结成型，其烧结温度为900℃，烧结时间为3小时。

实施例三制备过程与实施例一相同，不同之处在于：钢套内表面的铜镀层厚度为6μm；粉末冶金材料中各原料的重量含量分别为：电解铜粉70.5％、铜铝合金粉末(QCuAl₁₀)10％、还原钛粉5％、铜锡合金粉(QCuSn₈)7％、还原铁粉4％、磷化铁粉(FeP₂₃)2％(作为磷)、石墨、二硫化钼和硬脂酸锌各0.5％；粉末冶金材料在环状模具的压制压力为250MPa；组合件放置于氦气气氛烧结炉中进行烧结成型，其烧结温度为1050℃，烧结时间为1小时。