锡青铜-钢背自润滑耐磨双金属材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种锡青铜-钢背自润滑耐磨双金属材料，该材料钢背的表面镀铜，锡青铜包括重量百分比为5～20%的Ni、0.5～1%的Cr、0.5～1%的Ti和余量的铜锡合金。本发明还公开了该材料的制备方法。本发明所述材料具有抗干磨自润滑性能、界面结合强度高、工序简便等优点。

说明书

技术领域

本发明属于材料设计及制备技术领域，特别涉及一种具有高结合强度的锡青铜-钢背自润滑耐磨双金属材料及其制备方法，适用于航空发动机燃油泵、运载火箭伺服机构、汽车、工程制造等领域中的关键摩擦副（如转子/配油盘的配流副、滑靴/耐磨片的滑靴副）所需的双金属材料的制备。

背景技术

锡青铜-钢背双金属固体润滑材料广泛应用于滑动轴承、滑块、滑道等机械零件。双金属材料结构既满足了摩擦副材料的匹配要求又提高了材料的疲劳强度，是目前高压、高速大功率液压泵用材料的发展趋势之一。钢与铜的焊接方法有熔化焊、钎焊、固态扩散焊、粉末冶金方法等。采用熔化焊时，经常发生铜渗到钢晶粒之间，产生热应力，使焊缝发生断裂，同时合金元素易烧损、易蒸发，且在焊缝中易产生锡、铅等元素的偏析。而钎焊多用于钢与铜及铜合金较精密的焊接，钎焊虽然不会出现熔化焊时易产生的裂纹、气孔、偏析等问题，但钎焊时易降低接头的抗腐蚀性能，接头强度较低，且使用范围受一定限制。固态扩散焊以真空扩散焊应用的最为广泛，由于固态焊接头之间不产生熔化，没有熔合区，避免了接头因熔化而出现组织变化、成分偏析和晶粒长大等问题。但真空扩散焊首先需要将铜合金烧结成型（因为目前的铜基—钢背双金属材料很少采用纯的铜合金，而往往在铜合金中加入强化相、润滑相等，因此不宜采用传统的铸造方法制备，而应采用粉末冶金方法烧结成型），再进行扩散焊接；并对待焊零件表面光洁度有要求（表面粗糙度Ra值不大于1.6mm），在焊接过程中不施加压力或压力较低，易出现接头结合强度不高、焊接试件变形等问题。热等静压扩散焊是在真空扩散焊接的基础上发展起来的，以气体为压力介质，压力较大，可达150～200MPa，且各个方向受力均匀，克服了单轴加压所带来的焊件变形和受工件形状限制等缺点，接头强度高（史鸿培、彭度武用热等静压扩散焊的方法焊接铜合金QSn6.5-0.1与钢40CrNiMoA，其平均接头强度为401.3MPa，加镍夹层后其平均接头强度为451～616.8MPa，宇航材料工艺，第二期，26-32）；但仍需先制备出铜层材料，再进行热等静压扩散焊，并且热等静压机价格昂贵，工艺要求苛刻。粉末冶金方法特别适合制备铜层为复合材料的双金属材料。但目前采用的粉末冶金方法制备双金属材料所需工序复杂，要经过混料—铺粉—预烧—初轧—复烧—精轧—校平等工序，而且双金属材料的结合强度较低，例如专利CN102528048B中公开了一种含硅青铜的铝青铜-钢双金属材料的制备方法，通过酸洗—混料—铺粉—一次烧结—冷轧—二次烧结后，制得的铝青铜-钢双金属材料的界面结合强度仅能达到85MPa以上，实施例中最高结合强度仅为117MPa。上述铜基-钢背双金属材料的制备方法各有缺陷，急需发展一种结合强度高的、所需设备简单、工序简便的双金属材料制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有抗干磨自润滑性能及界面结合强度高的、工序简便的锡青铜-钢背自润滑耐磨双金属材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明首先通过优化自润滑铜层材料配方，即在锡青铜基体中添加镍（Ni）、铬（Cr）、钛（Ti）等强化元素，显著提高了自润滑铜层材料的机械强度和抗磨损性能；其次通过引入中间层，即在钢背表面镀一层Cu，更利于双金属材料的界面结合；最后通过独创的阶梯式烧结工艺，一次制备出具有高结合强度的双金属材料，无需后续的初轧—复烧—精轧等加工或处理。

锡青铜-钢背自润滑耐磨双金属材料，其特征在于：钢背的表面镀铜，锡青铜包括重量百分比为5～20%的Ni、0.5～1%的Cr、0.5～1%的Ti和余量的铜锡合金。

所述Ni、Cr、Ti和铜锡合金粉末的纯度均大于99.0%，颗粒尺寸均为50～150mm。

所述铜锡合金为CuSn10或CuSn6.5-0.1。

所述钢背的材质为40CrNiMoA，其表面镀铜的厚度为5～20mm。

如上所述锡青铜-钢背自润滑耐磨双金属材料的制备方法为：将Ni、Cr、Ti和铜锡合金粉体混合后进行高能球磨，使粉体均匀混合并机械合金化，然后将混合粉体干燥；将表面镀铜的钢背放入石墨模具内，将上述粉体铺在钢表面，压上石墨垫片和压头；将石墨模具置于真空热压烧结炉中，以10℃/min的速度开始升温，升温时加压5～10MPa；当温度升至750～830℃时，在17.5～25MPa保温0.5～1.5h；之后将压力降为5～10MPa，继续升温至850℃～900℃；在850℃～900℃、5～10MPa条件下保温0.5～1.5h；最后随炉冷却即可制得具有高结合强度的锡青铜-钢背自润滑耐磨双金属材料。

所述球磨的条件：球料比2.5～10:1，转速250～400rpm，以无水甲醇或丙酮保护球磨15～30小时。

所述干燥的条件：温度55～65℃，时间0.5～2小时。

本发明在锡青铜中添加的Ni、Cr、Ti元素不与基体元素Cu、Sn等发生反应，不生成有害相，且能起强化作用。经过高能球磨后，Cr、Ti已经固溶到CuSn基体中，Ni也在基体中均匀分布。40CrNiMoA钢基体上镀Cu作为中间层更利于铜层材料与钢基体的互扩散。采用的阶梯式烧结工艺在将铜层粉体热压烧结成块体的同时起热压扩散焊的作用，促使铜层材料和钢基体在一定温度、一定压力下充分互扩散。采用本发明的制备方法制备出的锡青铜-钢背双金属材料的抗拉强度达500MPa以上，远高于采用其他工艺制备的双金属材料的结合强度，如李卓然等采用真空扩散焊方法制备QSn4-4-2.5与45^#钢双金属材料，其抗拉强度为180～200MPa（焊接技术，1999，28（2）:6；宇航材料工艺，1999（3）:51）；专利CN102528048B中采用粉末冶金方法制备了含硅青铜的铝青铜-钢双金属材料，其界面结合强度最高仅为117MPa。而且采用本发明的制备方法可获得不同厚度的铜层材料，能满足不同工况的需求。

具体实施方式

实施例1：首先将纯度大于99.0%、颗粒尺寸为50～150mm的Ni、Cr、Ti粉体按Ni：10%，Cr：0.5%，Ti：1%，余量为CuSn10的物质按重量比混合；将上述混合物采用Fritsch高能球磨机在球料比为2.5:1，转速为250rpm的条件下以无水甲醇保护球磨20h，使粉体均匀混合；将混合后的粉体置于真空干燥箱中在65℃/1h烘干；将表面镀Cu（厚度约为10～20mm）的40CrNiMoA钢放入石墨模具中，将烘干后的粉体铺在40CrNiMoA表面；压上石墨垫片和压头，将模具放入真空热压烧结炉中，以10℃/min的速度开始升温，在温度升至300℃以后施加压力10MPa，当温度升至800℃时压力增为25MPa，在800℃/25MPa条件下保温保压1h，1h后将压力再降为10MPa，继续升温至900℃，在900℃/10MPa条件下保温保压1h，之后随炉保压降温冷却即可。制备出的双金属材料采用拉伸试验方法测试，其平均抗拉强度达515MPa，且断裂面在铜层。铜层材料采用M2000型摩擦试验机测试其摩擦学性能，摩擦条件为：转速200r/min，载荷200N，对偶材料为淬火45#钢，摩擦时间为1h，航空煤油介质，滴油，4～5滴/h，其平均摩擦系数为0.141，磨损体积为0.17×10^-3cm³。

实施例2：首先将纯度大于99.0%、颗粒尺寸为50～150mm的Ni、Cr、Ti粉体按Ni：10%，Cr：0.5%，Ti：1%，余量为CuSn10的物质按重量比混合；将上述混合物采用Fritsch高能球磨机在球料比为2.5:1，转速为250rpm的条件下使粉体均匀混合；将混合后的粉体置于真空干燥箱中在60℃/1.5h烘干；将表面镀Cu（厚度约为10～20mm）的40CrNiMoA放入石墨模具中，将烘干后的粉体铺在40CrNiMoA表面；压上石墨垫片和压头，将模具放入真空热压烧结炉中，以10℃/min的速度开始升温，在温度升至300℃以后施加压力10MPa，当温度升至820℃时压力增为17.5MPa，在820℃/17.5MPa保温保压1h，1h后将压力再降为10MPa，继续升温至900℃，在900℃/10MPa条件下保温保压1h，之后随炉降温冷却即可。制备出的双金属材料采用拉伸试验方法测试，其平均抗拉强度达502MPa，且断裂面在铜层。铜层材料采用M2000型摩擦试验机测试其摩擦学性能，摩擦条件为：转速200r/min，载荷200N，对偶材料为淬火45#钢，摩擦时间为1h，航空煤油介质，滴油，4～5滴/h，其平均摩擦系数为0.144，磨损体积为0.24×10^-3cm³。

实施例3：首先将纯度大于99.0%、颗粒尺寸为50～150mm的Ni、Cr、Ti粉体按Ni：10%，Cr：0.5%，Ti：1%，余量为CuSn6.5-0.1的物质按重量比混合；将上述混合物采用Fritsch高能球磨机在球料比为2.5:1，转速为250rpm的条件下以无水甲醇保护球磨20h，使粉体均匀混合；将混合后的粉体置于真空干燥箱中在65℃/1h烘干；将表面镀Cu（厚度约为10～20mm）的40CrNiMoA放入石墨模具中，将烘干后的粉体铺在40CrNiMoA表面；压上石墨垫片和压头，将模具放入真空热压烧结炉中，以10℃/min的速度开始升温，在温度升至300℃以后施加压力10MPa，当温度升至800℃时压力增为25MPa，在800℃/25MPa保温保压1h，1h后将压力再降为10MPa，继续升温至900℃，在900℃/10MPa条件下保温保压1h，之后随炉保压降温冷却即可。制备出的双金属材料采用拉伸试验方法测试，其平均抗拉强度达510MPa，且在铜层断裂。铜层材料采用M2000型摩擦试验机测试其摩擦学性能，摩擦条件为：转速200r/min，载荷200N，对偶材料为淬火45#钢，摩擦时间为1h，航空煤油介质，滴油，4～5滴/h，其平均摩擦系数为0.146，磨损体积为0.24×10^-3cm³。

实施例4：首先将纯度大于99.0%、颗粒尺寸为50～150mm的Ni、Cr、Ti粉体按Ni：10%，Cr：0.5%，Ti：1%，余量为CuSn6.5-0.1的物质按重量比混合；将上述混合物采用Fritsch高能球磨机在球料比为2.5:1，转速为250rpm的条件下以无水甲醇保护球磨20h，使粉体均匀混合；将混合后的粉体置于真空干燥箱中在65℃/1h烘干；将表面镀Cu（厚度约为10～20mm）的40CrNiMoA放入石墨模具中，将烘干后的粉体铺在40CrNiMoA表面；压上石墨垫片和压头，将模具放入真空热压烧结炉中，以10℃/min的速度开始升温，在温度升至300℃以后施加压力10MPa，当温度升至830℃时压力增为17.5MPa，在830℃/17.5MPa保温保压1h，1h后将压力再降为10MPa，继续升温至900℃，在900℃/10MPa条件下保温保压1h，之后随炉保压降温冷却即可。制备出的双金属材料采用拉伸试验方法测试，其平均抗拉强度达512MPa，且断裂面在铜层。铜层材料采用M2000型摩擦试验机测试其摩擦学性能，摩擦条件为：转速200r/min，载荷200N，对偶材料为淬火45#钢，摩擦时间为1h，航空煤油介质，滴油，4～5滴/h，其平均摩擦系数为0.150，磨损体积为0.26×10^-3cm³。

实施例5：首先将纯度大于99.0%、颗粒尺寸为50～150mm的Ni、Cr、Ti粉体按Ni：20%，Cr：0.5%，Ti：1%，余量为CuSn6.5-0.1的物质按重量比混合；将上述混合物采用Fritsch高能球磨机在球料比为2.5:1，转速为250rpm的条件下以无水甲醇保护球磨20h，使粉体均匀混合；将混合后的粉体置于真空干燥箱中在65℃/1h烘干；将表面镀Cu（厚度约为10～20mm）的40CrNiMoA放入石墨模具中，将烘干后的粉体铺在40CrNiMoA表面；压上石墨垫片和压头，将模具放入真空热压烧结炉中，以10℃/min的速度开始升温，在温度升至300℃以后施加压力10MPa，当温度升至820℃时压力增为25MPa，在820℃/25MPa保温保压1h，1h后将压力再降为10MPa，继续升温至900℃，在900℃/10MPa条件下保温保压1h，之后随炉保压降温冷却即可。制备出的双金属材料采用拉伸试验方法测试，其平均抗拉强度达542MPa，且断裂面在铜层。铜层材料采用M2000型摩擦试验机测试其摩擦学性能，摩擦条件为：转速200r/min，载荷200N，对偶材料为淬火45#钢，摩擦时间为1h，航空煤油介质，滴油，4～5滴/h，其平均摩擦系数为0.154，磨损体积为0.14×10^-3cm³。