錫青銅-鋼背自潤滑耐磨雙金屬材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料設(shè)計(jì)及制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有高結(jié)合強(qiáng)度的錫青銅-鋼背自潤滑耐磨雙金屬材料及其制備方法，適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油栗、運(yùn)載火箭伺服機(jī)構(gòu)、汽車、工程制造等領(lǐng)域中的關(guān)鍵摩擦副(如轉(zhuǎn)子/配油盤的配流副、滑靴/耐磨片的滑靴副)所需的雙金屬材料的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]錫青銅-鋼背雙金屬固體潤滑材料廣泛應(yīng)用于滑動(dòng)軸承、滑塊、滑道等機(jī)械零件。雙金屬材料結(jié)構(gòu)既滿足了摩擦副材料的匹配要求又提高了材料的疲勞強(qiáng)度，是目前高壓、高速大功率液壓栗用材料的發(fā)展趨勢(shì)之一。鋼與銅的焊接方法有熔化焊、釬焊、固態(tài)擴(kuò)散焊、粉末冶金方法等。采用熔化焊時(shí)，經(jīng)常發(fā)生銅滲到鋼晶粒之間，產(chǎn)生熱應(yīng)力，使焊縫發(fā)生斷裂，同時(shí)合金元素易燒損、易蒸發(fā)，且在焊縫中易產(chǎn)生錫、鉛等元素的偏析。而釬焊多用于鋼與銅及銅合金較精密的焊接，釬焊雖然不會(huì)出現(xiàn)熔化焊時(shí)易產(chǎn)生的裂紋、氣孔、偏析等問題，但釬焊時(shí)易降低接頭的抗腐蝕性能，接頭強(qiáng)度較低，且使用范圍受一定限制。固態(tài)擴(kuò)散焊以真空擴(kuò)散焊應(yīng)用的最為廣泛，由于固態(tài)焊接頭之間不產(chǎn)生熔化，沒有熔合區(qū)，避免了接頭因熔化而出現(xiàn)組織變化、成分偏析和晶粒長大等問題。但真空擴(kuò)散焊首先需要將銅合金燒結(jié)成型(因?yàn)槟壳暗你~基一鋼背雙金屬材料很少采用純的銅合金，而往往在銅合金中加入強(qiáng)化相、潤滑相等，因此不宜采用傳統(tǒng)的鑄造方法制備，而應(yīng)采用粉末冶金方法燒結(jié)成型)，再進(jìn)行擴(kuò)散焊接；并對(duì)待焊零件表面光潔度有要求(表面粗糙度Ra值不大于1.6_)，在焊接過程中不施加壓力或壓力較低，易出現(xiàn)接頭結(jié)合強(qiáng)度不高、焊接試件變形等問題。熱等靜壓擴(kuò)散焊是在真空擴(kuò)散焊接的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，以氣體為壓力介質(zhì)，壓力較大，可達(dá)150?200MPa，且各個(gè)方向受力均勻，克服了單軸加壓所帶來的焊件變形和受工件形狀限制等缺點(diǎn)，接頭強(qiáng)度高(史鴻培、彭度武用熱等靜壓擴(kuò)散焊的方法焊接銅合金QSn6.5-0.1與鋼40CrNiMoA，其平均接頭強(qiáng)度為401.3MPa，加鎳夾層后其平均接頭強(qiáng)度為451?616.8MPa，宇航材料工藝，第二期，26-32);但仍需先制備出銅層材料，再進(jìn)行熱等靜壓擴(kuò)散焊，并且熱等靜壓機(jī)價(jià)格昂貴，工藝要求苛刻。粉末冶金方法特別適合制備銅層為復(fù)合材料的雙金屬材料。但目前采用的粉末冶金方法制備雙金屬材料所需工序復(fù)雜，要經(jīng)過混料一鋪粉一預(yù)燒一初乳一復(fù)燒一精乳一校平等工序，而且雙金屬材料的結(jié)合強(qiáng)度較低，例如專利CN102528048B中公開了一種含硅青銅的鋁青銅-鋼雙金屬材料的制備方法，通過酸洗一混料一鋪粉一一次燒結(jié)一冷乳一二次燒結(jié)后，制得的鋁青銅-鋼雙金屬材料的界面結(jié)合強(qiáng)度僅能達(dá)到85MPa以上，實(shí)施例中最高結(jié)合強(qiáng)度僅為117MPa。上述銅基-鋼背雙金屬材料的制備方法各有缺陷，急需發(fā)展一種結(jié)合強(qiáng)度高的、所需設(shè)備簡單、工序簡便的雙金屬材料制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種具有抗干磨自潤滑性能及界面結(jié)合強(qiáng)度高的、工序簡便的錫青銅-鋼背自潤滑耐磨雙金屬材料及其制備方法。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明首先通過優(yōu)化自潤滑銅層材料配方，即在錫青銅基體中添加鎳(Ni)、鉻(Cr)、鈦(Ti)等強(qiáng)化元素，顯著提高了自潤滑銅層材料的機(jī)械強(qiáng)度和抗磨損性能；其次通過引入中間層，即在鋼背表面鍍一層Cu，更利于雙金屬材料的界面結(jié)合；最后通過獨(dú)創(chuàng)的階梯式燒結(jié)工藝，一次制備出具有高結(jié)合強(qiáng)度的雙金屬材料，無需后續(xù)的初乳一復(fù)燒一精乳等加工或處理。
[0005]錫青銅-鋼背自潤滑耐磨雙金屬材料，其特征在于:鋼背的表面鍍銅，錫青銅包括重量百分比為5?20%的N1、0.5?1%的Cr、0.5?1%的Ti和余量的銅錫合金。
[0006]所述N1、Cr、Ti和銅錫合金粉末的純度均大于99.0%，顆粒尺寸均為50?150mm。
[0007]所述銅錫合金為CuSnlO或CuSn6.5-0.1。
[0008]所述鋼背的材質(zhì)為40CrNiMoA，其表面鍍銅的厚度為5?20mm。
[0009]如上所述錫青銅-鋼背自潤滑耐磨雙金屬材料的制備方法為:將N1、Cr, Ti和銅錫合金粉體混合后進(jìn)行高能球磨，使粉體均勻混合并機(jī)械合金化，然后將混合粉體干燥；將表面鍍銅的鋼背放入石墨模具內(nèi)，將上述粉體鋪在鋼表面，壓上石墨墊片和壓頭；將石墨模具置于真空熱壓燒結(jié)爐中，以10°C /min的速度開始升溫，升溫時(shí)加壓5?lOMPa ;當(dāng)溫度升至750?830°C時(shí)，在17.5?25MPa保溫0.5?L 5h ;之后將壓力降為5?lOMPa，繼續(xù)升溫至850°C?900°C ;在850°C?900°C、5?lOMPa條件下保溫0.5?1.5h ;最后隨爐冷卻即可制得具有高結(jié)合強(qiáng)度的錫青銅-鋼背自潤滑耐磨雙金屬材料。
[0010]所述球磨的條件:球料比2.5?10:1，轉(zhuǎn)速250?400rpm，以無水甲醇或丙酮保護(hù)球磨15?30小時(shí)。
[0011]所述干燥的條件:溫度55?65 °C，時(shí)間0.5?2小時(shí)。
[0012]本發(fā)明在錫青銅中添加的N1、Cr, Ti元素不與基體元素Cu、Sn等發(fā)生反應(yīng)，不生成有害相，且能起強(qiáng)化作用。經(jīng)過高能球磨后，Cr、Ti已經(jīng)固溶到CuSn基體中，Ni也在基體中均勻分布。40CrNiMoA鋼基體上鍍Cu作為中間層更利于銅層材料與鋼基體的互擴(kuò)散。采用的階梯式燒結(jié)工藝在將銅層粉體熱壓燒結(jié)成塊體的同時(shí)起熱壓擴(kuò)散焊的作用，促使銅層材料和鋼基體在一定溫度、一定壓力下充分互擴(kuò)散。采用本發(fā)明的制備方法制備出的錫青銅-鋼背雙金屬材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)500MPa以上，遠(yuǎn)高于采用其他工藝制備的雙金屬材料的結(jié)合強(qiáng)度，如李卓然等采用真空擴(kuò)散焊方法制備QSn4-4-2.5與45#鋼雙金屬材料，其抗拉強(qiáng)度為180?200MPa (焊接技術(shù)，1999，28 (2):6 ;宇航材料工藝，1999 (3):51);專利CN102528048B中采用粉末冶金方法制備了含硅青銅的鋁青銅-鋼雙金屬材料，其界面結(jié)合強(qiáng)度最高僅為117MPa。而且采用本發(fā)明的制備方法可獲得不同厚度的銅層材料，能滿足不同工況的需求。
【具體實(shí)施方式】
[0013]實(shí)施例1:首先將純度大于99.0%、顆粒尺寸為50?150mm的N1、Cr、Ti粉體按N1:10%，Cr:0.5%，T1:1%，余量為CuSnlO的物質(zhì)按重量比混合；將上述混合物采用Fritsch高能球磨機(jī)在球料比為2.5:1，轉(zhuǎn)速為250rpm的條件下以無水甲醇保護(hù)球磨20h，使粉體均勻混合；將混合后的粉體置于真空干燥箱中在65°C /lh烘干；將表面鍍Cu(厚度約為10?20mm)的40CrNiMoA鋼放入石墨模具中，將烘干后的粉體鋪在40CrNiMoA表面；壓上石墨墊片和壓頭，將模具放入真空熱壓燒結(jié)爐中，以10°c /min的速度開始升溫，在溫度升至300°C以后施加壓力lOMPa，當(dāng)溫度升至800°C時(shí)壓力增為25MPa，在800°C /25MPa條件下保溫保壓lh，lh后將壓力再降為lOMPa，繼續(xù)升溫至900°C，在900°C /lOMPa條件下保溫保壓lh，之后隨爐保壓降溫冷卻即可。制備出的雙金屬材料采用拉伸試驗(yàn)方法測試，其平均抗拉強(qiáng)度達(dá)515MPa，且斷裂面在銅層。銅層材料采用M2000型摩擦試驗(yàn)機(jī)測試其摩擦學(xué)性能，摩擦條件為:轉(zhuǎn)速200r/min，載荷200N，對(duì)偶材料為淬火45#鋼，摩擦?xí)r間為lh，航空煤油介質(zhì)，滴油，4?5滴/h，其平均摩擦系數(shù)為0.141，磨損體積為0.17X10 3cm3。
[0014]實(shí)施例2:首先將純度大于99.0%、顆粒尺寸為50?150mm的N1、Cr、Ti粉體按N1:10%，Cr:0.5%，T1:1%，余量為CuSnlO的物