本发明涉及轴承材料领域，特别是一种通过松散烧结获得的具有超低孔隙率的轴承材料及其制造方法。
背景技术：
滑动轴承以优质碳素钢为基体，表面烧结青铜粉，适用于重载低速下的摇摆运动、旋转运动，具有摩擦系数低、耐磨性能好，使用寿命长、抗咬合性能好等特点。铜合金表面可以根据工况需要加工出各种形式的油槽、储油坑、油穴等，以适合于无法加油或难以加油的场合。其可以广泛使用于矿山机构、汽车、建筑机械、农用机械，以及轧钢机构等等。
采用粉末铜合金烧结的滑动材料均存在一定的孔隙率，滑动材料的机械强度及抗疲劳强度与其孔隙率呈反比关系，孔隙率越高，其机械强度及抗疲劳强度越差。在某些工况条件下，如发动机连杆衬套、空调压缩机衬套等，铜合金烧结的滑动材料会承受较大的冲击力与载荷，对材料的强度与抗疲劳能力有非常高的要求，这就需要铜合金烧结材料具有较低的孔隙率。越来越多的汽车发动机生产商对连杆衬套的孔隙率及最大孔隙尺寸提出越来越严苛的要求，这是因为发动机的连杆衬套对材料的抗疲劳强度有非常高的要求，而材料的孔隙率及孔隙尺寸对材料的抗疲劳强度与机械性能有直接的影响，经申请人测试，当连杆衬套的平均孔隙率小于1％，最大孔隙尺寸小于0.050mm时，连杆衬套的抗疲劳强度与机械性能能够显著提升。而大部分厂家由于生产的衬套材料的孔隙率都大于1％，最大孔隙尺寸也都大于0.050mm，其抗疲劳强度与机械性能均不理想。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种无铅铜合金通过松散烧结的方式、具有超低孔隙率及孔隙尺寸，且具有较高强度及抗疲劳强度的通过松散烧结获得的具有超低孔隙率的轴承材料及其制造方法，以满足上述要求。
一种通过松散烧结获得的具有超低孔隙率的轴承材料，包括基板以及烧结于基板上的接触层，所述接触层由铜合金颗粒及无机材料颗粒组成，其中，铜合金颗粒的重量占比为98％-99.8％，所述无机材料颗粒的重量占比为0.02-2％，所述铜合金颗粒包括目数为-140+200的铜合金颗粒及目数为-600的铜合金颗粒。
进一步地，所述基板由钢板、不锈钢板和铜板中的任意一种材料制成。
进一步地，所述目数为-600的铜合金颗粒与目数为-140+200的铜合金颗粒的粒径比小于或等于0.3。
进一步地，其内部任意单个孔隙的最大尺寸均小于0.050mm，平均孔隙率小于1％。
进一步地，目数为-140+200的铜合金颗粒的重量百分含量为70-85％；目数为-600的铜合金颗粒的重量百分含量为15-30％
进一步地，所述铜合金颗粒由金属铜、金属锡、金属钛及磷粉组成，所述金属铜的重量占比为92-97.95％，金属锡的重量占比为2-7％，金属钛的重量占比为0.01-0.5％，所述磷粉的重量占比为0.01-0.5％。
进一步地，所述无机材料颗粒为碳粉、石墨、二氧化硅、碳化硅、三氧化二铝中的一种或任何几种的混合，其目数为-2000目。
一种通过松散烧结获得的具有超低孔隙率的轴承材料的制造方法，包括如下步骤：
步骤s1：提供目数为-140+200及目数为-600的铜合金颗粒；
步骤s2：提供无机材料颗粒；
步骤s3：将目数为-140+200的铜合金颗粒、目数为-600的铜合金颗粒及无机材料颗粒均匀混合，形成混合料，其中铜合金颗粒的重量占比为98％-99.8％，所述无机材料颗粒的重量占比为0.02-2％；
步骤s4：提供一个基板，并将混合料以松散状态均匀置于基板上；
步骤s5：对置有混合料的基板进行第一次烧结；
步骤s6：对进行第一次烧结后的具有混合料的基板进行压延；
步骤s7：对压延后的具有混合料的基板进行第二次烧结以形成基板上的接触层，所述接触层与基板形成所述具有超低孔隙率的轴承材料。
进一步地，第一次、第二次烧结的烧结温度区间为800-950℃，每次烧结时间为15-30分钟。
进一步地，目数为-600的铜合金颗粒与目数为-140+200的铜合金颗粒的粒径比为0.3。
进一步地，所述步骤s3中采用v型混合机进行混合。
与现有技术相比，本发明提供的通过松散烧结获得的具有超低孔隙率的轴承材料及其制造方法中，轴承材料由于包含目数为-140+200的铜合金颗粒及目数为-600的铜合金颗粒，目数为-140+200的铜合金颗粒的重量百分含量为70-85％，目数为-600的铜合金颗粒的重量百分含量为15-30％，具有超低的孔隙率及孔隙尺寸，带来较高的机械强度与优良的抗疲劳性能，所以该具有超低孔隙率的轴承材料可优选用于制作发动机的连杆衬套等。由于是无铅铜合金烧结，满足了人体健康及环保要求。
附图说明
图1为现有技术中采用等径球形颗粒铜合金粉末制得的轴承材料的微观结构示意图。
图2为采用一定比例的不同粒径球形颗粒铜合金粉末制得的轴承材料的微观结构示意图。
图3为本发明实施例提供的通过松散烧结获得的具有超低孔隙率的轴承材料的金相孔隙测试结果图。
图4为比较例1的金相孔隙测试结果图。
图5为比较例2的金相孔隙测试结果图。
图6为实施例2的金相孔隙测试结果图。
图7本发明实施例提供的一种通过松散烧结获得的具有超低孔隙率的轴承材料的制造方法的流程示意图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施例进行进一步详细说明。应当理解的是，此处对本发明实施例的说明并不用于限定本发明的保护范围。
本发明提供的一种通过松散烧结获得的具有超低孔隙率的轴承材料，其包括基板，以及烧结于基板上的接触层。所述基板可以为铜板，也可以为不锈钢板，或钢板，还可以为其他材料制成的板材等。所述接触层应当为与其他零部件接触的一层材料膜。例如，当所述轴承材料制成后，经过卷制成滑动轴承后，该滑动轴承将套设在一根轴上，所述接触层便为该滑动轴承与轴接触的一层材料膜。
所述接触层由铜合金颗粒及无机材料颗粒组成，其中，铜合金颗粒的重量占比为98％-99.8％，所述无机材料颗粒的重量占比为0.02-2％。
所述铜合金颗粒由金属铜、金属锡、金属钛及磷粉冶炼而成，所述金属铜的重量占比为92-97.95％，金属锡的重量占比为2-7％，金属钛的重量占比为0.01-0.5％，所述磷粉的重量占比为0.01-0.5％。
所述无机材料颗粒为碳粉、石墨、二氧化硅、碳化硅、三氧化二铝中的一种或任何几种的混合，其目数为-2000目，所述无机材料颗粒在所述接触层中的重量占比为0.02-2％。
本实施方式中，铜合金颗粒的形状为球形。
粉末烧结中，颗粒形状对粉末的松装密度、流动性均有较大的影响，并且对粉末烧结体的强度与孔隙率有显著的影响。球形颗粒的松装密度和流动性要大大高于片状或不规则状颗粒，且球形颗粒烧结体的孔隙率远远低于片状和不规则状，故要获得较低的孔隙率，则需要采用球形粉末颗粒。
球形粉末的目数对松装密度和流动性也有较大的影响，并且对粉末烧结体的孔隙率有显著的影响。目数大小反映的是球形粉末的直径尺寸，根据粉末堆积的原理来看，不同粒径的球形颗粒的自由堆积后初始松装密度要高于等径球形颗粒的自由堆积，不同粒径的球形颗粒的烧结体孔隙率也要明显低于等径球形颗粒的孔隙率。
不同粒径的球形颗粒的粒径比也对球形颗粒的自由堆积后初始松装密度及粉末烧结体的孔隙率有显著的影响。
进一步地，铜合金颗粒包括目数为-140+200的铜合金颗粒及目数为-600的铜合金颗粒。目数为-140+200的铜合金颗粒的重量百分含量为70-85％；目数为-600的铜合金颗粒的重量百分含量为15-30％。目数为-600的铜合金颗粒与目数为-140+200的铜合金颗粒的粒径比为小于或等于0.3。经多次实验得知，在此目数比例条件下，可以获得较高的初始松装密度，铜粉间接触面积大，有利于烧结过程的进行，经烧结轧制后得到超低孔隙的无铅铜合金材料，作为所述接触层。经检测得知，通过此种方式制得的轴承材料，其内部任意单个孔隙的最大尺寸可以保证小于0.050mm，其平均孔隙率小于1％。
目数是指标的物穿过1平方英寸的筛网，该筛网具有的筛孔数。目数前加正负号则表示能否漏过该目数的网孔，负数表示能漏过该目数的网孔，即颗粒尺寸小于网孔尺寸；而正数表示不能漏过该目数的网孔，即颗粒尺寸大于网孔尺寸。例如，颗粒目数为-100+200，即表示这些颗粒能从100目的网孔漏过而不能从200目的网孔漏过。
请参考图7，本发明还提供一种通过松散烧结获得的具有超低孔隙率的轴承材料的制造方法，包括以下步骤：
步骤s1：提供目数为-140+200的铜合金颗粒及目数为-600的铜合金颗粒，目数为-140+200的铜合金颗粒的重量百分含量为70-85％，目数为-600的铜合金颗粒的重量百分含量为15-30％。
步骤s2：提供无机材料颗粒，所述无机材料颗粒为碳粉、石墨、二氧化硅、碳化硅、三氧化二铝中的一种或任何几种的混合，其目数为-2000目。
步骤s3:将目数为-140+200的铜合金颗粒、目数为-600的铜合金颗粒及无机材料颗粒放入v型混合机中进行均匀混合，其中铜合金颗粒的重量占比为98％-99.8％，所述无机材料颗粒的重量占比为0.02-2％。所述铜合金颗粒由金属铜、金属锡、金属钛及磷粉组成，所述金属铜的重量占比为92-97.95％，金属锡的重量占比为2-7％，金属钛的重量占比为0.01-0.5％，所述磷粉的重量占比为0.01-0.5％。
步骤s4：提供一个基板，并将混合料以松散状态均匀置于基板上，其中一个实施方式中，混合料的厚度约为2.0mm。
步骤s5：对置有混合料的基板进行第一次烧结，需要说明的是，本实施方式中，混合料烧结前处于松散状态，即不通过压制设备进行压制，此种烧结方式为松散烧结工艺；
步骤s6：对进行第一次烧结后的具有混合料的基板进行压延；
步骤s7：对压延后的具有混合料的基板进行第二次烧结以形成基板上的接触层。接触层与基板形成所述的轴承材料。
第一次、第二次烧结的烧结温度区间为800-950℃，每次烧结时间为15-30分钟。
最后，将上述轴承材料成型为圆筒状作为轴承或轴承衬套。
对上述制作的轴承部件，如轴承或轴承衬套进行检测，检测方式如下：
1.金相孔隙率及孔隙尺寸检测：
检测设备：高倍金相显微镜
检测倍数：100倍
2.孔隙率检测方式：获取连续5个金相视窗，测算平均孔隙率
3.孔隙尺寸检测方式：在连续5个金相视窗中检测最大孔隙尺寸。
4.将上述的实施例和比较例制作成同等规格的轴瓦材料，通过dp型(蓝宝石)轴瓦疲劳试验机来研究孔隙率以及孔隙尺寸对材料抗疲劳强度的影响。
检测结果如表1所示。
表1测试结果
比较例1采用等径球形颗粒铜合金粉末进行自由状态下的松散烧结，测试结果发现最终的孔隙率均较高，比较例1的单个孔隙最大尺寸达到了95um，这是因为等径球形颗粒自由状态下的堆积会产生较大的孔隙，如图1及图4所示，即使是六方最密填充形态，等径球体之间仍然会存在较大的孔隙，即使经烧结与轧制工艺，仍然会存在较大的孔隙残留。
比较例2采用了一定比例的不同粒径球形颗粒进行松散烧结，松散的自由状态下，大颗粒与大颗粒之间堆积产生的孔隙被小颗粒填充，从而降低了初始堆积状态下的孔隙率，比较例2与比较例1比较，烧结体的孔隙率明显降低，且单个孔隙最大尺寸为75um，几乎减小了近一半，如图2所示。但由于粒径比较高，松散堆积后仍然存在较大数量的孔隙，见图5。
实施例1与比较例1和比较例2相比较，在不同粒径比例相同的前提下，降低了小颗粒球粉的目数，从而使得松散堆积的粒径较大的球粉间的孔隙被粒径较小的球粉最大程度的填充，见图3。实施例1的烧结体孔隙率降低至1％以下，同时其单个孔隙最大尺寸仅为35um，随着粒径比的减小，烧结体的孔隙率与单个孔隙最大尺寸迅速降低。经实验证明，松散状态下的铜合金颗粒混合物不经过压制，仅通过不同目数的铜合金颗粒的搭配混合，烧结后即可获得较为致密的烧结体。由于压制设备成本较高，压制工艺较为复杂，特别是大尺寸的板材压制，目前还没有相应的压制设备，因此本实施方式的制作工艺简单、制作成本低。
请参考图6，实施例2在实施例1的基础上进一步减小了粒径比，从而使得松散堆积的粒径较大的球粉间的孔隙被粒径较小的球粉最大程度的填充，实施例2的粒径比小至0.1，最大孔隙尺寸仅为33um，此时虽然能进一步降低单个空隙的最大尺寸，但是对烧结体的孔隙率影响较小，对抗疲劳强度的提升也并不特别明显，而且粒径比小至0.1时所需的工艺要求很高，制造成本较高。因此综合考虑，实施例1优于实施例2。
如上所述，本发明的通过松散烧结获得的具有超低孔隙率的轴承材料在铜合金粉末粒径比小于或等于0.3时，具备较低的孔隙率与较小的孔隙尺寸，从而获得较高的机械强度与优异的抗疲劳性能。
从上表中可以看到，材料的抗疲劳性能与其孔隙率有很大的关系，孔隙率越高，材料的抗疲劳性能越低。
如以上说明，本发明的通过松散烧结获得的具有超低孔隙率的轴承材料由于包含目数为-140+200的铜合金颗粒及目数为-600的铜合金颗粒，目数为-140+200的铜合金颗粒的重量百分含量为70-85％，目数为-600的铜合金颗粒的重量百分含量为15-30％，具有超低的孔隙率及孔隙尺寸，带来较高的机械强度与优良的抗疲劳性能，所以该轴承材料可优选用于制作发动机的连杆衬套等。由于是无铅铜合金烧结，满足了人体健康及环保要求。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用于局限本发明的保护范围，任何在本发明精神内的修改、等同替换或改进等，都涵盖在本发明的权利要求范围内。