一种铜合金-钢双金属复合材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明是涉及一种铜合金-钢双金属复合材料及其制备方法和应用，属于双金属复合材料技术领域。
【背景技术】
[0002]滑动轴承是汽车(特别是发动机)中非常重要的摩擦易损件，与发动机曲轴、活塞销、凸轮轴及汽车底盘上的某些轴类零件组成重要的摩擦副。滑动轴承材料的性能在一定程度上影响或决定着汽车和发动机的寿命、可靠性及某些主要经济技术指标。因此，随着汽车及发动机性能的不断提高，对滑动轴承材料的性能要求也不断提高。
[0003]目前的重载发动机滑动轴承一般使用铅青铜-钢双金属复合材料，因为铅青铜-钢双金属复合材料具有良好的减摩性、耐磨性、抗咬合性、承载能力和抗疲劳性等，铅是滑动轴承材料中的润滑组元，对于提高重载、中速和高速发动机滑动轴承材料的抗咬合性能至关重要。但随着人类社会对环境保护越来越重视，要求限制使用铅的呼声也越来越高，因此，滑动轴承材料无铅化成为近年来材料科学的研宄热点。
[0004]近年来，一些国内外材料科学工作者在滑动轴承材料无铅化方面通过引入固体润滑剂如石墨或短碳纤维来替代润滑组元铅。由于石墨的硬度较低，铜合金中添加石墨会降低其硬度和耐磨性。虽然碳纤维硬度较高，但是碳纤维端面的棱和角容易引起应力集中，成为疲劳裂纹萌生的源头；且由于碳和铜不互溶，它们之间的润湿性很差，因此复合在铜基体中碳组元与铜之间仅仅是机械结合，结合强度很低；为了改善碳组元与铜基体之间的界面结合，人们在制备碳纤维增强铜基复合材料时，会预先在碳纤维表面电镀或化学镀一层镍。但是这种工艺成本非常高，在工业上难以推广应用。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种铜合金-钢双金属复合材料及其制备方法和应用。
[0006]为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下:
[0007]一种铜合金-钢双金属复合材料，是由碳含量小于等于0.25?〖％的碳素钢基层与添加有中间相炭微球的铜合金层复合而成；所述铜合金的组成配方为:锡3.0?13.0wt
镍L O?5.0wt%、铜81.5?99.5wt%，其它杂质含量总和不超过0.5wt%o
[0008]作为优选方案，所述中间相炭微球的粒径< 50 μ mo
[0009]作为优选方案，所述中间相炭微球在铜合金层中的体积分数为3?20%。
[0010]一种制备所述的铜合金-钢双金属复合材料的方法，为粉末冶金法，包括如下步骤:
[0011]a)将添加有中间相炭微球的铜合金粉均匀地铺在经预处理后的碳素钢板的表面；
[0012]b)在还原性保护气氛下、于760?870°C进行初次烧结(简称初烧)，烧结时间为15?100分钟；
[0013]c)将初烧后的材料在冷轧机上进行初轧矫平；
[0014]d)在还原性保护气氛下、于850?960°C进行再次烧结(简称复烧)，烧结时间为15?100分钟；
[0015]e)将复烧后的材料在冷轧机上进行精轧矫平。
[0016]作为优选方案，所述铜合金粉的粒径< 200 μ mo
[0017]作为优选方案，所述铜合金粉的制备采用高压水雾法，包括:配料一熔炼一雾化一脱水干燥一筛分步骤。
[0018]作为进一步优选方案，其中的熔炼温度为1300?1500°C，雾化所用高压水的压力为 8 ?12MPa。
[0019]作为优选方案，所述的还原性保护气氛为氢气、氨分解气或氢气与氮气的混和气氛。
[0020]作为优选方案，将中间相炭微球添加到铜合金粉中的操作如下:将铜合金粉与中间相炭微球和粘合剂按质量比为1: (0.022?0.033):0.013混合均匀，然后进行干燥。
[0021 ] 作为进一步优选方案，所述粘合剂为质量百分比浓度为5 %?15 %的聚乙烯醇水溶液。
[0022]作为进一步优选方案，所述干燥是在80?120°C干燥18?30小时。
[0023]由于本发明所述的铜合金-钢双金属复合材料的硬度及摩擦系数与现有的铅青铜相近，因此，本发明所述的铜合金-钢双金属复合材料可替代现有的铅青铜-钢双金属复合材料用作滑动轴承材料。
[0024]与现有技术相比，本发明提供的铜合金-钢双金属复合材料不仅不含重金属铅、符合环保要求，而且还具有高强度、硬度和机械承载能力及优良的耐磨性能，可替代现有的铅青铜-钢双金属复合材料用作滑动轴承材料；另外，本发明所述材料的制备工艺简单，原材料价廉易得，易于规模化生产，具有显著的工业应用价值。
【附图说明】
[0025]图1为实施例3所制备的添加有中间相炭微球的铜合金层的扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0026]下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地说明。
[0027]实施例1
[0028]实验目的:制备总厚度为2.5mm、宽度为120mm、铜合金层的厚度为0.5mm的铜合金-钢双金属复合板材。
[0029]制备步骤:
[0030]a)对碳素钢板进行预处理:选用碳含量小于等于0.25wt%的碳素钢板(如SPCC牌)，将大张的钢板剪切成设计的2.5mm X 126mm X 625mm，进行除油除锈后，改轧至(2.0±0.01) mm X 106mm X 780mm，并校平，平面度< 0.5mm ;
[0031]b)制备铜合金粉:采用高压水雾法制备铜合金粉(粒径< 200 μπι)，工艺流程为:配料一熔炼一雾化一脱水干燥一筛分；其中:熔炼温度为1380°C，雾化所用高压水的压力为1MPa ;铜合金粉的组成配方为:锡13.0wt%、镍5.0wt%、铜81.5wt%，其它杂质含量总和为 0.5wt% ；
[0032]c)将铜合金粉与中间相炭微球(购于深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司)和粘合剂(质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇水溶液)按质量比为1:0.022:0.013混合均匀，然后在100°C下干燥24小时；
[0033]d)按铜合金层厚度为0.5mm的设计要求，将添加有中间相炭微球的铜合金粉均匀地铺在经预处理后的碳素钢板的表面，铺粉厚度约为0.85mm ;
[0034]e)在还原性保护气氛(氨分解气)下、于760°C进行初次烧结(简称初烧)，烧结时间为20分钟；
[0035]f)将初烧后的材料在冷轧机上进行冷轧(初轧)，轧制至2.60mm的厚度，精度控制在 ±0.01mm ；
[0036]g)在还原性保护气氛下、于850°C进行再次烧结(简称复烧)，烧结时间为20分钟；
[0037]h)将复烧后的材料在冷轧机上进行轧制(精轧)，轧制后厚度为2.50±0.0lmm,即得到所要求的铜合金-钢双金属复合板材。
[0038]经检测:中间相炭微球在铜合金层中的体积分数为8.1%，所制备的铜合金层的维氏硬度为76.3，摩擦系数为0.19 ;而现有的CuSnlOPblO层的维氏硬度为73.9，摩擦系数为0.21 ;说明所制备的铜合金-钢双金属复合板材可用作滑动轴承材料。
[0039]实施例2
[0040]实验目的:制备总厚度为2.5mm、宽度为120mm、铜合金层的厚度为0.5mm的铜合金-钢双金属复合板材。
[0041]制备步骤:
[0042]a)对碳素钢板进行预处理:选用碳含量小于等于0.25wt%的碳素钢板(如SPCC牌)，将大张的钢板剪切成设计的2.5mm X 126mm X 625mm，进行除油除锈后，改轧至(2.0±0.01) mm X 106mm X 780mm，并校平，平面度< 0.5mm ;
[0043]b)制备铜合金粉:采用高压水雾法制备铜合金粉(粒径