专利名称：一种自润滑铜合金粉末复合材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及金属自润滑复合材料，具体是指一种铁合金基体自润滑铜合金粉末复合材料及制备方法。
背景技术：
自润滑铜合金粉末冶金零件在汽车、工程机械等行业具有广泛的用途。随着现代工业的发展，高速度、大载荷的需求对自润滑铜合金提出了更高的性能要求。由于现使用的铜合金结构强度、硬度较低，很难适应现工业的需要。现使用的具有自润滑的铜合金基本上以青铜合金为主，但这类材料的相对密度低，其抗拉强度、硬度均较低，同时含有大量的铅， 不仅对人体有害而且对环境的污染较大。
近年来，各国对环保方面的要求越来越严格，特别是铅的使用受到严格的限制，使得各制造行业广泛使用的含铅制品必须更换为新的无铅材料配方，以适应环保的要求。
现已经有技术提出，采用以铁合金为基体，外设置有铜合金层以实现自润滑功能的低含铅材料配方技术，该技术方案因为铁合金基体能够满足抗拉强度及硬度高的特点， 并因为铜合金层的厚度较薄，仅起到自润滑作用即能够实现各零件的性能。而且这一工艺材料中的铅的含量较低，一般低于原料质量百分组成的O. 1%，以实现低铅要求。但在这一工艺中，铁合金基体中必须含有一定量的铜，以便于在烧结过程中，铜合金层的铜经过渡层向铁合金基体中扩散，以形成更好的结合层。一般情况下，铁合金基体中铜的质量百分含量的数值不能低于铜合金层中铜的质量百分含量的数值的十分之一。因为若低于这一比例， 在烧结过程中，铁合金基体和铜合金层之间的过渡层中，会有明显的分层现象，降低铜合金层的强度，降低最终产品的使用寿命。而且铁合金基体中使用大量的铜材料，增加最终产品的成本。 发明内容
本发明的目的是提供一种自润滑铜合金粉末复合材料，在保证零件使用性能的前提下，降低生产成本。
本发明是通过以下技术方案实现的
—种自润滑铜合金粉末复合材料，包括有铁合金基体(I)、铁合金层(2)和铜合金层⑶；
所述铁合金基体(I)中各组成的质量百分含量中必须含有3% _5%的铜，其余为铁及其它组成材料；
所述铁合金层(2)中各组成的质量百分含量为，8%-12%的铜，1.的石墨，1. 5% -2. 5%的锡，低于I %的其它材料，余量为铁；
所述铜合金中各组成的质量百分含量为，8% -10%的镍，1. 1% -2.0%的二硫化钥，5% -8%的锡，5% -8%的铁，低于I %的其它材料，余量为铜。
在所述铁合金基体(I)和铁合金层(2)结合处以及铁合金层(2)和铜合金层(3)结合处经烧结后存在过渡层。
所述铜合金层(3)的厚度为O. 2-2毫米。
所述铁合金层(2)的厚度为铜合金层厚度的1-4倍。
—种自润滑铜合金粉末复合材料制备方法，所述复合材料包括有铁合金基体(I)、 铁合金层(2)和铜合金层(3)；
步骤1、分别制备铁合金基体I温压粉末、铁合金层2温压粉末和铜合金层3温压粉末；
步骤2、按铁合金基体I的材料配比，将铜粉、铁粉和粘结剂PVP共同经混料机混料 5-10分钟，然后加入石墨粉和润滑剂PEG，再经5-10分钟混合得到混合粉末A ；
按铁合金层2的材料配比，将铜粉、锡粉、其它材料、铁粉及粘结剂PVP经混料机混料5-10分钟然后加入石墨粉和润滑剂PEG后再经5-10分钟混合得到混合粉末B ；
按铜合金层3的材料配比，将镍粉、锡粉、铁粉、铜粉分别在O.1MPa压力下氨保护气氛中于200°C保温2小时去应力回火，再加入粘结剂PVP经混料机混料5-10分钟后加入石墨粉、二硫化钥粉和润滑剂PEG，再经 5-10分钟混料得混合粉末C ；
步骤3、将粉末A、粉末B和粉末C分别在50°C温度下干燥。然后过80目筛，筛下物分别为铁合金基体I温压粉末、铁合金层2温压粉末和铜合金层3温压粉末；
步骤4、向模具中首先装入铁合金基体I温压粉末，然后装入铁合金层2温压粉末， 最后装入铜合金层3温压粉末，一次压制成坯，压制压力为750-850MPa，模具温度为110°C， 各粉末温度为135°C ；
步骤5、将压坯在O. 1-0. 15MPa氨保护气中，以1080±5°C _1150±5°C烧结10-25 分钟，然后将烧结坯体在模具中整形，整形压力为650MPa-700MPa，然后分两部匀速降温， 第一步为1100°C _650°C，第二步为650°C -300°C，第一步的降温速率为第二步降温速率的 80% ;然后自然冷却到常温。
本发明同现有技术相比的有益效果是
1、本发明通过采用三层结构，减少了铜的使用量，显著的降低了最终产品的成本。
2、本发明采用石墨和二硫化钥代替铅，使铜合金层在保持良好的自润滑性能的同时，不再使用铅元素，减少了对人体和环境的损害。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
一种自润滑铜合金粉末复合材料，包括有铁合金基体(I)、铁合金层(2)和铜合金层⑶；
所述铁合金基体(I)中各组成的质量百分含量中必须含有3% _5%的铜，其余为铁及其它组成材料；
所述铁合金层(2)中各组成的质量百分含量为，8%-12%的铜，1.的石墨，1. 5% -2. 5%的锡，低于I %的其它材料，余量为铁；
所述铜合金中各组成的质量百分含量为，8% -10%的镍，1. 1% -2.0%的二硫化钥，5% -8%的锡，5% -8%的铁，低于I %的其它材料，余量为铜。
在所述铁合金基体(I)和铁合金层(2)结合处以及铁合金层(2)和铜合金层(3) 结合处经烧结后存在过渡层。
所述铜合金层(3)的厚度为O. 2-2毫米。
所述铁合金层(2)的厚度为铜合金层厚度的1-4倍。
—种自润滑铜合金粉末复合材料制备方法，所述复合材料包括有铁合金基体(I)、 铁合金层(2)和铜合金层(3)；
步骤1、分别制备铁合金基体I温压粉末、铁合金层2温压粉末和铜合金层3温压 粉末；
步骤2、按铁合金基体I的材料配比，将铜粉、铁粉和粘结剂PVP共同经混料机混料 5-10分钟，然后加入石墨粉和润滑剂PEG，再经5-10分钟混合得到混合粉末A ；
按铁合金层2的材料配比，将铜粉、锡粉、其它材料、铁粉及粘结剂PVP经混料机混 料5-10分钟然后加入石墨粉和润滑剂PEG后再经5-10分钟混合得到混合粉末B ；
按铜合金层3的材料配比，将镍粉、锡粉、铁粉、铜粉分别在O.1MPa压力下氨保护 气氛中于200°C保温2小时去应力回火，再加入粘结剂PVP经混料机混料5-10分钟后加入 石墨粉、二硫化钥粉和润滑剂PEG，再经5-10分钟混料得混合粉末C ；
步骤3、将粉末A、粉末B和粉末C分别在50°C温度下干燥。然后过80目筛，筛下 物分别为铁合金基体I温压粉末、铁合金层2温压粉末和铜合金层3温压粉末；
步骤4、向模具中首先装入铁合金基体I温压粉末，然后装入铁合金层2温压粉末， 最后装入铜合金层3温压粉末，一次压制成坯，压制压力为750-850MPa，模具温度为110°C， 各粉末温度为135°C ；
步骤5、将压坯在O. 1-0. 15MPa氨保护气中，以1080±5°C _1150±5°C烧结10-25 分钟，然后将烧结坯体在模具中整形，整形压力为650MPa-700MPa，然后分两部匀速降温， 第一步为1100°C _650°C，第二步为650°C -300°C，第一步的降温速率为第二步降温速率的 80% ;然后自然冷却到常温。
在本发明中，铁合金基体I中各材料的成份配比为3%-5%的铜，其它材料可以根 据需要进行任意调整，如碳、镍、钛、铝、锌、钴、钥、硼、稀土及其它元素中的一种或几种，对 其它元素不做特别要求，只要能够做为基体使用均能符合要求，但其它材料总计在铁合金 基体I中以不高于5%的重量百分比为最佳，其余为铁元素。
铁合金层2中，铁和铜的熔点不同，加入锡使烧结过程中出现液象，降低烧结温度。
铜合金层3中，加入锡、镍元素起固溶强化作用，提高铜合金层强度和硬度；加入 石墨和二硫化钥替代铅作润滑剂，使铜合金能够保持自润滑性能；加入铁元素的目的是提 高界面结合强度，提高复合材料的力学性能。
使用粘结剂PVP的目的是使得各种粉末混合均匀、润滑剂PEG的使用目的是提高 粉末之间的流动、重排和重塑；粘结剂PVP用量为各层重量百分比为O. 15% -O. 25%，润滑 剂PEG用量为各层重量百分比为O. 3% -O. 6%。
实施例1
在本实施例中按如下步骤进行制备
1、分别制备铁合金基体I温压粉末、铁合金层2温压粉末和铜合金层3温压粉末。
在本实施例中，铁合金基体I温压粉末选用含5%重量百分比的铜，其它材料为1. 5%的石墨，余量为铁粉；
铁合金层2温压粉末选用按重量百分比计算，10 %的铜粉、1. 5 %的石墨、2. O %的 锡粉、1. 0%的其它材料及余量的铁粉；
铜合金层3温压粉末选用按重量百分比计算，10%的镍粉、2. 0%的二硫化钥粉、 8 %的锡粉、5 %的铁粉、1.0%的其它材料及余量的铜粉。
在本实施例中铜合金层3的厚度设置为O. 5毫米，铁合金层2的厚度为铜合金层 3厚度的4倍。
按铁合金基体I的材料配比，将铜粉、铁粉和粘结剂PVP共同经混料机混料5-10 分钟，然后加入石墨粉和润滑剂PEG，再经5-10分钟混合得到混合粉末A ；
按铁合金层2的材料配比，将铜粉、锡粉、其它材料、铁粉及粘结剂PVP经混料机混 料5-10分钟然后加入石墨粉和润滑剂PEG后再经5-10分钟混合得到混合粉末B ；
按铜合金层3的材料配比，将镍粉、锡粉、铁粉、铜粉分别在O.1MPa压力下氨保护 气氛中于200°C保温2小时去应力回火，再加入粘结剂PVP经混料机混料5-10分钟后加入 石墨粉、二硫化钥粉和润滑剂PEG，再经5-10分钟混料得混合粉末C ；
将粉末A、粉末B和粉末C分别在50°C温度下干燥。然后过80目筛，筛下物分别 为铁合金基体温压粉末、铁合金层温压粉末和铜合金层温压粉末。
向模具中首先装入铁合金基体温压粉末，然后装入铁合金层粉末，最后装入铜合 金层温压粉末，一次压制成坯，压制压力为750-850MPa，模具温度为110°C，各粉末温度为 135。。。
将压坯在O.1MPa氨保护气中，以1100±5°C烧结15分钟，然后将烧结坯体在模 具中整形，整形压力为700MPa，然后分两部匀速降温，第一步为1100°C _650°C，第二步为 6500C _300°C，第一步的降温速率为第二步降温速率的80% ;然后自然冷却到常温。
实施例2
在本实施例中及以下的各实施例中，有变化的为铁合金基体1、铁合金层2及铜合 金层3的材料配比，再有就是整形压力为650-700MPa，再有的变化就是铁合金层的厚度和 铜合金层的厚度不同，其它部分相同，因此就不再进行重复说明。
在本实施例中，铁合金基体I温压粉末选用含3%重量百分比的铜，其它材料为 1.0%的石墨，余量为铁粉；
铁合金层2温压粉末选用按重量百分比计算，12%的铜粉、1.1 %的石墨、2. 5%的 锡粉、1. 0%的其它材料及余量的铁粉；
铜合金层3温压粉末选用按重量百分比计算，8%的镍粉、1. 5%的二硫化钥粉、5%的锡粉、8 %的铁粉、1.0%的其它材料及余量的铜粉。
在本实施例中铜合金层3的厚度设置为1. O毫米，铁合金层2的厚度为铜合金层3 厚度的3倍，烧结温度为1080°C，烧结时间25分钟，氨保护气压力为O. 12MPa，整形压力为 650MPa。
实施例3
在本实施例中，铁合金基体I温压粉末选用含4%重量百分比的铜，其它材料为1. 2%的石墨，余量为铁粉；
铁合金层2温压粉末选用按重量百分比计算，8%的铜粉、1. 2%的石墨、1. 5%的 锡粉、1. 0%的其它材料及余量的铁粉；
铜合金层3温压粉末选用按重量百分比计算，9%的镍粉、1. 8%的二硫化钥粉、6%的锡粉、6 %的铁粉、1.0%的其它材料及余量的铜粉。
在本实施例中铜合金层3的厚度设置为1. O毫米，铁合金层2的厚度为铜合金层3 厚度的2倍，烧结温度为1150°C，烧结时间10分钟，氨保护气压力为O. 15MPa，整形压力为 680MPa。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换 和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
权利要求
1.一种自润滑铜合金粉末复合材料，其特征在于包括有铁合金基体(I)、铁合金层 ⑵和铜合金层⑶；所述铁合金基体(I)中各组成的质量百分含量中必须含有3%-5%的铜，其余为铁及其它组成材料；所述铁合金层(2)中各组成的质量百分含量为，8%-12%的铜，1.1%-1. 5%的石墨，1.5% -2. 5%的锡，低于I %的其它材料，余量为铁；所述铜合金中各组成的质量百分含量为，8% -10%的镍，1.1 % -2. 0%的二硫化钥， 5% -8%的锡，5% -8%的铁，低于I %的其它材料，余量为铜。
2.根据权利要求1所述的自润滑铜合金粉末复合材料，其特征在于在所述铁合金基体(I)和铁合金层(2)结合处以及铁合金层(2)和铜合金层(3)结合处经烧结后存在过渡层。
3.根据权利要求1所述的自润滑铜合金粉末复合材料，其特征在于所述铜合金层(3) 的厚度为O. 2-2毫米。
4.根据权利要求1所述的自润滑铜合金粉末复合材料，其特征在于所述铁合金层(2) 的厚度为铜合金层厚度的1-4倍。
5.一种自润滑铜合金粉末复合材料制备方法，所述复合材料包括有铁合金基体(I)、 铁合金层(2)和铜合金层(3);其特征在于包括以下步骤步骤1、分别制备铁合金基体I温压粉末、铁合金层2温压粉末和铜合金层3温压粉末；步骤2、按铁合金基体I的材料配比，将铜粉、铁粉和粘结剂PVP共同经混料机混料5-10分钟，然后加入石墨粉和润滑剂PEG，再经5-10分钟混合得到混合粉末A ；按铁合金层2的材料配比，将铜粉、锡粉、其它材料、铁粉及粘结剂PVP经混料机混料5-10分钟然后加入石墨粉和润滑剂PEG后再经5-10分钟混合得到混合粉末B ；按铜合金层3的材料配比，将镍粉、锡粉、铁粉、铜粉分别在O.1MPa压力下氨保护气氛中于200°C保温2小时去应力回火，再加入粘结剂PVP经混料机混料5-10分钟后加入石墨粉、二硫化钥粉和润滑剂PEG，再经5-10分钟混料得混合粉末C ；步骤3、将粉末A、粉末B和粉末C分别在50°C温度下干燥。然后过80目筛，筛下物分别为铁合金基体I温压粉末、铁合金层2温压粉末和铜合金层3温压粉末；步骤4、向模具中首先装入铁合金基体I温压粉末，然后装入铁合金层2温压粉末，最后装入铜合金层3温压粉末，一次压制成坯，压制压力为750-850MPa，模具温度为110°C，各粉末温度为135°C ；步骤5、将压坯在O. 1-0. 15MPa氨保护气中，以1080±5°C-1150±5°C烧结10-25分钟， 然后将烧结坯体在模具中整形，整形压力为650MPa-700MPa，然后分两部匀速降温，第一步为1100°C _650°C，第二步为650°C _300°C，第一步的降温速率为第二步降温速率的80% ； 然后自然冷却到常温。
全文摘要
本发明涉及一种自润滑铜合金粉末复合材料及制备方法，包括有铁合金基体、铁合金层和铜合金层；铁合金基体中各组成中必须含有铜，其余为铁及其它组成材料；铁合金层中各组成为铜、石墨、锡、其它材料及余量的铁；铜合金层中各组成为镍、二硫化钼、锡、铁、其它材料及余量的铜。
文档编号B22F7/02GK102991014SQ20121040766
公开日2013年3月27日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者陈敏 申请人:陈敏