一种铜基石墨耐磨发动机轴瓦的制备方法与流程

本发明属于自润滑复合材料制备技术领域，具体涉及一种铜基石墨耐磨发动机轴瓦的制备方法。

背景技术：

轴瓦是发动机重要的零件之一，轴瓦材料需要具有抗疲劳性、耐磨性、抗咬合性、耐腐蚀性和耐高温性等要求，材料性能的好坏直接关系到发动机的服役安全。随着工业的发展，轴瓦等领域材料也得到了飞速的发展。1839年巴氏合金出现被广泛应用于轴承轴瓦材料。随后，1870年采用未烧结冷压成型的金属含油轴瓦在美国诞生。1910年德国发明了烧结青铜轴瓦(73％cu、13％sn、10％pb和4％石墨，含油率5％)，随后美国通用电气公司将该材料商品化并沿用至今。20世纪50年代，国内外应用较为广泛的滑动轴瓦材料主要为巴氏合金铜铅合金和铝合金。到上世纪90年代，我国汽车、拖拉机工业中普遍采用的高锡铝-钢双金属轴瓦材料。但是这些材料均具有疲劳强度和承载能力低，耐磨性较低等缺点。早在上世纪80年代中期，中国就有相关轴瓦材料厂对铜基轴瓦金属材料进行了研究。一些新型铜基金属轴瓦材料逐渐得到了开发，例如国内相关研究人员开发出qcupb24sn1铜基轴瓦金属材料，具有结构紧凑、装配简单、占用体积少、材料利用率高的特点，并已得到了广泛应用。近年来，由于铜基合金中常用的铅元素对环境造成破坏，同时也对人体健康造成危害，国际标准is04383增加了“将来环境的要求将限制铅一类等某些材料使用”的条款，相关国家已开始限制使用含铅轴瓦材料，并着手研究不含pb元素的轴瓦材料。

铜基石墨耐磨材料具有疲劳强度高、耐磨减摩性能好及耐腐蚀性能好等特性，近年来作为理想的轴瓦材料引起了研究者们的广泛关注，拟应用于工业、交通、航天等各领域之中。采用石墨代替铅元素作为润滑组元可以获得更加优异的摩擦性能。

但是，由于石墨与铜性能差异较大，采用铸造法制备铜基石墨耐磨材料时，石墨颗粒容易产生上浮并在铜合金液上部产生聚集现象，即使进行强烈的对流与搅拌，也很难制备出石墨颗粒均匀分布的铜基石墨耐磨材料。而采用粉末冶金法制备的铜基石墨耐磨材料，由于铜和石墨完全不润湿，界面仅为机械结合，结合强度较低，当材料整体承受载荷时，容易造成石墨相的拔出、剥落，石墨本身强度极低，因此复合材料强度主要依赖于铜基体。当铜基合金基体的体积分数固定时，均匀分布在基体中的石墨是软质相，以自由状态存在，可以认为是基体中的孔。当石墨含量增加时，材料基体中的缺陷诸如孔隙将增加，这将导致复合材料的强度和硬度的下降，从而导致复合材料整体的承载能力显着减弱。当石墨含量一定时，石墨粉末的粒径较小，石墨粉末数量较多，导致石墨粉末的总表面积增加，复合材料将会出现更加多的孔隙。这将极大的缩短铜基石墨耐磨材料作为发动机轴瓦的服役寿命，而且严重影响铜基石墨耐磨材料替代铜铅合金的推广。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种铜基石墨耐磨发动机轴瓦的制备方法，从而提高材料的耐磨性能和力学性能，保证发动机轴瓦的服役使用寿命。

本发明采用以下技术方案：

一种铜基石墨耐磨发动机轴瓦的制备方法，使用naoh溶液对粒径42～45μm、纯度98～99％的石墨粉末进行清洗，然后使用浓度10～20g/l的sncl2和浓度11～18ml/l的hcl进行敏化处理，然后依次进行活化、还原、干燥处理；采用化学镀覆法，在石墨粉末表面镀覆锡金属层；然后将石墨粉末与金属粉末倒入模具，进行冷压、烧结、复压和复烧处理，冷却脱模后得到铜基石墨耐磨发动机轴瓦。

具体的，naoh溶液的浓度为20～25wt.％，洗涤完后再用蒸馏水将石墨粉末冲洗至中性。

具体的，sncl2和hcl的体积比为1:(0.5～1)，石墨粉末加入敏化液后搅拌20～25分钟，待石墨粉末充分敏化后用蒸馏水将石墨粉末洗至中性。

具体的，活化液为浓度0.25～0.35g/l的pdcl2和浓度11～18ml/l的hcl，pdcl2和hcl的体积比例为1:(0.5～1)。

进一步的，石墨粉末加入活化液后搅拌20～25分钟，然后将反应结束后的石墨粉末用蒸馏水将粉末洗至中性。

具体的，将石墨粉末与浓度42～48g/l的nah2po2·h2o溶液充分混合，用磁力搅拌器机械搅拌20～25分钟并用蒸馏水将粉末冲洗干净，放入真空高温干燥箱中进行干燥。

具体的，化学镀液为30g/l的sncl2、45g/l的硫脲、100g/l的聚乙二醇6000、2g/l的次亚磷酸钠、3.5g/l的对苯二酚与80ml/l的hcl的混合溶液，sncl2：硫脲：聚乙二醇6000：次亚磷酸钠：对苯二酚：hcl的体积比为1:1:1:1:1:(0.5～1)，将石墨粉末加入化学镀液在45～50℃水浴下搅拌15～20min，在ph值为8～8.5的弱碱性环境下反应，然后将所得产物抽滤、干燥得到镀银石墨粉末。

具体的，将镀覆后的石墨粉末与制备减摩材料用的铜基合金粉末混合球磨12～16小时，石墨粉末和铜基合金粉末的质量比为6:94，然后倒入模具里以400～800mpa压力进行冷压。

具体的，将冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以7～12℃/min的升温速度升温至350～380℃，然后以3～5℃/min的升温速度升温至840～870℃，在840～870℃保温0.5～2小时，然后随炉冷却。

具体的，将烧结完成的坯体放入模具中以400～800mpa压力进行复压，然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以7～12℃/min的升温速度升温至350～380℃，然后以3～5℃/min的升温速度升温至800～830℃，在800～830℃保温20～50min，然后随炉冷却，脱模后得到铜基石墨耐磨发动机轴瓦。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明中引入的锡元素分布在铜基石墨耐磨材料的界面与铜基体，在该粒径的石墨粉末粒度时可以有效保证粉末能够弥散分布在铜基体当中、高纯度石墨粉末保证了在烧结过程中无其他杂质生成，既可以有改善石墨与铜基体之间的互扩散，提高铜基体与石墨界面结合性，又能对铜基体固溶强化，从而提高材料的耐磨性能和力学性能，保证发动机轴瓦的服役使用寿命。

进一步的，通过naoh溶液洗涤干燥可以有效去除鳞片石墨粉末表面污染物与氧化物，使金属元素沉积更加有效。

进一步的，敏化反应在石墨表面附着sn²⁺，增加石墨表面活性，为后续活化过程和还原过程提供必要物质基础。

进一步的，活化反应在石墨表面附着pbo2，增加石墨表面活性，为后续还原过程提供必要物质基础。

进一步的，还原、干燥处理使石墨表面附着大量pb²⁺，使石墨表面具有极大的活性。

进一步的，化学镀可以高效、均匀的在石墨表面沉积致密的金属镀层。

进一步的，粉末与金属粉末球磨处理可以均匀分散粉末，使石墨粉末在烧结过程呈弥散分布，冷压工艺可以直接进行坯体成型。

进一步的，在以上烧结参数下成型，能使石墨表面的金属与铜基体之间扩散，有效提高界面结合强度。

进一步的，在以上复烧参数下成型，可以进一步使金属镀层在复合材料界面处充分扩散，同时降低烧结坯体的孔隙率，提高致密度。

综上所述，本发明有效提高复合材料界面强度，同时提高了复合材料硬度，抗弯强度等力学性能和抗磨损性能，保证了使用寿命。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为石墨表面镀覆锡金属层扫描电子显微镜微观形貌；

图2为石墨表面镀覆锡金属层透射电子显微镜微观形貌；

图3为锡元素改性铜基石墨耐磨发动机轴瓦微观组织形貌；

图4为锡元素改性铜基石墨耐磨发动机轴瓦的石墨-基体界面扫描电子显微镜微观组织形貌；

图5为锡元素改性铜基石墨耐磨发动机轴瓦的石墨-基体界面透射电子显微镜微观组织形貌；

图6为锡元素改性铜基石墨耐磨发动机轴瓦力学性能；

图7为锡元素改性铜基石墨耐磨发动机轴瓦抗弯强度测试断口扫描电子显微镜低倍形貌；

图8为锡元素改性铜基石墨耐磨发动机轴瓦抗弯强度测试断口扫描电子显微镜高倍形貌。

具体实施方式

本发明提供了一种铜基石墨耐磨发动机轴瓦的制备方法，将鳞片石墨粉末进行清洗、敏化、活化、还原、干燥等预处理；采用化学镀覆法，将石墨粉末置于镀液中，在表面镀覆锡金属层；然后将配比好的石墨粉末与金属粉末倒入模具，进行冷压、烧结、复压和复烧处理，冷却脱模后得到铜基石墨耐磨发动机轴瓦的制备方法。本发明中引入的锡元素分布在铜基石墨耐磨材料的界面与铜基体，既可以有改善石墨与铜基体之间的互扩散，提高铜基体与石墨界面结合性，又能对铜基体固溶强化，从而提高材料的耐磨性能和力学性能，保证发动机轴瓦的服役使用寿命。

本发明一种铜基石墨耐磨发动机轴瓦的制备方法，包括以下步骤：

s1、利用浓度为20～25wt.％的naoh溶液充分洗涤石墨粉末，再用蒸馏水将石墨粉末冲洗至中性；

石墨粉末为42～45μm、粒度325目、纯度98～99％的鳞片石墨粉末。

s2、将石墨加入敏化液，用磁力搅拌器机械搅拌20～25分钟，待石墨充分敏化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

敏化液为浓度10～20g/l的sncl2和浓度11～18ml/l的hcl，sncl2和hcl的体积比例为1:0.5～1:1。

s3、将石墨加入活化液，并用磁力搅拌器机械搅拌20～25分钟，待石墨充分活化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

活化液为浓度0.25～0.35g/l的pdcl2和浓度11～18ml/l的hcl，pdcl2和hcl的体积比例为1:0.5～1:1。

s4、将石墨粉与42～48g/lnah2po2·h2o溶液充分混合，用磁力搅拌器机械搅拌20～25分钟并用蒸馏水将粉末冲洗干净，放入真空高温干燥箱中进行65℃真空干燥；

s5、将石墨粉末加入化学镀液，在45℃水浴下用磁力搅拌器机械搅拌15～20min，在ph值为8～8.5的弱碱性环境下反应，然后将所得产物抽滤、干燥得到镀锡石墨粉末；

化学镀液为30g/lsncl2、45g/l硫脲、100g/l聚乙二醇6000、2g/l次亚磷酸钠、3.5g/l对苯二酚与80ml/lhcl的混合溶液，其中sncl2、硫脲、聚乙二醇6000、次亚磷酸钠、对苯二酚与hcl的体积比例为1:1:1:1:1:0.5～1:1:1:1:1:1。

s6、将镀覆后的石墨粉末与金属粉末进行球磨12～16小时，石墨粉末和金属粉末的质量比例为6:94，然后倒入模具里以400～800mpa压力进行冷压；

金属粉末为制备减摩材料的铜基合金。

s7、对冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以7～12℃/min的升温速度升温至350～380℃，然后以3～5℃/min的升温速度升温至840～870℃，在840～870℃保温0.5～2小时，然后随炉冷却；

s8、对烧结完成的坯体放入模具中以400～800mpa压力进行复压，然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以7～12℃/min的升温速度升温至350～380℃，然后以3～5℃/min的升温速度升温至800～830℃。在800～830℃保温20～50分钟，然后随炉冷却，脱模后得到发动机轴瓦。

请参阅图1，石墨颗粒表面沉积了组织致密、成分均匀的纳米锡金属镀层。

请参阅图2，纳米锡金属颗粒在石墨表面附着紧密，镀层黏着强度高。

请参阅图3，镀锡石墨在铜基合金基体中弥散分布，分散性好，无团聚偏析现象。

请参阅图4，石墨与铜基合金基体界面结合良好，界面处无明显空隙孔洞。

请参阅图5，通过锡金属镀层沉积在石墨表面工艺，镀锡石墨与铜基合金界面产生少量铜与碳的互扩散现象，使界面产生扩散结合，提高界面扩散结合强度，并提高力学性能。

请参阅图6，相比于原始铜基石墨复合材料，采用锡元素改性之后的复合材料其抗弯强度与硬度均有较大幅度提升。

请参阅图7，根据断面分析，铜基合金断裂以韧窝为主，石墨与铜基合金界面结合良好，石墨无拔出、剥落现象。

请参阅图8，根据断面分析，石墨断裂方式为穿晶断裂。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

货车柴油发动机轴瓦

s1、利用浓度为20wt.％的naoh溶液充分洗涤石墨粉末，再用蒸馏水将石墨粉末冲洗至中性；

石墨粉末为42μm、粒度325目、纯度98％的鳞片石墨粉末。

s2、将石墨加入敏化液，用磁力搅拌器机械搅拌20分钟，待石墨充分敏化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

敏化液为浓度10g/l的sncl2和浓度11ml/l的hcl，sncl2和hcl的体积比例为1:0.5。

s3、将石墨加入活化液，并用磁力搅拌器机械搅拌20分钟，待石墨充分活化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

活化液为浓度0.25g/l的pdcl2和浓度11ml/l的hcl，pdcl2和hcl的体积比例为1:0.5。

s4、将石墨粉与42g/lnah2po2·h2o溶液充分混合，用磁力搅拌器机械搅拌20分钟并用蒸馏水将粉末冲洗干净，放入真空高温干燥箱中进行65℃真空干燥；

s5、将石墨粉末加入化学镀液，在45℃水浴下用磁力搅拌器机械搅拌15min，在ph值为8～8.5的弱碱性环境下反应，然后将所得产物抽滤、干燥得到镀锡石墨粉末；

化学镀液为30g/lsncl2、45g/l硫脲、100g/l聚乙二醇6000、2g/l次亚磷酸钠、3.5g/l对苯二酚与80ml/lhcl的混合溶液，其中sncl2、硫脲、聚乙二醇6000、次亚磷酸钠、对苯二酚与hcl的体积比例为1:1:1:1:1:0.5。

s6、将镀覆后的石墨粉末与金属粉末进行球磨12小时，石墨粉末和铜基合金粉末的质量比例为6:94，然后倒入模具里以400mpa压力进行冷压；

s7、对冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以7℃/min的升温速度升温至350℃，然后以3℃/min的升温速度升温至840℃，在840℃保温0.5小时，然后随炉冷却；

s8、对烧结完成的坯体放入模具中以400mpa压力进行复压，然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以7℃/min的升温速度升温至350℃，然后以3℃/min的升温速度升温至800℃。在800℃保温20分钟，然后随炉冷却，脱模后得到货车柴油发动机轴瓦。

实施例2

内燃机车发动机轴瓦

s1、利用浓度为25wt.％的naoh溶液充分洗涤石墨粉末，再用蒸馏水将石墨粉末冲洗至中性；

石墨粉末为45μm、粒度325目、纯度99％的鳞片石墨粉末。

s2、将石墨加入敏化液，用磁力搅拌器机械搅拌25分钟，待石墨充分敏化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

敏化液为浓度20g/l的sncl2和浓度18ml/l的hcl，sncl2和hcl的体积比例为1:1。

s3、将石墨加入活化液，并用磁力搅拌器机械搅拌25分钟，待石墨充分活化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

活化液为浓度0.35g/l的pdcl2和浓度18ml/l的hcl，pdcl2和hcl的体积比例为1:1。

s4、将石墨粉与48g/lnah2po2·h2o溶液充分混合，用磁力搅拌器机械搅拌25分钟并用蒸馏水将粉末冲洗干净，放入真空高温干燥箱中进行65℃真空干燥；

s5、将石墨粉末加入化学镀液，在45℃水浴下用磁力搅拌器机械搅拌20min，在ph值为8～8.5的弱碱性环境下反应，然后将所得产物抽滤、干燥得到镀锡石墨粉末；

化学镀液为30g/lsncl2、45g/l硫脲、100g/l聚乙二醇6000、2g/l次亚磷酸钠、3.5g/l对苯二酚与80ml/lhcl的混合溶液，其中sncl2、硫脲、聚乙二醇6000、次亚磷酸钠、对苯二酚与hcl的体积比例为1:1:1:1:1:1。

s6、将镀覆后的石墨粉末与金属粉末进行球磨16小时，石墨粉末和铜基合金粉末的质量比例为6:94，然后倒入模具里以800mpa压力进行冷压；

s7、对冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以12℃/min的升温速度升温至380℃，然后以5℃/min的升温速度升温至870℃，在870℃保温2小时，然后随炉冷却；

s8、对烧结完成的坯体放入模具中以800mpa压力进行复压，然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以12℃/min的升温速度升温至380℃，然后以5℃/min的升温速度升温至830℃。在830℃保温50分钟，然后随炉冷却，脱模后得到内燃机车发动机轴瓦。

实施例3

拖拉机发动机轴瓦

s1、利用浓度为22wt.％的naoh溶液充分洗涤石墨粉末，再用蒸馏水将石墨粉末冲洗至中性；

石墨粉末为43.5μm、粒度325目、纯度98.5％的鳞片石墨粉末。

s2、将石墨加入敏化液，用磁力搅拌器机械搅拌22分钟，待石墨充分敏化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

敏化液为浓度15g/l的sncl2和浓度15ml/l的hcl，sncl2和hcl的体积比例为1:1。

s3、将石墨加入活化液，并用磁力搅拌器机械搅拌22分钟，待石墨充分活化后用蒸馏水将粉末洗至中性；

活化液为浓度0.3g/l的pdcl2和浓度15ml/l的hcl，pdcl2和hcl的体积比例为1:1。

s4、将石墨粉与45g/lnah2po2·h2o溶液充分混合，用磁力搅拌器机械搅拌22分钟并用蒸馏水将粉末冲洗干净，放入真空高温干燥箱中进行65℃真空干燥；

s5、将石墨粉末加入化学镀液，在45℃水浴下用磁力搅拌器机械搅拌18min，在ph值为8～8.5的弱碱性环境下反应，然后将所得产物抽滤、干燥得到镀锡石墨粉末；

化学镀液为30g/lsncl2、45g/l硫脲、100g/l聚乙二醇6000、2g/l次亚磷酸钠、3.5g/l对苯二酚与80ml/lhcl的混合溶液，其中sncl2、硫脲、聚乙二醇6000、次亚磷酸钠、对苯二酚与hcl的体积比例为1:1:1:1:1:1。

s6、将镀覆后的石墨粉末与金属粉末进行球磨14小时，石墨粉末和铜基合金粉末的质量比例为6:94，然后倒入模具里以600mpa压力进行冷压；

s7、对冷压好的坯体烧结，将烧结炉抽至真空，自室温以9℃/min的升温速度升温至365℃，然后以4℃/min的升温速度升温至845℃，在845℃保温1小时，然后随炉冷却；

s8、对烧结完成的坯体放入模具中以600mpa压力进行复压，然后，对坯体进行复烧，将烧结炉抽至真空，自室温以9℃/min的升温速度升温至365℃，然后以4℃/min的升温速度升温至815℃。在815℃保温35分钟，然后随炉冷却，脱模后得到拖拉机发动机轴瓦。

本发明工艺参数控制简单，适应性广泛，通过金属镀层沉积石墨方法，能够有效提高铜基体与石墨界面结合性，提高铜基石墨复合材料的性能，并广泛应用于各类型发动机轴瓦，并极大提升材料使用寿命。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。