发动机滑动轴承用无铅铜基复合材料的研究..docx

发动机滑动轴承用无铅铜基复合材料的研究铜铅合金以其良好的耐磨性和抗疲劳强度被广泛应用于发动机滑动轴承材料。然而，随着工业和交通业的迅猛发展，铅污染日趋严重，并且正在威胁着人类的健康。采用粉末冶金法烧结制备了石墨/铜合金复合材料，以期代替铜铅合金，实现发动机滑动轴承材料的无铅化，开发出新型无铅轴承合金。石墨/铜基复合材料综合具有石墨的自润滑性、高熔点、抗熔焊性和密度小等特点，和铜合金良好的导电导热性、强度、硬度、韧性和耐腐蚀性等性能。目前,石墨/铜基复合材料已广泛应用于摩擦材料、含油轴承和电接触材料，例如小型精密自润滑轴承，电机用电刷、受电弓、极接触导线等。 发动机滑动轴承材料的性能要求 要有足够的抗压强度和抗疲劳性能；良好的减摩性（摩擦系数要小）；良好的备润滑油的功能；良好的磨合性；良好的导热性和耐蚀。2 石墨/铜基复合材料的性能现在人们对石墨/铜基复合材料的研究主要集中在摩擦磨损性能和导电性能两方面。石墨/铜基复合材料的性能主要受石墨添加相的种类、形貌、尺寸、体积分数和铜合金基体组成成分的影响。当铜合金基体添加石墨相后，石墨/铜基复合材料的粘着磨损现象得到明显改善，其摩擦系数和磨损率均显著降低。并且随着材料中石墨体积分数的增加，摩擦系数逐渐降低；在一定范围内磨损率也相应的减小；随着载荷的增加，摩擦系数和磨损率则相应的增加。对石墨表面处理可以制备出综合性能良好的石墨/铜基复合材料，例如对石墨表面进行化学镀铜可以有效提高石墨/铜基复合材料的致密度、导电性、强度3 石墨/铜基复合材料的制备方法石墨/铜基复合材料的制备方法通常采用粉末冶金，熔渗法、区域熔炼法，半固态搅拌铸造法等半固态铸造法。名称制备工艺特点熔渗法将有特定孔隙度的石墨烧结骨架浸入到熔融铜液中，铜溶液在毛细管力作用下渗入到石墨骨架中，冷却后形成复合材料。复合材料界面结合力有所提高，有利于综合性能的提高；工艺复杂，渗透过程复杂、难于控制。区域熔炼法还原处理铜粉和石墨后，然后混料→压制，压制后的烧结体在高频感应加热设备上进行区域熔炼并快速冷却，区域熔炼时合金表面涂覆防氧化保护层材料的密度、硬度明显提高。但设备要求高，成本高。半固态搅拌铸造法首先将全液态的铜基体熔液采用特定方式（机械、电磁场、超声波等）高速搅动形成旋涡，然后直接加入石墨并不停搅拌，使其在强烈运动过程中扩散并分布均匀，最终采用金属型铸造、压铸或挤压铸造成型。工艺、设备简单，生产效率高，适用于工业规模生产；但由于石墨与铜基体的润湿性较差，导致石墨的分布不均匀、偏析或偏聚、体积分数受限制等缺陷，另外，基体易氧化，易混入气体和夹杂。粉末冶金法首先,将铜粉与石墨粉按一定比例机械混合均匀，装入模具中冷压，然后在铜合金相图中液相线与固相线之间进行真空或保护气氛烧结，制得复合材料坯料。生产过程为：混料→压制→烧结（保护气氛烧结或真空）。铜粉与石墨的比例可任意调整，石墨分布均匀，不易出现偏析和偏聚；但该工艺比较复杂，设备和生产成本较高，生产周期长，工件的形状和尺寸均受限制。石墨的晶格结构为六边形层状结构，碳原子六边形之间以共价键形式结合，片层间以分子键形式结合，因而其具有耐高温、导电性、导热性、润滑性、化学稳定性、可塑性、抗热震性等性能。但是，石墨的共价键与铜合金的金属键之间性质有着本质区别，因而石墨-铜合金界面润湿性非常差。由于在粉末冶金法制备石墨/铜基复合材料的过程中，石墨颗粒与铜合金基体直接接触，在高温烧结时会发生明显的固-液相界面反应，显著改变了铜合金基体的微观结构性能。为了解决石墨与铜合金基体间润湿性差的问题，需要对石墨表面进行修饰和表面改性处理。本文通过活化、敏化石墨表面后进行化学镀铜的办法来提高石墨与铜基体之间的润湿性，从而改善石墨与金属基体之间的界面结合性能。本文选用镀铜石墨与过饱和固溶体Cu-Sn合金粉作为原料，采用粉末冶金法制备石墨/铜基复合材料。镀铜石墨可以增加石墨与铜基体间的润湿性，提高材料的强度、硬度、摩擦等性能；过饱和固溶体Cu-Sn合金粉因过量的Sn原子固溶于Cu晶格中致使Cu-Sn合金粉具有良好的强度、韧性且相组成单一、元素分布均匀。3. 片状石墨表面改性处理3.1 石墨表面的活化敏化由于石墨表面不具有催化活性，在化学镀铜时铜原子无法直接沉积在石墨表面，因此石墨表面需要进行预处理，增强其催化活性。能够提高材料表面催化活性的元素主要集中在元素周期表的ⅧB 族中，如钯、铑、铂、铁、钴、镍等，另外，金、银等贵金属元素也具有改善材料表面催化活性的作用。本实验选用 AgNO3作为催化元素的供体，用 SnCl2还原出单质 Ag 并吸附在石墨表面。石墨表面的银颗粒在化学镀铜过程中起到催化、结晶和形核中心的作用，从而使得铜离子能在石墨表面的银原子周围被还原成单质铜并包覆在石墨表面。石墨表面的预处理步骤一般为：