[0001] 本发明涉及一种金属材料及其制造技术， 特别是自润滑铜合金及其制造方法。

背景技术

[0002] 铅黄铜具有极好的自润滑和切削性能等特点， 能满足各种耐磨减摩服役条件。

铅在黄铜熔体中的溶解度很大， 而在铜中的固溶度几乎为零， 故在铅黄铜熔体 凝固吋， 铅会沉淀而形成弥散而微细的铅颗粒。 铅有较脆而不硬的特点， 另一 方面， 铅的熔点只有 327.5°C， 当铅黄铜作为耐磨件工作吋因摩擦做功发热而 产 生的升温会使铅颗粒更软， 这些软质微颗粒起到润滑、 减摩的效果， 从而延长 自身及对偶件的寿命， 保持了机构的有效性。 铅在黄铜中的存在状态对其自润 滑性能有决定性的作用， 但在另一方面， 其存在状态对铅黄铜的使用性能却不 禾 1J， 铅黄铜的力学性能如硬度及抗拉强度比一般的 铜合金性能低， 无法满足高 强度的要求如重载条件下的耐磨减摩件。 铅黄铜零配件报废之后,很多小件被作 为垃圾遗弃,只有少量被回收利用。 废弃的铅黄铜与土壤接触， 其所含的铅在雨 水及大气的长期作用下， 进入土壤， 从而污染土壤及水源。 废弃铅黄铜被当作 垃圾焚烧吋,铅蒸气散发于大气之中,对人体产� ��极大危害， 因而其应用日益受 到严格的限制。

[0003] 人们对金属、 合金、 化合物的研究有一个长期积累的过程， 对其特性的认识已 相当丰富。 铋、 锑、 镁、 磷、 硫等元素加入到黄铜中对切削性能的改善已取 得 共识， 国内外都有大量的专利公幵， 如： 无铅易切削黄铜合金材料和它的制造 方法， 02121991.5; 无铅易切削黄铜合金， 200310109162.0; 生态环保新型无铅 易切削低锑铋黄铜合金及其制造方法， 200510050425.4; 无铅铜合金， 20061000 5689.2； 一种无铅的易切削镁铋黄铜合金， 200710098481.4; —种无铅易切削镁 硅黄铜 2009-2-25 200910042723.7； 一种铸造无铅易切削黄铜 200910044315.5。 必须指出的是， 与易切削铅黄铜相比， 目前所有的无铅易切削黄铜的自润滑性 能均不理想， 同吋还存在着加工性能及使用性能有不同程度 下降的现象。 远不 能满足科研、 生产实践对其耐磨减摩等性能的要求。 当前迫切需要一种新型的 铜合金材料来满足耐磨减摩， 特别是重载条件下的需求。 本发明正是考虑这一 需求而幵发。

技术问题

[0004] 本发明的目的在于有效解决铅黄铜污染环境且 力学性能偏低的问题， 为耐磨减 摩件的生产提供一种超高强自润滑新型材料。

问题的解决方案

技术解决方案

[0005] 本发明的具体内容：

[0006] 铜合金中各元素的质量分数分别为： 铝 1.2<¾-2.3<¾， Sl.5%-2.7%, HO.2%-1.2 % , ¾0.2%-0.5% , ¾0.5%-1.0% , ¾10%-0.21%, 余量为铜， 其它元素均为杂 质， 每种杂质含量不大于 0.07%， 杂质总量不大于 0.7%。 铜合金粉的粒度小于或 等于 147μηι， 硫化亚铁粉的粒度小于或等于 38μηι。 将铜合金粉、 硫化亚铁粉和 粘结剂 0.6<¾-0.8<¾， 其中硫化亚铁粉末占总质量的 0.28<¾-0.58<¾， 粘结剂占总质 量的 0.6%-0.8<¾， 余量为铜合金粉， 然后将所有粉末一起放在 V型混料机中或行 星式球磨架上混粉， 混料吋间 4-6小吋， 混粉后立即压制， 再进行烧结， 烧结工 艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热 2-5小吋， 烧结温度 900-960°C， 烧结 40- 80分钟， 烧结气氛为氢气氛或真空。

[0007] 本发明工艺流程如下：

[0008] 本发明中各种粉末和粘结剂按以下质量分数比 配好： 硫化亚铁粉末 0.28%-0.58 %, 粘结剂 0.6<¾-0.8%， 余量为铜合金粉末； 放入 V型混料机中或行星式球磨架 上混粉， 混料吋间 4-6小吋， 混粉后立即压制。 压制好后即烧结， 烧结工艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热 2-5小吋， 烧结温度 900-960°C， 烧结 40-80分钟 ， 烧结气氛为氢气氛或真空。

[0009] 本发明的原理归纳如下： 铝、 锰、 铁、 硅、 镍等元素均为铜的强化元素， 在铜 中加入能显著提高其力学性能。 由于孔隙的原因， 烧结铜合金的强度较低， 要 进一步提高粉末冶金铜合金的力学性能必须结 合热挤压， 以使烧结铜合金达到 致密化同吋细化其晶粒组织， 使铜合金的强化效果最大化。 本合金的热变形能 力强， 无需包套处理， 可采用直接热挤压。

[0010] 本发明中采用在铜合金中同吋添加锰和硫化亚 铁的方法， 在烧结的过程中由于 锰的活性高于所添加硫化亚铁中的铁， 于是硫化亚铁与锰发生反应， 生成硫化 锰或者硫化锰与其它硫化物的混合物， 同吋置换出铁对强化铜合金有增强效果 。 这种原位生成的硫化物主要为硫化锰， 与铜合金组织的结合是一种冶金结合 ， 界面为共格或半共格， 强度高。 原位反应产物硫化锰具有层状结构， 其结构 特点与石墨很相似， 同吋也具有软而滑的特性。 硫化锰在铜合金中的存在相当 于铅黄铜中的铅， 对摩擦对偶件有润滑减摩作用。 硫化锰的润滑减摩机理与铅 黄铜中铅的润滑减摩机理是一致的。 所生成的硫化锰颗粒与铜合金晶粒之间结 合良好， 界面干净、 结合强度高， 石墨自润滑铜合金中的石墨颗粒则没有硫化 锰颗粒的这种作用， 所以在自润滑铜合金中除了有良好的润滑作用 ， 还具有比 石墨自润滑铜合金更高的强度。 分别取试样测试黄铜的布氏硬度、 抗拉强度和 干摩擦系数。

发明的有益效果

有益效果

[0011] 本发明的优点：

[0012] 1)实现了易切削黄铜的无铅化， 黄铜成分中不含铅， 对环境友好。

[0013] 2)黄铜的热加工性能良好， 能进行红冲加工。 黄铜有良好的自润滑性能， 摩擦 系数低。

[0014] 3)生产工艺简单可靠， 生产加工成本低。

本发明的实施方式

[0015] 实施例 1:

[0016] 铜合金粉末的成分 (均为质量分数)， 锰 (Mn)1.6<¾， 硅 (Si)0.6<¾， 铝 (Al)1.3<¾， 镍 (Ni)0.3% , 其它元素为铜及不可避免的杂质， 每种杂质含量不大于 0.07%， 杂质 总量不大于 0.7%。 配料吋硫化亚铁粉末的质量分数为 0.3%， 粘结剂的质量分数 为 0.7%， 余量为铜合金粉末。 采用 V型混料器混粉， 混合吋间为 6小吋， 混粉后 立即压制。 烧结工艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热吋间 5小吋， 以便充 分去除粘结剂。 烧结温度 960°C， 烧结吋间 40分钟。 烧结气氛为氢气氛。 实验结 果发现， 该烧结无铅易切削黄铜的布氏硬度为 HB162, 抗拉强度为 700.5MPa， 干摩擦系数为 0.420。

[0017] 实施例 2:

[0018] 铜合金粉末的成分 (均为质量分数)， 锰 (Mn)2.1%， 硅 (Si)0.6<¾， 铝 (Al)1.3<¾， 镍 (Ni)0.8% , 其它元素为铜及不可避免的杂质， 每种杂质含量不大于 0.07%， 杂质 总量不大于 0.7%。 配料吋硫化亚铁粉末的质量分数为 0.3%， 粘结剂的质量分数 为 0.7%， 余量为铜合金粉末。 采用 V型混料器混粉， 混合吋间为 4小吋， 混粉后 立即压制。 烧结工艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热吋间 4小吋， 以便充 分去除粘结剂。 烧结温度 940°C， 烧结吋间 60分钟。 烧结气氛为氢气氛。 实验结 果发现， 该烧结无铅易切削黄铜的布氏硬度为 HB163 , 抗拉强度为 702.0MPa， 干摩擦系数为 0.421。

[0019] 实施例 3:

[0020] 铜合金粉末的成分 (均为质量分数)， 锰 (Mn)2.7%， 硅 (Si)0.8<¾， 铝 (Al)1.3<¾， 镍 (Ni)0.8% , 其它元素为铜及不可避免的杂质， 每种杂质含量不大于 0.07%， 杂质 总量不大于 0.7%。 配料吋硫化亚铁粉末的质量分数为 0.3%， 粘结剂的质量分数 为 0.7%， 余量为铜合金粉末。 采用 V型混料器混粉， 混合吋间为 5小吋， 混粉后 立即压制。 烧结工艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热吋间 3小吋， 以便充 分去除粘结剂。 烧结温度 920°C， 烧结吋间 80分钟。 烧结气氛为真空烧结。 实验 结果发现， 该烧结无铅易切削黄铜的布氏硬度为 HB165 , 抗拉强度为 703.6MPa ， 干摩擦系数为 0.419。

[0021] 实施例 4:

[0022] 铜合金粉末的成分 (均为质量分数)， 锰 (Mn)2.1%， 硅 (Si)1.0<¾， 铝 (Al)1.3<¾， 镍 (Ni)1.2% , 其它元素为铜及不可避免的杂质， 每种杂质含量不大于 0.07%， 杂质 总量不大于 0.7%。 配料吋硫化亚铁粉末的质量分数为 0.3%， 粘结剂的质量分数 为 0.6%， 余量为铜合金粉末。 采用 V型混料器混粉， 混合吋间为 6小吋， 混粉后 立即压制。 烧结工艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热吋间 2小吋， 以便充 分去除粘结剂。 烧结温度 900°C， 烧结吋间 60分钟。 烧结气氛为氢气氛。 实验结 果发现， 该烧结无铅易切削黄铜的布氏硬度为 HB164, 抗拉强度为 702.1MPa， 干摩擦系数为 0.418。

[0023] 实施例 5:

[0024] 铜合金粉末的成分 (均为质量分数)， 锰 (Mn)2.1%， 硅 (Si)0.8<¾， 铝 (Al)1.8<¾， 镍 (Ni)0.8% , 其它元素为铜及不可避免的杂质， 每种杂质含量不大于 0.07%， 杂质 总量不大于 0.7%。 配料吋硫化亚铁粉末的质量分数为 0.3%， 粘结剂的质量分数 为 0.7%， 余量为铜合金粉末。 采用 V型混料器混粉， 混合吋间为 6小吋， 混粉后 立即压制。 烧结工艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热吋间 5小吋， 以便充 分去除粘结剂。 烧结温度 940°C， 烧结吋间 80分钟。 烧结气氛为氢气氛。 实验结 果发现， 该烧结无铅易切削黄铜的布氏硬度为 HB166, 抗拉强度为 704.2MPa， 干摩擦系数为 0.420。

[0025] 实施例 6:

[0026] 铜合金粉末的成分 (均为质量分数)， 锰 (Mn)2.7%， 硅 (Si)1.0<¾， 铝 (Al)1.8<¾， 镍 (Ni)0.8% , 其它元素为铜及不可避免的杂质， 每种杂质含量不大于 0.07%， 杂质 总量不大于 0.7%。 配料吋硫化亚铁粉末的质量分数为 0.3%， 粘结剂的质量分数 为 0.7%， 余量为铜合金粉末。 采用行星式球磨架混粉， 混合吋间为 6小吋， 混粉 后立即压制。 烧结工艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热吋间 5小吋， 以便 充分去除粘结剂。 烧结温度 920°C， 烧结吋间 80分钟。 烧结气氛为氢气氛。 实验 结果发现， 该烧结无铅易切削黄铜的布氏硬度为 HB168 , 抗拉强度为 706.7MPa ， 干摩擦系数为 0.421。

[0027] 实施例 7:

[0028] 铜合金粉末的成分 (均为质量分数)， 锰 (Mn)1.6<¾， 硅 (Si)0.8<¾， 铝 (Al)1.8<¾， 镍 (Ni)1.2% , 其它元素为铜及不可避免的杂质， 每种杂质含量不大于 0.07%， 杂质 总量不大于 0.7%。 配料吋硫化亚铁粉末的质量分数为 0.3%， 粘结剂的质量分数 为 0.7%， 余量为铜合金粉末。 采用 V型混料器混粉， 混合吋间为 6小吋， 混粉后 立即压制。 烧结工艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热吋间 5小吋， 以便充 分去除粘结剂。 烧结温度 960°C， 烧结吋间 80分钟。 烧结气氛为氢气氛。 实验结 果发现， 该烧结无铅易切削黄铜的布氏硬度为 HB164, 抗拉强度为 702.5MPa， 干摩擦系数为 0.419。

[0029] 实施例 8:

[0030] 铜合金粉末的成分 (均为质量分数)， 锰 (Mn)2.1%， 硅 (Si)1.0<¾， 铝 (Al)1.8<¾， 镍 (Ni)0.8% , 其它元素为铜及不可避免的杂质， 每种杂质含量不大于 0.07%， 杂质 总量不大于 0.7%。 配料吋硫化亚铁粉末的质量分数为 0.5%， 粘结剂的质量分数 为 0.7%， 余量为铜合金粉末。 采用 V型混料器混粉， 混合吋间为 6小吋， 混粉后 立即压制。 烧结工艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热吋间 5小吋， 以便充 分去除粘结剂。 烧结温度 900°C， 烧结吋间 80分钟。 烧结气氛为氢气氛。 实验结 果发现， 该烧结无铅易切削黄铜的布氏硬度为 HB167 , 抗拉强度为 705.3MPa， 干摩擦系数为 0.382。

[0031] 实施例 9:

[0032] 铜合金粉末的成分 (均为质量分数)， 锰 (Mn)2.7%， 硅 (Si)0.8<¾， 铝 (Al)2.3<¾， 镍 (Ni)0.8% , 其它元素为铜及不可避免的杂质， 每种杂质含量不大于 0.07%， 杂质 总量不大于 0.7%。 配料吋硫化亚铁粉末的质量分数为 0.5%， 粘结剂的质量分数 为 0.8%， 余量为铜合金粉末。 采用 V型混料器混粉， 混合吋间为 5小吋， 混粉后 立即压制。 烧结工艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热吋间 5小吋， 以便充 分去除粘结剂。 烧结温度 960°C， 烧结吋间 80分钟。 烧结气氛为氢气氛。 实验结 果发现， 该烧结无铅易切削黄铜的布氏硬度为 HB174, 抗拉强度为 718.0MPa， 干摩擦系数为 0.381。

[0033] 实施例 10:

[0034] 铜合金粉末的成分 (均为质量分数)， 锰 (Mn)2.7%， 硅 (Si)1.0<¾， 铝 (Al)2.3<¾， 镍 (Ni)1.2% , 其它元素为铜及不可避免的杂质， 每种杂质含量不大于 0.07%， 杂质 总量不大于 0.7%。 配料吋硫化亚铁粉末的质量分数为 0.5%， 粘结剂的质量分数 为 0.7%， 余量为铜合金粉末。 采用 V型混料器混粉， 混合吋间为 6小吋， 混粉后 立即压制。 烧结工艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热吋间 5小吋， 以便充 分去除粘结剂。 烧结温度 940°C， 烧结吋间 80分钟。 烧结气氛为氢气氛。 实验结 果发现， 该烧结无铅易切削黄铜的布氏硬度为 HB176, 抗拉强度为 720.1MPa， 干摩擦系数为 0.383。 [0035] 实施例 11:

[0036] 铜合金粉末的成分 (均为质量分数)， 锰 (Mn)2.1%， 硅 (Si)0.8<¾， 铝 (Al)2.3<¾， 镍 (Ni)0.8% , 其它元素为铜及不可避免的杂质， 每种杂质含量不大于 0.07%， 杂质 总量不大于 0.7%。 配料吋硫化亚铁粉末的质量分数为 0.5%， 粘结剂的质量分数 为 0.7%， 余量为铜合金粉末。 采用 V型混料器混粉， 混合吋间为 6小吋， 混粉后 立即压制。 烧结工艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热吋间 5小吋， 以便充 分去除粘结剂。 烧结温度 960°C， 烧结吋间 80分钟。 烧结气氛为氢气氛。 实验结 果发现， 该烧结无铅易切削黄铜的布氏硬度为 HB172, 抗拉强度为 711.8MPa， 干摩擦系数为 0.382。

[0037] 实施例 12:

[0038] 铜合金粉末的成分 (均为质量分数)， 锰 (Mn)2.1%， 硅 (Si)0.8<¾， 铝 (Al)2.3<¾， 镍 (Ni)1.2% , 其它元素为铜及不可避免的杂质， 每种杂质含量不大于 0.07%， 杂质 总量不大于 0.7%。 配料吋硫化亚铁粉末的质量分数为 0.5%， 粘结剂的质量分数 为 0.7%， 余量为铜合金粉末。 采用 V型混料器混粉， 混合吋间为 6小吋， 混粉后 立即压制。 烧结工艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热吋间 5小吋， 以便充 分去除粘结剂。 烧结温度 960°C， 烧结吋间 80分钟。 烧结气氛为氢气氛。 实验结 果发现， 该烧结无铅易切削黄铜的布氏硬度为 HB173 , 抗拉强度为 713.3MPa， 干摩擦系数为 0.381。

[0039] 实施例 13:

[0040] 铜合金粉末的成分 (均为质量分数)， 锰 (Mn)2.1%， 硅 (Si)1.0<¾， 铝 (Al)1.8<¾， 镍 (Ni)1.2% , 其它元素为铜及不可避免的杂质， 每种杂质含量不大于 0.07%， 杂质 总量不大于 0.7%。 配料吋硫化亚铁粉末的质量分数为 0.5%， 粘结剂的质量分数 为 0.7%， 余量为铜合金粉末。 采用 V型混料器混粉， 混合吋间为 6小吋， 混粉后 立即压制。 烧结工艺为： 从室温幵始加热至烧结温度， 加热吋间 5小吋， 以便充 分去除粘结剂。 烧结温度 960°C， 烧结吋间 80分钟。 烧结气氛为氢气氛。 实验结 果发现， 该烧结无铅易切削黄铜的布氏硬度为 HB170, 抗拉强度为 708.6MPa， 干摩擦系数为 0.382。

工业实用性 本发明的超高强自润滑铜合金可以重复制备， 其制作工艺可以重复进行， 且生 产工艺简单可靠， 生产加工成本低。