以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于冶金材料領(lǐng)域，特別涉及以煤油為工作介質(zhì)的齒輪泵軸承材料及其制備方法。一種以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料，該材料最終產(chǎn)品的化學(xué)組成按質(zhì)量％為：錫白銅粉5-10，納米α-Al2O3粉0.5-5.5，耐磨石墨粉0.5-1.5，6-6-3錫青銅粉余量，其中，錫白銅粉的化學(xué)組成按質(zhì)量％為：Sn9-11，Ni19-21，Cu余量；6-6-3錫青銅粉的化學(xué)組成按質(zhì)量％為：Sn4-7，Zn4-7，Pb2-4，Cu余量；該以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料通過以下方法制備：將錫白銅粉、納米α-Al2O3粉、耐磨石墨粉和6-6-3錫青銅粉充分混合，壓制、氫氣燒結(jié)后，再進(jìn)行電火花燒結(jié)。本發(fā)明得到的軸承材料具備良好的抗干磨、自潤滑、耐粘著性能。
【專利說明】以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金材料領(lǐng)域，特別涉及以煤油為工作介質(zhì)的齒輪泵軸承材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]齒輪泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，是液壓系統(tǒng)中廣泛采用的一種液壓泵。泵內(nèi)有兩對摩擦副:一對是軸承內(nèi)孔與齒輪軸組成的摩擦副，另一對是軸承端面與齒輪端面組成的摩擦副。
[0003]齒輪泵軸承承擔(dān)著密封和載荷的功能，是齒輪泵的關(guān)鍵部件。齒輪泵軸承在泵內(nèi)受力復(fù)雜，工作條件惡劣:既要承受軸向力，又要承受徑向力；既受到高速滑動(dòng)，又受到高速沖擊；既有粘著磨損，又有疲勞磨損；既有對磨件的摩擦作用，又有介質(zhì)的化學(xué)作用。
[0004]當(dāng)以煤油為工作介質(zhì)時(shí)，齒輪泵軸承的工況條件更加惡化。這是由于:⑴煤油的運(yùn)動(dòng)粘度低。如20°C條件下運(yùn)動(dòng)粘度，液壓油是21mm2/s，而煤油僅為1.25mm2/S。油粘度的劇烈下降，使油的內(nèi)聚力減小，在同樣的接觸應(yīng)力下油膜不穩(wěn)定、易破裂，從而使金屬直接接觸，加快摩擦副的磨損。⑵煤油的潤滑性差。深度精制的泵用煤油中的天然潤滑物質(zhì)減少，潤滑性差(表現(xiàn)在極壓性、抗磨損性和摩擦特性較差)，致使摩擦副工作近乎處于干磨狀態(tài)。這就使材料在煤油中的摩擦系數(shù)顯著增加(約為液壓油中的10倍)，造成齒輪泵軸承的嚴(yán)重磨損。⑶煤油滲透性強(qiáng)，泄漏增大。濾紙做滲透性試驗(yàn)表明，煤油的滲透速度約為液壓油的10倍。滲透性的增加，同樣影響油膜的形成，增加材料干磨的機(jī)率。
[0005]因此，以煤油為工作介質(zhì)的工況條件下，要求齒輪泵軸承材料具備以下性能:
[0006]⑴具備良好的抗摩擦磨損性能，特別是抗干磨性能，在油膜被破壞、油潤滑不充分或出現(xiàn)磨屑影響時(shí)仍具備良好的耐摩擦磨損性能。
[0007]⑵具備良好的抗粘著磨損性能，防止“粘銅”(軸承銅合金的銅元素轉(zhuǎn)移、粘附到對磨材料鋼上面)和“冷焊”(在摩擦熱作用下，銅合金與鋼擴(kuò)散、融滲和結(jié)合)現(xiàn)象發(fā)生。
[0008]⑶具備良好的的自潤滑性能，以彌補(bǔ)煤油潤滑物質(zhì)少的不足，提供足夠的減摩性能，不僅使本身不被磨損，還能保護(hù)對磨材料不被磨損。
[0009]⑷具備良好的密封性能，易充填、易磨合、易貼合，能克服表面不平度、粗糙度和不平行度，填平磨合面上微小的凹凸不平，在軸承端面與齒輪端面形成良好的密封帶，防止產(chǎn)生泄漏間隙，造成漏油和導(dǎo)致高低壓油腔溝通。
[0010]現(xiàn)有的以煤油為工作介質(zhì)的齒輪泵軸承材料，主要采用鑄造的銅合金材料，例如HMn60-3-l-0.75、ZCuSb5Ni2, ZCuSbPb20Ni3等。但鑄造的銅合金軸承材料在煤油中工作，磨損嚴(yán)重，特別是在工作轉(zhuǎn)速高達(dá)10000r/min時(shí)，摩擦副受力幅度與交變頻率加大，摩擦副表面急速升溫，接觸面更快塑變、軟化，摩擦材料的粘著磨損和疲勞磨損急劇增加，造成軸承端面和內(nèi)孔燒傷、解耦環(huán)破裂、軸承與齒輪抱死等故障，甚至造成花鍵軸斷裂。因此，鑄造銅合金無法滿足以煤油為工作介質(zhì)的齒輪泵對軸承材料性能的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提出了一種具備良好的抗干磨、自潤滑、耐粘著性能的以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料。
[0012]本發(fā)明的另一目的在于提出了一種以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料的制備方法。
[0013]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0014]一種以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料，該材料最終產(chǎn)品的化學(xué)組成按質(zhì)量％為:錫白銅粉5-10，納米a -Al2O3粉0.5-5.5，耐磨石墨粉0.5-1.5，6_6_3錫青銅粉余量；其中，錫白銅粉的化學(xué)組成按質(zhì)量％為:Sn9-ll，Nil9-21，Cu余量；6_6_3錫青銅粉的化學(xué)組成按質(zhì)量 ％ 為:Sn4-7, Zn4-7，Pb2_4，Cu 余量；
[0015]該以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料通過以下方法制備:將錫白銅粉、納米C1-Al2O3粉、耐磨石墨粉和6-6-3錫青銅粉充分混合，壓制、氫氣燒結(jié)后，再進(jìn)行電火花燒結(jié)。
[0016]該材料的微觀組織中有沉淀析出的(Cu，Ni) 3Sn的Θ相和彌散分布的納米ct -Al2O3O
[0017]該材料原料粒度滿足以下要求:錫白銅粉粒度≤70μπι，納米C1-Al2O3粉粒度(150nm,耐磨石墨粉粒度≤70 μ m ;6-6_3錫青銅粉粒度≤70 μ m。
[0018]該材料使用狀態(tài)下滿足以下性能:密度8.643-8.646，空隙度0.017-0.018%，磨損量 0.25-0.26cm3/cm2, min。
[0019]所述制備方法為:對所述化學(xué)組成的原料進(jìn)行充分混合，將混合粉裝入鋼模，在液壓機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制壓力400-600MPa ;將壓坯置于氫氣燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度800-850°C，燒結(jié)時(shí)間60-90分鐘；將燒結(jié)坯裝入石墨模具，在電火花燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，燒結(jié)溫度750-800°C，燒結(jié)壓力30-40MPa，燒結(jié)時(shí)間3_5分鐘，制得齒輪泵軸承材料。
[0020]一種以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料的制備方法，其中，
[0021]將錫白銅粉、納米C1-Al2O3粉、耐磨石墨粉和6-6-3錫青銅粉充分混合，壓制、氫氣燒結(jié)后，再進(jìn)行電火花燒結(jié)，制成以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料；該齒輪泵軸承材料最終產(chǎn)品的化學(xué)成分按質(zhì)量％為:錫白銅粉5-10，納米C1-Al2O3粉0.5-5.5，耐磨石墨粉0.5-1.5，6-6-3錫青銅粉余量，其中，錫白銅粉的化學(xué)組成成分按質(zhì)量％為:Sn9-ll，Ν?19-21, Cu余量；6-6-3錫青銅粉的化學(xué)組成成分按質(zhì)量％為:Sn4_7，Zn4_7，Pb2_4，Cu余量。
[0022]對所述化學(xué)組成的原料進(jìn)行充分混合，將混合粉裝入鋼模，在液壓機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制壓力400-600MPa ;將壓坯置于氫氣燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度800-850°C，燒結(jié)時(shí)間60-90分鐘；將燒結(jié)坯裝入石墨模具，在電火花燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，燒結(jié)溫度750-800°C，燒結(jié)壓力30-40MPa，燒結(jié)時(shí)間3_5分鐘，制得齒輪泵軸承材料。
[0023]本發(fā)明的有益效果在于:
[0024]本發(fā)明的齒輪泵軸承材料具有以下特點(diǎn):
[0025]⑴抗干磨。材料中添加的納米a-Al2O3，不僅對材料產(chǎn)生彌散強(qiáng)化效果，而且由于其具有僅次于金剛石的硬度，使材料表面硬度提高，從而使材料具備優(yōu)異的抗干磨性能。
[0026]⑵自潤滑。材料中不僅含有固體潤滑劑Pb和耐磨石墨，而且在顆粒邊界存在著由Cu、Sn、Pb、Zn、Ni組成的復(fù)合自潤滑合金。在工作時(shí)，Cu-Sn-Pb-Zn-Ni復(fù)合自潤滑合金在摩擦熱作用下會析出、分凝到摩擦表面，發(fā)揮優(yōu)越的減摩作用。
[0027]⑶高強(qiáng)度。材料中錫白銅產(chǎn)生的Cu-Sn-Ni強(qiáng)化效果，加上納米a -Al2O3產(chǎn)生的彌散強(qiáng)化效果，使材料具備了較高的強(qiáng)度。
[0028]⑷高密度。由于采用“壓制、氫氣燒結(jié)-電火花燒結(jié)”復(fù)合工藝制備齒輪泵軸承材料，材料孔隙度在0.02%以下，幾乎達(dá)到完全致密程度。
[0029](5)抗粘著。材料中的納米a -Al2O3具有小尺寸效應(yīng)，可將對磨材料拋光，改善摩擦副材料表面接觸狀態(tài)，提聞材料的抗粘著性能，阻礙粘銅和冷焊的發(fā)生。
[0030](6)密封好。材料中的Cu、Sn、Pb、Zn等軟金屬具有易磨合、易充填、易貼合的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過磨合后可形成良好的磨合帶，在帶壓狀態(tài)下，可與對磨材料緊密貼合；同時(shí)，當(dāng)摩擦副處于干磨狀態(tài)，需要減摩、耐磨時(shí)，材料中的納米a -Al2O3耐磨相、固體潤滑劑Pb和耐磨石墨與Cu-Sn-Pb-Zn-Ni自潤滑合金組成的自潤滑相以及Cu-Sn-Ni強(qiáng)化相將同時(shí)發(fā)揮作用，避免泄漏缺陷的產(chǎn)生，從而確保材料具備優(yōu)良的密封性能。
[0031]本發(fā)明材料與現(xiàn)有的鑄造銅合金比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0032]⑴本發(fā)明齒輪泵軸承材料使用的銅合金粉末是采用高壓水霧化法生產(chǎn)的，金屬成分進(jìn)行了預(yù)合金化，其化學(xué)組成均勻，沒有鑄造工藝存在的鉛偏析問題，因此，材料組織均勻，性能穩(wěn)定。
[0033]⑵本發(fā)明齒輪泵軸承材料成分調(diào)節(jié)范圍寬，可以添加鑄造材料無法添加的材料，例如納米a -Al2O3、耐磨石墨等非金屬材料，從而獲得優(yōu)于鑄造材料的抗干磨、自潤滑、不粘著等性能。
[0034]⑶本發(fā)明齒輪泵軸承材料具有獨(dú)特的、在摩擦熱作用下可以析出到工作表面進(jìn)行潤滑的Cu-Sn-Zn-Pb-Ni復(fù)合自潤滑合金，這是鑄造銅合金所沒有的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料的組織狀態(tài)圖。(圖中黑色部分為C，白色部分為Cu、Sn、Pb、Zn、Ni和納米α -Α1203，淺灰色部分為以Cu為主，含有Sn、Zn、Ni
的基體。)
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0037]本發(fā)明以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料以6-6-3錫青銅為基體，是由于6-6-3錫青銅具有較好的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能、耐磨性能、減摩性能和耐蝕性能，其抗粘著和擦傷能力都優(yōu)于其他銅合金；添加錫白銅是由于合金中CiuNi均為單一的α相組織，原子半徑都很小，且同為面心立方結(jié)構(gòu)，彼此無限固溶；當(dāng)含Sn量超過一定量時(shí)，會出現(xiàn)一種新的(Cu，Ni)3Sn的Θ相，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化效應(yīng)，提高軸承材料的力學(xué)性能；添加納米C1-Al2O3，是由于納米C1-Al2O3具有以下功能:(I)納米C1-Al2O3在合金中彌散分布，可起到彌散強(qiáng)化作用；納米a -Al2O3具有較高的硬度，可提高材料表面硬度、承載能力及抗粘著能力，從而能阻礙位錯(cuò)聚集，提高耐磨性能，防止磨損裂紋的發(fā)生。(2)由于納米C1-Al2O3顆粒表面光滑，且粒度細(xì)小，隨著摩擦容易發(fā)生滾動(dòng)，微觀上使滑動(dòng)摩擦變成滾動(dòng)摩擦，降低摩擦系數(shù)，提高減摩性能。(3)納米a-Al2O3還具有小尺寸效應(yīng)，可將對磨材料拋光，改善表面接觸狀態(tài)，提高密封性能。(4)納米C1-Al2O3在顆粒邊界的存在，使邊界形成了不完全的金屬連接，這就為自潤滑合金的析出和形成創(chuàng)造了空間；添加耐磨石墨是由于其具有良好的自潤滑性能，又可提高銅合金的硬度，增加銅合金的耐磨性能。
[0038]按以上化學(xué)組成成分重量％進(jìn)行充分混合，將混合粉裝入鋼模，在液壓機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制壓力400-600MPa ;將壓坯置于氫氣燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度800-850°C，燒結(jié)時(shí)間60-90分鐘；將燒結(jié)坯裝入石墨模具，在電火花燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，燒結(jié)溫度750-800°C，燒結(jié)壓力30-40MPa，燒結(jié)時(shí)間3_5分鐘，制得齒輪泵軸承材料。
[0039]以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料采用上述“壓制、氫氣燒結(jié)-電火花燒結(jié)”復(fù)合工藝制備，理由如下:
[0040]電火花燒結(jié)是一種特殊的熱壓技術(shù)。電火花燒結(jié)可使物質(zhì)之間瞬間產(chǎn)生局部高溫，使粉末顆粒表面產(chǎn)生氣化和熔融現(xiàn)象，在放電沖擊壓力下，發(fā)生濺射作用，去除吸附氣體，沖破氧化薄膜和石墨阻礙，在加壓狀態(tài)下，使粉末顆粒接觸后，迅速擴(kuò)散，形成連接部分，牢固地?zé)Y(jié)在一起。電火花燒結(jié)可在較小壓力下、短時(shí)間內(nèi)完成燒結(jié)，制得高密度產(chǎn)品。
[0041]但由于電火花燒結(jié)時(shí)間短，只有幾分鐘，顆粒中的低熔點(diǎn)合金不可能析出到顆粒邊界，也就不能形成Cu-Sn-Zn-Pb-Ni復(fù)合自潤滑合金。因此，需要先進(jìn)行氫氣燒結(jié)，使顆粒中的低熔點(diǎn)合金的析出和Cu-Sn-Zn-Pb-Ni復(fù)合自潤滑合金的形成有足夠的時(shí)間。
[0042]由于耐磨石墨和納米a-Al2O3等非金屬的存在，在氫氣燒結(jié)時(shí)，影響制品密度的提高，因此，在氫氣燒結(jié)后，還需要采用電火花燒結(jié)工藝進(jìn)行高致密化。
[0043]實(shí)施例:
[0044]采用本發(fā)明濕式摩擦材料和制造工藝，制得以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料試樣3批。制備以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料試樣的化學(xué)組成質(zhì)量％如表1，制備工藝參數(shù)如表2。
[0045]試樣外徑Φ28.5mm,厚度2mm。試樣在FALEX-6摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。試驗(yàn)條件:主軸速度635rpm ;試驗(yàn)溫度26°C,上試件材料40CrNiMoA，下試件材料為本發(fā)明濕式摩擦材料；潤滑條件在航空煤油中潤滑；試驗(yàn)載荷50LBS ;試驗(yàn)時(shí)間60min。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。為進(jìn)行對比，表中列出了鑄造銅合金HMn60-3-1-0.75在相同試驗(yàn)條件下的磨損量。
[0046]表1本發(fā)明樣品具體化學(xué)組成配比(質(zhì)量％)
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料，其特征在于:該材料最終產(chǎn)品的化學(xué)組成按質(zhì)量％為:錫白銅粉5-10，納米a -Al2O3粉0.5-5.5，耐磨石墨粉0.5-1.5,6-6-3錫青銅粉余量；其中，錫白銅粉的化學(xué)組成按質(zhì)量％為:3119-11，附19-21，(:11余量；6_6_3錫青銅粉的化學(xué)組成按質(zhì)量％為:Sn4-7，Zn4-7，Pb2_4，Cu余量； 該以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料通過以下方法制備:將錫白銅粉、納米a-Al2O3粉、耐磨石墨粉和6-6-3錫青銅粉充分混合，壓制、氫氣燒結(jié)后，再進(jìn)行電火花燒結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料，其特征在于:該材料的微觀組織中有沉淀析出的(Cu，Ni) 3Sn的θ相和彌散分布的納米α-Α1203。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料，其特征在于:該材料原料粒度滿足以下要求:錫白銅粉粒度≤70 μ m,納米a -Al2O3粉粒度≤150nm,耐磨石墨粉粒度< 70 μ m ；6-6-3錫青銅粉粒度≤70 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料，其特征在于:該材料使用狀態(tài)下滿足以下性能:密度8.643-8.646，空隙度0.017-0.018%,磨損量0.25-0.26cm3/xm2.min0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料，其特征在于:所述制備方法為:對所述化學(xué)組成的原料進(jìn)行充分混合，將混合粉裝入鋼模，在液壓機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制壓力400-600MPa ;將壓坯置于氫氣燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度800-850°C，燒結(jié)時(shí)間60-90分鐘；將燒結(jié)坯裝入石墨模具，在電火花燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，燒結(jié)溫度750-800°C，燒結(jié)壓力30-40MPa，燒結(jié)時(shí)間3_5分鐘，制得齒輪泵軸承材料。
6.—種如權(quán)利要求1所述的以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料的制備方法，其特征在于: 將錫白銅粉、納米a -Al2O3粉、耐磨石墨粉和6-6-3錫青銅粉充分混合，壓制、氫氣燒結(jié)后，再進(jìn)行電火花燒結(jié)，制成以煤油為介質(zhì)的齒輪泵軸承材料；該齒輪泵軸承材料最終產(chǎn)品的化學(xué)成分按質(zhì)量％為:錫白銅粉5-10，納米a -Al2O3粉0.5-5.5，耐磨石墨粉0.5-1.5，6-6-3錫青銅粉余量，其中，錫白銅粉的化學(xué)組成成分按質(zhì)量％為:Sn9-ll，Ν?19-21, Cu余量；6-6-3錫青銅粉的化學(xué)組成成分按質(zhì)量％為:Sn4-7，Zn4_7，Pb2_4，Cu余量。
7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于:對所述化學(xué)組成的原料進(jìn)行充分混合，將混合粉裝入鋼模，在液壓機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制壓力400-600MPa ;將壓坯置于氫氣燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度800-850°C，燒結(jié)時(shí)間60-90分鐘；將燒結(jié)坯裝入石墨模具，在電火花燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，燒結(jié)溫度750-800°C，燒結(jié)壓力30-40MPa，燒結(jié)時(shí)間3_5分鐘，制得齒輪泵軸承材料。
【文檔編號】B22F5/08GK103909258SQ201410140439
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月9日
【發(fā)明者】王飛, 孫陽, 田玉清, 陳廣志 申請人:鋼鐵研究總院