一种铜包覆粉末冶金含油轴承及其制备方法与流程

本发明涉及粉末冶金含油轴承，具体涉及一种铜包覆粉末冶金含油轴承及其制备方法。

背景技术：

1、粉末冶金含油轴承通过将金属粉末压制成形并烧结形成多孔结构，再经浸渍润滑油获得自润滑能力，能够在不依赖外部供油或仅少量添加润滑脂的条件下长期运转，广泛用于家用电器电机、电动工具、办公自动化设备及汽车辅助部件等需要低摩擦运转的场合。铁基含油轴承以铁为主要骨架，兼具较高的承载能力与适中的制造成本，其孔隙率、孔道连通程度以及孔道内表面性质直接决定润滑油的储存量与保持能力，从而影响轴承的摩擦系数、温升和使用寿命。

2、向铁基骨架中引入铜是提升含油轴承强度以及干摩擦与边界润滑性能的常用手段。铜通常以电解铜粉或铜锡预合金粉末形式加入混合粉料中，在烧结过程中部分形成液相以强化铁基体间的冶金结合。

3、然而受限于铁与铜之间的扩散及液相烧结工艺窗口，铜在烧结后多孔骨架中的分布难以均匀覆盖孔道深部表面，靠近外表面区域铜含量相对较高，而内部连通孔道壁面处的铜分布有限。提高铜含量的途径又常与基体孔隙率目标相互制约，导致含油空间减少或孔道连通性下降，难以同时兼顾含油能力与表面摩擦学性能。

4、部分技术尝试通过后续镀铜工艺改善铁基含油轴承的表面状态，即在烧结件外表面沉积铜层。但常规电镀难以使镀液进入细小的内部连通孔道，镀层主要集中于外表面；若采用普通浸置式化学镀铜，多孔体内部滞留的气体以及镀液表面张力会阻碍镀液向孔道深处渗透，容易造成孔道内壁沉积不均匀，铜层与基体的结合及覆盖程度仍难以满足严苛工况下的长期使用要求。

5、因此，如何在维持轴承多孔骨架及含油空间基本结构的同时，使铜在烧结体表面及内部连通孔道壁面获得均匀、稳定且与基体结合良好的覆盖，同时避免后续处理对轴承最终尺寸造成不利影响，是铁基粉末冶金含油轴承制造中需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有铁基粉末冶金含油轴承中，铜锡预合金粉虽能提高强度，但铜难以均匀覆盖连通孔道深部表面，常规电镀液无法进入细小孔道，烧结后镀铜易引起尺寸变化、难以兼顾多孔结构与自润滑性能的技术问题，提供一种铜包覆粉末冶金含油轴承及其制备方法，其在烧结精整后对烧结坯实施真空脉冲化学铜沉积，使铜沉积层形成于轴承外表面与连通孔道内壁，并在浸油前不再进行压制精整，从而在保持孔隙率的同时改善孔道表面润滑特性，提高自润滑性能与尺寸一致性。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种铜包覆粉末冶金含油轴承，所述轴承包括烧结金属基体及分布于所述烧结金属基体中的连通孔道，所述烧结金属基体由混合粉料经压制、脱脂烧结和精整后制得，所述混合粉料包括还原铁粉、铜锡预合金粉、石墨粉和硫化锰粉，以还原铁粉100质量份计，铜锡预合金粉为5.0～8.0质量份，石墨粉为1.0～1.6质量份，硫化锰粉为0.4～0.8质量份，且所述轴承的总铜含量为5.5～9.8wt%，所述轴承的开孔孔隙率为14～22%，并且所述连通孔道的内表面以及所述烧结金属基体的外表面均具有铜沉积层，所述铜沉积层由在化学镀铜液中通过真空脉冲化学铜沉积工艺形成，其质量为所述烧结金属基体质量的1.5～3.5%。

3、进一步，所述还原铁粉的d50粒径为45～90μm，所述铜锡预合金粉的d50粒径为20～45μm，所述石墨粉的d50粒径为10～30μm，所述硫化锰粉的d50粒径为5～25μm。

4、进一步，所述铜锡预合金粉由88～92wt%的铜和8～12wt%的锡组成，所述还原铁粉的中值粒径为45～60μm，所述石墨粉为鳞片状石墨，所述硫化锰粉为粉状。

5、一种铜包覆粉末冶金含油轴承的制备方法，包括如下步骤：

6、s1：将还原铁粉、铜锡预合金粉、石墨粉和硫化锰粉按上述配比混合均匀，得到混合粉料；

7、s2：将所述混合粉料装入轴承成型模具中，在400～550mpa压力下压制成环形压坯，控制所述环形压坯的表观密度为5.9～6.3g/cm3；

8、s3：将所述环形压坯在氮气气氛中升温至380～450℃并保温30～60min进行脱脂，然后在含氢保护气氛中升温至860～910℃并保温25～45min进行烧结，随炉冷却至150℃以下后出炉，得到铁基多孔烧结坯；

9、s4：对所述铁基多孔烧结坯进行尺寸精整，并依据后续铜沉积量对轴承内径和外径预留尺寸补偿量，使经步骤s6还原处理后的铜包覆轴承坯达到目标成品尺寸；将精整后的烧结坯依次进行脱脂清洗、酸活化和引发铜沉积处理，得到活化烧结坯；

10、s5：将所述活化烧结坯完全浸没于化学镀铜液中，在55～70℃条件下对承载所述活化烧结坯和化学镀铜液的处理容器交替实施抽真空和恢复常压操作，使化学镀铜液进入所述活化烧结坯的连通孔道并发生化学铜沉积，控制所述烧结坯的质量增加率为1.5～3.5%，得到铜沉积烧结坯；

11、s6：对所述铜沉积烧结坯进行去离子水真空脉冲清洗，然后干燥，再在含氢保护气氛中于300～380℃保温30～60min进行还原处理，得到铜包覆轴承坯；

12、s7：将所述铜包覆轴承坯置于润滑油中，在70～90℃下抽真空至绝对压力不高于10kpa保持15～30min，然后恢复至常压并保持20～40min，取出后除去表面浮油，得到铜包覆粉末冶金含油轴承。

13、进一步，所述步骤s5中，所述化学镀铜液含有五水硫酸铜、乙二胺四乙酸二钠二水合物、以纯乙醛酸计的乙醛酸、平均分子量为400～800的聚乙二醇以及2,2'-联吡啶，并采用氢氧化钠将所述化学镀铜液的ph调节至12.2～12.6。

14、进一步，所述步骤s5中，将所述活化烧结坯完全浸没于化学镀铜液后，将所述处理容器的绝对压力降至40～60kpa并保持2～5min，再恢复至常压并保持3～8min，重复抽真空和恢复常压操作3～6次，然后于常压下在55～70℃继续化学沉积15～35min。

15、进一步，所述步骤s4中，酸活化采用质量浓度为1.0～2.5%的盐酸水溶液，在20～35℃下处理30～90s，所述引发铜沉积处理为将酸活化后的烧结坯浸入含有五水硫酸铜和柠檬酸钠且ph为4.5～5.5的引发液中15～60s。

16、进一步，所述步骤s6中，去离子水真空脉冲清洗的次数至少为两次，每次清洗包括将绝对压力降低至8～20kpa并保持2～5min后恢复至常压，直至末次清洗液的ph为6.5～7.5且电导率不高于100μs/cm，干燥在80～120℃及绝对压力不高于10kpa的条件下进行，干燥时间为60～120min。

17、进一步，所述步骤s7中，所用润滑油的聚α-烯烃基础油在40℃下的运动黏度为28～68mm2/s。

18、一种铜包覆粉末冶金含油轴承可用于工业机器人轴承、高速动车组轴承等滚动轴承制造。

19、一种铜包覆粉末冶金含油轴承其中还可添加微米级半导体晶片。

20、在本发明中，铁基多孔烧结坯的孔道为后续铜沉积提供了贯穿路径。真空脉冲操作通过反复的减压与升压，排除孔道内滞留气体并使新鲜镀液持续渗入深处，铜沉积层得以在烧结金属基体的外表面及连通孔道内表面同时形成，且沉积量被控制为烧结坯质量的1.5～3.5%，既保证有效覆盖又不显著降低孔隙率。铜沉积在烧结和镀前尺寸精整完成后进行，镀前精整根据预计铜沉积量对内径和外径预留尺寸补偿量，铜沉积后不再进行压制精整，从而避免二次塑性变形破坏已形成的铜层及孔道形态。还原处理在含氢气氛低温条件下完成，有利于获得与铁基体结合良好、表面洁净的铜层，并为进一步的真空浸油提供稳定的孔道结构。成品尺寸由镀前补偿量与受控铜沉积量共同确定。上述各步骤相互衔接，共同形成铜在烧结体表面及内部孔道壁面均匀覆盖且尺寸稳定性良好的技术方案。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、1.本发明将真空脉冲化学铜沉积设置在烧结和镀前尺寸精整完成之后、浸油之前，通过交替抽真空与恢复常压使化学镀铜液在压差驱动下反复进入并更新烧结坯的连通孔道，使铜沉积层同时形成于轴承外表面及内部连通孔道内壁，克服了常规电镀和常压化学镀难以使铜覆盖孔道深部、铜层集中于外表面的缺陷，提高了铜在多孔骨架表面分布的均匀性与覆盖完整性。

23、2.本发明通过化学沉积而非外加铜粉压制的方式引入部分铜，铜沉积层直接生长于经酸活化和引发铜沉积处理的铁基表面，并与含氢气氛低温还原处理相配合，使铜层与烧结金属基体之间获得良好的结合状态；同时铜沉积量被限定在既定范围内，既保证了孔道内壁及外表面的有效覆盖，又避免了铜层过度生长堵塞孔口或显著侵占储油空间，使多孔骨架的连通性与含油能力得到保持。

24、3.本发明在铜沉积完成后不再实施压制或精整等塑性变形加工，避免已形成的铜沉积层和孔道形态在后续加工中被破坏；在镀前精整时依据预计铜沉积量预留内、外径尺寸补偿量，并通过限定铜沉积质量增加率控制镀后尺寸变化，使还原后的铜包覆轴承坯达到目标成品尺寸，从而兼顾铜层完整性与尺寸一致性，有利于批量稳定生产。

25、4.本发明以铜锡预合金粉、鳞片状石墨粉与硫化锰粉相互配合构成基体强化与固体润滑体系，再叠加覆盖于孔道内壁和外表面的铜沉积层，使轴承在保持足够径向压溃强度的同时获得较低的稳态摩擦系数，含油空间、承载能力与摩擦学性能之间相互协调，扩展了铁基含油轴承在无外部供油工况下的适用范围。

26、5.本发明的制备工艺以常规粉末冶金设备与化学镀设备即可实现，脱脂、烧结、精整、铜沉积前处理、真空脉冲化学铜沉积、镀后清洗还原及真空浸油各步骤衔接顺序明确、参数窗口明确，工艺过程稳定可控，对配方用量和脉冲参数的变化具有合理的宽容性，便于工业化实施。