CN103276238B - 一种铜基合金滑动轴承的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜基合金滑动轴承的制备方法，首先在铜基合金原料中加入镧铈混合稀土金属，并通过喷射沉积制备成制备轴承合金本体；然后制备涂层材料并通过等离子喷射法完成涂层。本发明的滑动轴承相比传统的铸造铜基合金在耐磨性能上有明显提高，磨损率则大幅降低，相应的涂层也具有优越的摩擦学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜基合金滑动轴承的制备方法，尤其涉及一种改进成分的且具有耐磨层的铜基合金滑动轴承的制备方法。
背景技术
铜是人类发现和使用最早的金属之一，其特点是具有很高的导电、导热性能及良好的塑性，在这些性能方面仅次于金银而居第三位。尽管其寿命长，但在铜冶金方面仍在继续取得进展。纯铜具有面心立方品格，无同素异晶转变，塑性高而强度低，不宜直接用作结构材料，多作为配制铜合金的原料。
纯铜的强度并不高，因此要满足结构件的要求，必须进行铜的合金化。铜的合金化的目的，主要是为了实现固溶强化、时效强化及过剩相强化，从而获得高强度铜合金。按照传统的分类方法，通常按紫铜、黄铜、青铜、白铜四大系列加以粗分。紫铜即为纯铜添加少量其它元素，以锌作为主加元素的铜合金称为黄铜，在二元黄铜的基础上添加Al、Fe、Si、Mn、Pb、Ni等元素形成特殊黄铜，按添加第二主添元素的不同分别称为铝黄铜、铁黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铅黄铜、镍黄铜。不以锌为主加元素的称为青铜，按主加元素的不同又可分为锡青铜、铝青铜、铅青铜、铍青铜等，它们具有比普通黄铜更高的强度、硬度、抗腐蚀性能和良好的铸造性能。以镍为主加元素的称为白铜。铜及铜合金以优良的传热导电性能、高的耐蚀性能、良好的铸造性能和力学性能及适当的强度成为现代工业的重要基础材料之一，在国民经济中占有重要地位。铜合金困具有高强高导电导热及耐磨耐蚀的性能而成为现代工业不可缺少的金属材料。
随着现代科学技术日新月异的发展，现代工业对铜合金的性能提出了更高的要求，如高精度、高性能及经济实用等诸多方面。目前，锌铝基合金(ZA)的研究应用已取得了可喜的成绩，它的优越的力学性能和良好的铸造工艺性能及机加工性能令人瞩目，在高强度合金方断，有逐渐取代铜合金的趋势。但该合金与任何一种合金系列一样，也存在一些不足之处，其中有些是由于合金的本性所决定的，不宜改善，如：易产生比重偏析，有一定的缩松倾向，砂型铸造时易产生曳拉缺陷，热膨胀系数较大，有老化的潜在危险等，而且ZA合金用于导电板材料的问题是导电性差，ZA合金的应用今后将主要集中于定期更换的耐磨件及易损件或其它一些服役期限己知的零件?。因而在某些方面ZA合金仍不能完全取代铜合金，在一定时期内，仍有必要研制开发新型铜合金。
铜基耐磨合金传统上以各类青铜、黄铜为主，以它们的加工成型材或铸造制品来应用。如铍青铜的板、带、管、棒、线材综合性能好，导热性好，热处理后，强度均匀，耐磨耐腐蚀，铸造性好，适于制造各种耐磨零件以及在高速、高压和高温下工作的轴承、衬套，但铍青铜因其价格昂贵、铍毒的公害和成品率低而使该合金的生产和使用受到限制。铍青铜在熔炼、加工等工序中放出的BeO粉末对人体有很大的危害，环保设备也要进行巨大投资。钛青铜亦有良好的耐磨性等优点，而用作高弹性、高强度、高耐磨的各种电子元件、小型的精密齿轮以及各种轴承，但是钛金属也较为昂贵。铝青铜的结晶温度范围很小，流动性好，组织致密，但其线收缩率大，浇注***如果设置不合理，会产生裂纹。
由于铜基合金在保持高导电导热的同时对强度的提高有一定的限度，而复合强化能同时发挥基体高导电导热与强化材料的协同作用，又具有很大的设计自由度。因此近十几年来，美、日等发达国家对这类材料的开发研制非常活跃，我国起步则相对较晚。复合强化不会明显降低铜基体的传导性，而且还能改善基体的室温及高温性能。其基本原理是：根据材料设计性能的要求，选用适当的增强相(一种或多种)加入基体，在保持基体高传导性的同时，充分发挥增强相的强化作用，使材料的传导性与强度达到良好的匹配。根据增强相的形态，可以把高强度高导电导热铜基复合材料分为：颗粒增强铜基复合材料和纤维增强铜基复合材料。颗粒增强复合材料是指在铜基体中人为地或通过一定的工艺原位生成弥散分布的第二相粒子。第二相粒子阻碍了位错的运动，从而提高了材料的强度，如A1203/Cu复合材料、TiC/Cu复合材料。纤维增强铜基复合材料是指人为地在铜基体中加入定向规则排列的纤维或通过一定的工艺原位生成均匀相间定向整齐排列的第二相纤维，纤维使位错运动阻力增大，从而使金属基体得以强化，如C/Cu，Fe/Cu原位形变复合材料。铜基复合利料也可用于各种摩擦条件及有高强高导电导热要求的场合，如电极电刷等。铜基复合材料的缺点就是需要特殊的设备，由于纤维与铜基体的润湿性较差，因而制备工艺困难，成本较高。
通常材料的磨损按磨损机制分类为：①粘着磨损，②磨粒磨损，③疲劳磨损，④腐蚀磨损。
材料的粘着磨损失效是指在摩擦过程中，摩擦副材料表面之州产：生了粘着剪切效应，使摩擦材料表面发生脱落的或向对偶表面转移而导致的失效，其特征在于发乍了摩擦副材料由一个表面向另一个表面或彼此之问的迁移，粘着结点强度越高，剪切深度越深，磨损越严重，直至发生胶合磨损。粘着磨损失效发生的可能性与摩擦副材料的材质有关。化学性质相似、互溶性好的弹塑性材料(如同种金属)构成的摩擦副更易发生粘着磨损；一些流动体动压润滑的重载机械，由于在起动瞬间油膜尚未形成，极有可能发生粘着磨损失效。改善润滑，尤其是采用有自润滑性能的固体润滑材料．或重新匹配摩擦副材料是预防或避免粘着磨损失效的主要途径。
磨粒磨损失效是指由外界硬颗粒或偶件表而的硬凸起物在摩擦过程中引起的摩擦表而材剁脱落或塑性变形所导致的失效，造成部件失效的磨损来自于磨粒对摩擦副材料表面的犁削作用和颦性挤压变形，存在硬质磨粒井在摩擦表面上产生明显的磨粒划伤痕迹是判断磨粒磨损的必要条件。这种形式的磨损失效广泛存在于各类环境条件比较恶劣的机械设备中，有时并非是由于设计上的原因，具有一定的偶发性，由加强设备的维护和润滑管理是减少偶发性磨粒磨损失效的主要途径。
疲劳磨损失效是指摩擦副表面在循环变化的接触应力作用下，由于材料疲劳剥落形成凹坑而导致失效。一般来说，即使是在良好的润滑条件下，摩擦副表面的疲劳磨损失效依然不可避免，但大多表现为非扩展性的表面疲劳磨损。部件的疲劳磨损失效主要源于扩展性的表面疲劳磨损，其过程包括由于周期性变化的法向负载和切向摩擦力的作用(含滚动摩擦)，在摩擦副次表面应力集中处萌生微裂纹，裂纹扩展到表面，形成磨损。其特征是在摩擦表面上存在痘斑状的凹坑。这种形式的磨损与载荷性质和运动形式有密切关系。摩擦副材料中的杂质、空穴、位错和内应力等，由于破坏了基体的连续性，在循环应力的作用下，形成应力集中源，容易产生疲劳裂纹并导致磨损。
腐蚀磨损失效是指在摩擦过程中，摩擦副材料与周围介质发生了化学或电化学相瓦作用，这种作用加剧，材料的磨损过程而导致的失效，其特征是化学腐蚀和机械磨损同时存在并互相促进，摩擦副之间存存腐蚀介质是腐蚀磨损失效的必要条件，形成的磨屑应是摩擦副材料与介质化学作用的产物。
目前，轴承耐磨材料组织的构成主要由软的弥散相分布在硬的基体上，要提高材料的耐磨性能，必须改进弥散相的颗粒尺寸和分布，同时提高基体的性能，现有的合金还存在着组织不够细化，基体强度较低的缺点，限制了内燃机中轴承材料的使用寿命。同时轴承的工作环境也要求耐磨性能更优异的涂层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜基合金滑动轴承的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种滑动轴承，其特征在于，其包括合金本体和耐磨涂层，其中合金本体由以下重量百分比的组分组成：
铜 76~83 wt%
稀土金属 0.6~1.9 wt%
锡 5.5~7.8 wt%
银 0.1~2.3 wt%
余量为铅；
其中，所述稀土金属的重量百分组成为：
铈 46~49 wt%
镧 17~31 wt%
镨 4~7 wt%
钕 11~18 wt%
余量为其它稀土元素；
耐磨涂层以下重量百分比的组分组成：
TiO2 25~55wt.%
NiCrBSiFe 9~27wt.%
Cr2O3 20~38wt.%
Sn 2~3 wt%
C-Ni 10~15wt.%，其中Ni重量含量为60~75%
上述铜基合金滑动轴承的制备方法，包括以下步骤：
A、制备轴承合金本体
（1）根据合金本体的上述配比称取各原料组分；
（2）熔炼前除铜外，其它需放入炉体内的物件均在200℃烘箱中烘烤1小时左右以防止在熔炼过程中带入水汽；
（3）烘料完毕将电解铜、锡和铅块放入中频感应炉，先以小功率加热3~5分钟，然后加大功率使上述原料熔化后再加入银和稀土金属，然后在1150~1250℃的温度下熔炼20~30min，熔炼过程搅拌3~5次，以达到完全混合均匀；
（4）采用喷射成形装置，将上述合金重新融化后，用超音速雾化喷嘴进行合金的超音速气流雾化沉积过程：雾化气体为氮气，气体流量650L/min；雾化沉积的距离为40cm，雾化沉积结束制得铜基耐磨合金；
（5）根据要求经过机加工制得轴承合金本体；
B、制备耐磨涂层
（6）根据耐磨涂层的上述配比称取各原料组分；
（7）将上述组分粉末进行机械混合，机械混粉时间不低于30分钟；
（8）对轴承合金本体的表面进行喷砂处理；
（9）将上述机械混合后的粉末作为喂料进行喷涂，通过等离子喷枪形成高温高速等离子射流，选择Ar气流量15L/min，H2气流量5L/min，电流600A，喷涂功率约为39Kw，喷涂距离100mm，送粉率10g/min送粉气流推动混合粉体进入等离子射流后，混合粉体被迅速加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，形成飞向基体表面的喷涂粒子束，粒子束撞击到经过基体表面；每次喷涂间隔时间至少10min，每次喷涂厚度不高于20μm，待基体表面温度低于200℃再进行下一次喷涂；
（10）反复喷涂最终获得50μm左右的涂层，最后制得滑动轴承。
本发明的技术效果及优点在于：首先，本发明提供了高性能铜基耐磨合金本体，该合金由于添加了铈、镧、镨等稀土金属，并采用了喷射沉积这种制备工艺制备后，其基体强度、硬度与自润滑性进一步提高，从而相比传统的铸造铜基合金在耐磨性能上有明显提高，磨损率则大幅降低；并且合金材料中使用了适量的银，不仅改善合金的抗腐蚀性能，并减小合金中Cu-Sn相的尺寸，提高合金的抗剪切强度。其次，本发明所采用的涂层材料，包含了陶瓷基体TiO2，颗粒较小且具有极高硬度、耐磨性的Cr2O3作为增强颗粒，能提高复合材料之间结 合强度、韧性的自熔合金NiCrBSiFe，具有良好固态润滑效果的润滑材料C-Ni，可以显著提高涂层的耐磨性、内聚强度、抗裂性，并有效地降低涂层的摩擦系数。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1：
A、制备轴承合金本体
（1）根据以下配比称取合金本体的各原料组分，
铜 76 wt%
稀土金属 0.6 wt%
锡 7.8 wt%
银 2.3 wt%
余量为铅；
其中，所述稀土金属的重量百分组成为：
铈 46 wt%
镧 17 wt%
镨 4 wt%
钕 18 wt%
余量为其它稀土元素；
（2）熔炼前除铜外，其它需放入炉体内的物件均在200℃烘箱中烘烤1小时左右以防止在熔炼过程中带入水汽；
（3）烘料完毕将电解铜、锡和铅块放入中频感应炉，先以小功率加热3分钟，然后加大功率使上述原料熔化后再加入银和稀土金属，然后在1150℃的温度下熔炼30min，熔炼过程搅拌5次，以达到完全混合均匀；
（4）采用喷射成形装置，将上述合金重新融化后，用超音速雾化喷嘴进行合金的超音速气流雾化沉积过程：雾化气体为氮气，气体流量650L/min；雾化沉积的距离为40cm，雾化沉积结束制得铜基耐磨合金；
（5）根据要求经过机加工制得轴承合金本体；
B、制备耐磨涂层
（6）根据以下配比称取耐磨涂层的各原料组分；
TiO2 25 wt.%
NiCrBSiFe 9 wt.%
Cr2O3 20 wt.%
Sn 2 wt.%
C-Ni 15 wt.%，其中Ni重量含量为60%
（7）将上述组分粉末进行机械混合，机械混粉时间不低于30分钟；
（8）对轴承合金本体的表面进行喷砂处理；
（9）将上述机械混合后的粉末作为喂料进行喷涂，通过等离子喷枪形成高温高速等离子射流，选择Ar气流量15L/min，H2气流量5L/min，电流600A，喷涂功率约为39Kw，喷涂距离100mm，送粉率10g/min送粉气流推动混合粉体进入等离子射流后，混合粉体被迅速加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，形成飞向基体表面的喷涂粒子束，粒子束撞击到经过基体表面；每次喷涂间隔时间至少10min，每次喷涂厚度不高于20μm，待基体表面温度低于200℃再进行下一次喷涂；
（10）反复喷涂最终获得50μm左右的涂层，最后制得滑动轴承。
实施例2
A、制备轴承合金本体
（1）根据以下配比称取合金本体的各原料组分，
铜 79 wt%
稀土金属 1.2 wt%
锡 6.3 wt%
银 1.7 wt%
余量为铅；
其中，所述稀土金属的重量百分组成为：
铈 47 wt%
镧 21 wt%
镨 5 wt%
钕 15 wt%
余量为其它稀土元素；
（2）熔炼前除铜外，其它需放入炉体内的物件均在200℃烘箱中烘烤1小时左右以防止在熔炼过程中带入水汽；
（3）烘料完毕将电解铜、锡和铅块放入中频感应炉，先以小功率加热4分钟，然后加大功率使上述原料熔化后再加入银和稀土金属，然后在1200℃的温度下熔炼25min，熔炼过程搅拌4次，以达到完全混合均匀；
（4）采用喷射成形装置，将上述合金重新融化后，用超音速雾化喷嘴进行合金的超音速气流雾化沉积过程：雾化气体为氮气，气体流量650L/min；雾化沉积的距离为40cm，雾化沉积结束制得铜基耐磨合金；
（5）根据要求经过机加工制得轴承合金本体；
B、制备耐磨涂层
（6）根据以下配比称取耐磨涂层的各原料组分；
TiO2 35 wt.%
NiCrBSiFe 13 wt.%
Cr2O3 25 wt.%
Sn 2.4 wt%
C-Ni 13 wt.%，其中Ni重量含量为69%
（7）将上述组分粉末进行机械混合，机械混粉时间不低于30分钟；
（8）对轴承合金本体的表面进行喷砂处理；
（9）将上述机械混合后的粉末作为喂料进行喷涂，通过等离子喷枪形成高温高速等离子射流，选择Ar气流量15L/min，H2气流量5L/min，电流600A，喷涂功率约为39Kw，喷涂距离100mm，送粉率10g/min送粉气流推动混合粉体进入等离子射流后，混合粉体被迅速加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，形成飞向基体表面的喷涂粒子束，粒子束撞击到经过基体表面；每次喷涂间隔时间至少10min，每次喷涂厚度不高于20μm，待基体表面温度低于200℃再进行下一次喷涂；
（10）反复喷涂最终获得50μm左右的涂层，最后制得滑动轴承。
实施例3
A、制备轴承合金本体
（1）根据以下配比称取合金本体的各原料组分，
铜 83 wt%
稀土金属 1.9 wt%
锡 5.5 wt%
银 0.1 wt%
余量为铅；
其中，所述稀土金属的重量百分组成为：
铈 49 wt%
镧 31 wt%
镨 7 wt%
钕 11 wt%
余量为其它稀土元素；
（2）熔炼前除铜外，其它需放入炉体内的物件均在200℃烘箱中烘烤1小时左右以防止在熔炼过程中带入水汽；
（3）烘料完毕将电解铜、锡和铅块放入中频感应炉，先以小功率加热5分钟，然后加大功率使上述原料熔化后再加入银和稀土金属，然后在1250℃的温度下熔炼20min，熔炼过程搅拌3~5次，以达到完全混合均匀；
（4）采用喷射成形装置，将上述合金重新融化后，用超音速雾化喷嘴进行合金的超音速气流雾化沉积过程：雾化气体为氮气，气体流量650L/min；雾化沉积的距离为40cm，雾化沉积结束制得铜基耐磨合金；
（5）根据要求经过机加工制得轴承合金本体；
B、制备耐磨涂层
（6）根据以下配比称取耐磨涂层的各原料组分；
TiO2 55 wt.%
NiCrBSiFe 9 wt.%
Cr2O3 38 wt.%
Sn 3 wt.%
C-Ni 10 wt.%，其中Ni重量含量为75%
（7）将上述组分粉末进行机械混合，机械混粉时间不低于30分钟；
（8）对轴承合金本体的表面进行喷砂处理；
（9）将上述机械混合后的粉末作为喂料进行喷涂，通过等离子喷枪形成高温高速等离子射流，选择Ar气流量15L/min，H2气流量5L/min，电流600A，喷涂功率约为39Kw，喷涂距离100mm，送粉率10g/min送粉气流推动混合粉体进入等离子射流后，混合粉体被迅速加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，形成飞向基体表面的喷涂粒子束，粒子束撞击到经过基体表面；每次喷涂间隔时间至少10min，每次喷涂厚度不高于20μm，待基体表面温度低于200℃再进行下一次喷涂；
（10）反复喷涂最终获得50μm左右的涂层，最后制得滑动轴承。
对上述多个实施例进行测试，本发明制得轴瓦本体的干摩擦磨损率小于15×10-12m3/m，涂层平均显微硬度达到658Mpa。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种铜基合金滑动轴承的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
A、制备轴承合金本体
（1）根据以下配比称取合金本体的各原料组分，
铜 76~83 wt%
稀土金属 0.6~1.9 wt%
锡 5.5~7.8 wt%
银 0.1~2.3 wt%
余量为铅；
其中，所述稀土金属的重量百分组成为：
铈 46~49 wt%
镧 17~31 wt%
镨 4~7 wt%
钕 11~18 wt%
余量为其它稀土元素；
（2）熔炼前除铜外，其它需放入炉体内的物件均在200℃烘箱中烘烤1小时以防止在熔炼过程中带入水汽；
（3）烘料完毕将电解铜、锡和铅块放入中频感应炉，先以小功率加热3~5分钟，然后加大功率使上述原料熔化后再加入银和稀土金属，然后在1150~1250℃的温度下熔炼20~30min，熔炼过程搅拌3~5次，以达到完全混合均匀；
（4）采用喷射成形装置，将上述合金重新融化后，用超音速雾化喷嘴进行合金的超音速气流雾化沉积过程：雾化气体为氮气，气体流量650L/min；雾化沉积的距离为40cm，雾化沉积结束制得铜基耐磨合金；
（5）根据要求经过机加工制得轴承合金本体；
B、制备耐磨涂层
（6）根据以下配比称取耐磨涂层的各原料组分；
TiO2 25~55wt.%
NiCrBSiFe 9~27wt.%
Cr2O3 20~38wt.%
Sn 2~3 wt%
C-Ni 10~15wt.%，其中Ni重量含量为60~75%
（7）将上述组分粉末进行机械混合，机械混粉时间不低于30分钟；
（8）对轴承合金本体的表面进行喷砂处理；
（9）将上述机械混合后的粉末作为喂料进行喷涂，通过等离子喷枪形成高温高速等离子射流，选择Ar气流量15L/min，H2气流量5L/min，电流600A，喷涂功率为39Kw，喷涂距离100mm，送粉率10g/min送粉气流推动混合粉体进入等离子射流后，混合粉体被迅速加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，形成飞向基体表面的喷涂粒子束，粒子束撞击到经过基体表面；每次喷涂间隔时间至少10min，每次喷涂厚度不高于20μm，待基体表面温度低于200℃再进行下一次喷涂；
（10）反复喷涂最终获得50μm的涂层，最后制得滑动轴承。
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