CN109023211A - 一种液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层及其制备方法 - Google Patents
一种液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层及其制备方法,属于材料表面处理技术领域。该制备方法包括:采用空气助燃超音速火焰喷涂方法于液压作动筒基体表面喷涂铁黄铜粉末,喷涂过程采用压缩空气将基体的温度冷却至不高于180℃,喷涂完成后进行磨削和抛光。该方法简单可靠,制备效率高,生产成本低,对环境污染小。由此方法制得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层具有较高的结合强度,组织均匀致密,硬度适中,耐磨减摩性能优异。
Description
技术领域
本发明属于材料表面处理技术领域,且特别涉及一种液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层及其制备方法。
背景技术
作动筒是控制飞机上各类型控制面或者其他部件运动的驱动装置,它可将输入的液压能转变为机械能,是用来实现工作机构直线往复运动或摆动运动的执行元件。在飞机液压***中,作动筒由于结构简单、设计及制造比较容易,使用维修方便等特点而被广泛应用于舵面的操纵,起落架、襟翼和减速板的收放,发动机尾喷口、反推装置、进气锥和燃油泵的操纵等场合。此外,作动筒还广泛的应用于工程机械、矿山机械、农业机械、船舶、冶金设备及其它自动化设备装置中。
作动筒是液压控制***中必备的部件,不管其结构形式如何,作动筒的基本组成大体由筒体、活塞、活塞杆、端盖、密封和进出管道等部件组成。服役过程中,活塞受油压的作用在缸筒内做往复运动,因此活塞必须具备一定的强度,对于没有密封装置而仅靠间隙来保证密封性能的活塞,还应该有良好的耐磨性能。活塞杆则是连接活塞和工作部件的传力零件,它必须有足够的强度和刚度。工作时在导向套内往返运动,其外圆面也应当具备耐磨性能。长期服役过程中,活塞端部或活塞杆均易出现划伤或碰损现象,如果超过规定的配合间隙时,会损坏作动筒内的密封胶圈,导致漏油,进而影响作动筒性能,甚至威胁飞行安全。
通常对损坏部位采用抛光或研磨的方式修复,但若超过规定配合间隙时,将作报废处理,损失巨大。为解决该问题,在工作面涂覆一层耐磨减摩涂层是经济可行的方法。电镀硬铬作为一种常用的表面强化方式,镀层内部纵横交错的微裂纹网络可有效降低残余应力并利于储存润滑油,对降低磨损具有显著作用。然而,该技术降低了承受较大交变载荷零件的弯曲疲劳寿命,耐磨性也难以满足越来越高的使用要求,且制备过程对环境有严重污染,采用更为环保的技术进行表面处理乃是大势所趋。化学镀和气相沉积技术也因沉积速度偏低、镀层内应力较高导致易出现附着和裂纹问题,高载荷服役条件下涂层容易脱落或塌陷而限制了在作动筒上的应用。
铁黄铜因具有高的强度、韧性、良好的切削加工性能,优异的耐磨减摩、耐蚀和承载性能而可用作液压作动筒等部件的摩擦副材料。然而,若直接使用铸造铁黄铜合金,其刚度和耐磨性能仍难以满足越来越严苛的的服役需求。将铁黄铜摩擦副附加到钢基体上是一种行之有效的手段。然而,焊接等液相连接技术很难克服钢基体热处理温度低于铜合金熔点的矛盾,会造成基体性能大幅度下降和变形。扩散焊工艺温度不高,但基体与铜合金的热膨胀系数相差大,当温度升高时铜合金与基体往往很难保持良好的接触,造成焊接缺陷,成品率极低。摩擦焊由于工艺操作复杂等原因很难用于液压作动筒基体与铁黄铜的连接。
因此,需要寻求一种有效提高作动筒耐磨减摩性能的铁黄铜涂层制备方法。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的制备方法,该方法简单可靠,制备效率高,生产成本低,对环境污染小。
本发明的另一目的在于提供一种由上述方法制备得到的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层,该液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层具有较高的结合强度,组织均匀致密,硬度适中,耐磨减摩性能优异。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的制备方法,包括以下步骤:采用空气助燃超音速火焰喷涂方法于液压作动筒的基体表面喷涂铁黄铜粉末,喷涂过程采用压缩空气将基体的温度冷却至不高于180℃,喷涂完成后进行磨削和抛光。
本发明还提出一种由上述制备方法制备而得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层。
在优选的实施方案中,制备所得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的氧含量小于0.5%;或所得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的孔隙率小于1.0%;或所得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的硬度为200-250HV0.3;或所得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层与基体的结合强度大于50MPa。
本发明较佳实施例提供的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层及其制备方法的有益效果包括:
本发明较佳实施例提供的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的制备方法简单可靠,制备效率高,生产成本低,对环境污染小。由此制得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层具有较高的结合强度,组织均匀致密,硬度适中,耐磨减摩性能优异。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1所用的铁黄铜粉末及制备所得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的物相组成图;
图2为实施例1制备所得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的截面形貌图;
图3为实施例1制备所得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层磨损试验后的表面形貌图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层及其制备方法进行具体说明。
本申请提供的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层,其主要是附着于作动筒的基体表面而形成。
在本申请中,作动筒作为直线往复运动或摆动运动的液压执行元件,应具有足够的强度,以保证在整个寿命期内能承受工作时由液压、振动、加速度、温度变化所产生的各种载荷和载荷组合。作动筒活塞或活塞杆的材质可以为高强度的合金结构钢,例如可以包括30CrMnSiNi2A、18Cr2Ni4WA或30CrMnSiA等。
可参照的,液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的制备方法包括以下步骤:采用空气助燃超音速火焰喷涂方法于液压作动筒的基体表面喷涂铁黄铜粉末,喷涂过程采用压缩空气将基体的温度冷却至不高于180℃,喷涂完成后进行磨削和抛光。
采用空气助燃超音速火焰喷涂方法能够避免采用以下方式制备铁黄铜涂层所存在的各种问题:低压等离子喷涂在真空室内进行,操作不便且效率较低;冷喷涂由于喷距短,在喷涂复杂型面工件及小尺寸内孔时存在较大难度;电弧喷涂、大气等离子喷涂制备的涂层孔隙率高,氧化严重;常规超音速火焰喷涂极易出现喷嘴粘连和低熔点元素烧损现象,喷涂效率和涂层质量都会受到较大的影响。
在本申请中,空气助燃超音速火焰喷涂的喷涂条件包括:主燃料气体的压强为75-95psi,和/或压缩空气压强为75-95psi,和/或氮气流量为35-50L/min,和/或氢气流量为7-12L/min,和/或送粉速率为30-60g/min,和/或喷距为150-250mm,和/或工件旋转速度为150-300rpm,和/或喷枪移动速度为10-30mm/s;主燃料气体包括丙烷或丙烯。
上述喷涂过程以空气助燃,火焰具有温度较低以及氧化性较弱的特点,结合上述喷枪的喷涂条件,能够使火焰中的颗粒具有较高的速度和较低的温度,从而有效降低粉末涂层材料的氧化和分解。通过上述方式喷涂后所得的涂层内部残余应力小,喷涂涂层的厚度是用一般的热喷涂方法难以达到的,喷涂后的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层厚度可以达到0.8-2.2mm,甚至10mm。
此外,喷涂过程采用压缩空气进行强制冷却,基体温度严格控制在180℃以下,同时加大压缩空气冷却强度和尽量减少同部位喷涂过程中的停枪次数,可以有效防止涂层分层的现象。
在本申请中,通过将铁黄铜粉末喷涂于基体表面,铁黄铜具有较高的强度和韧性,良好的切削加工性能、耐蚀性、耐磨减摩和承载性能。其中,铁在铁黄酮粉末中为主要添加元素,其可在黄铜中以富铁相的微粒析出,作为“晶核”细化黄铜的铸造组织,并能阻止再结晶晶粒长大,从而提高涂层的力学性能和工艺性能。
在一些优选的实施方案中,铁黄铜粉末采用气雾化方法制备以形成球形粉,从而可保证该粉末具有较高的球形度和较好的流动性,在喷涂过程中利于粒子束集中,从而有效提高其沉积效率,减少喷涂过程中的元素烧损。
由于铁黄铜含有低熔点的Zn、Sn和Al等元素,粉末粒子在受热熔化飞行过程中,若细小粒子过多或形状不规则,极易造成喷嘴粘连现象,进而会影响到喷涂效率和涂层质量,增加生产和维护成本的问题。较佳地,本申请中铁黄铜粉末的粒度为-60+15μm,严格限制粒径在10μm以下的细粉。上述范围内的铁黄铜粉末可通过分级筛分除去其中的细粉而得。
值得说明的是,本申请方案在实施过程中,优选在原始喷涂铁黄铜粉末的成分配比上,将喷涂过程中Zn、Mn和Cu等易烧损元素的损失计算在内,实现喷涂过程中的烧损量稳定,从而保证涂层成分在合格范围之内。
本申请中,喷涂铁黄铜粉末前,还包括对基体进行除油、喷砂处理和预热处理。
可参照地,将待喷涂工件采用汽油或丙酮脱脂除油后用酒精清洗,并利用工装夹具或胶带对非喷涂部位进行遮蔽保护。采用24-46#锆刚玉对喷涂位置作喷砂处理,去掉待喷涂面氧化皮以增加表面活性,提高涂层与基体间的结合强度。喷砂压力可控制为0.3-0.5MPa。喷砂处理后用压缩空气吹掉残留的砂粒或粉尘,使喷涂表面粗糙度均匀一致且无金属光泽和无污染。
进一步地,将经喷砂的工件安装在适宜的工装夹具内,在未送粉的条件下利用喷枪焰流对基体进行预热处理,以提高涂层与基体表面接触的温度,减小因基体与涂层的热膨胀差异产生的应力,增强涂层与基体的结合强度。本发明采用的预热处理为本技术领域的通用技术,具体的处理参数本发明对其不做限定。
完成预热后,迅速开启送粉器,待送粉稳定后启动喷涂程序开始喷涂即可。
进一步地,本申请在喷涂后还对涂层进行磨削和抛光处理,以避免作动筒在作为直线往复运动或摆动运动的液压执行元件运动过程中,活塞或活塞杆对与之匹配的缸筒内壁或导向套造成划伤或碰损。
本申请中,磨削主要是将铁黄铜涂层的表面粗糙度Ra调节为0.5-0.8μm。可参照地,磨削可依次包括粗磨和精磨,粗磨可以是用46-60#黑碳化硅砂轮在工件转速为20-50rpm的条件下进行,精磨可以是用80-120#黑碳化硅砂轮在工件转速为20-50rpm的条件下进行。
进一步地,精磨后还可对涂层进行抛光处理,抛光处理主要是将铁黄铜涂层的表面粗糙度Ra调节至不高于0.2μm。可参照地,抛光处理可以是在工件转速为400-800rpm的条件下,依次采用60、30和15μm的金刚石抛光带进行抛光。
抛光后的铁黄铜涂层的厚度可达0.5-2.0mm。
优选地,本申请中所得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的氧含量小于0.5%,或液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的孔隙率小于1%,或液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的硬度为200-250HV0.3,或液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层与基体的结合强度大于50MPa。
承上,本申请所提供的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的制备方法为采用空气助燃超音速火焰喷涂方法于液压作动筒基体表面喷涂铁黄铜粉末。其中,空气助燃超音速火焰喷涂的火焰温度较常规氧气助燃超音速火焰喷涂降低,其氧化性减弱;对应的,火焰中的颗粒具有较高的速度和较低的温度,能有效地降低涂层材料的氧化和分解。同时,喷涂粉末选择粒径较适的气雾化球形粉,有效防止了喷涂过程中的喷嘴粘连现象。
在原始粉末成分配比上把喷涂过程中Zn、Mn和Cu等元素的损失计算在内,通过在原始粉末中增加易烧损成分,同时通过对粉末粒度分布进行精确的分级控制,可保证喷涂过程中的烧损量稳定,达到涂层成分的要求。
由此得到的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层具有结合强度高、致密度好、硬度适中等特点。涂层内残余应力小,适合于制备大厚度涂层。特别的,制备得到的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层显微硬度高于铸态铁黄铜,涂层内部存在少量弥散分布的氧化产物硬质点,以及涂层内部均匀分布的微小孔隙储存的润滑油可在摩擦过程中起到很好的润滑作用,从而使所制备的铁黄铜涂层具备优异的耐磨减摩性能。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层,其制备方法包括:
1.通过将原始粉末分级筛分去除微细粉末,将粉末粒度控制在-45+15μm范围内。
2.将Φ57mm的30CrMnSiA合金结构钢工件脱脂除油后,利用工装夹具或胶带对非喷涂部位进行遮蔽保护,对喷涂面进行喷砂处理,砂粒材料为24#锆刚玉,吹砂压力控制在0.35MPa,吹砂后试样表面粗糙度均匀一致,并用压缩空气吹走表面残留的砂粒。
3.主燃料气体丙烷压强为82psi,压缩空气压强为86psi,氮气流量为43L/min,氢气流量为10L/min,送粉速率为35g/min,喷距为200mm,工件旋转速度为200rpm,喷枪移动速度为18mm/s,喷涂后的铁黄铜涂层的厚度达1.5mm。
4.依次采用46#和80#黑碳化硅砂轮进行粗磨和精磨,在工件转速为35rpm的条件下,磨削铁黄铜涂层至表面粗糙度Ra为0.75μm。在工件转速为600rpm的条件下,依次采用60、30和15μm的金刚石抛光带进行抛光,直到铁黄铜涂层的表面粗糙度Ra为0.15μm。涂层厚度为1.2mm,然后进行脱脂除油处理。
实施例2
本实施例提供了一种液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层,其制备方法包括:
1.通过将原始粉末分级筛分去除微细粉末,将粉末粒度控制在-60+20μm范围内。
2.将Φ45mm的30CrMnSiNi2A合金结构钢工件脱脂除油后,利用工装夹具或胶带对非喷涂部位进行遮蔽保护,对喷涂面进行喷砂处理,砂粒材料为46#锆刚玉,吹砂压力控制在0.45MPa,吹砂后试样表面粗糙度均匀一致,并用压缩空气吹走表面残留的砂粒。
3.主燃料气体丙烯压强为85psi,压缩空气压强为90psi,氮气流量为38L/min,氢气流量为12L/min,送粉速率为50g/min,喷距为240mm,工件旋转速度为250rpm,喷枪移动速度为25mm/s,喷涂后的铁黄铜涂层的厚度达2.0mm。
4.依次采用54#和90#黑碳化硅砂轮进行粗磨和精磨,在工件转速为40rpm的条件下,磨削铁黄铜涂层至表面粗糙度Ra为0.70μm。在工件转速为700rpm的条件下,依次采用60、30和15μm的金刚石抛光带进行抛光,直到铁黄铜涂层的表面粗糙度Ra为0.08μm。涂层厚度为1.7mm,然后进行脱脂除油处理。
实施例3
本实施例提供了一种液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层,其制备方法包括:
1.通过将原始粉末分级筛分去除微细粉末,将粉末粒度控制在-60+15μm范围内。
2.将Φ60mm的18Cr2Ni4WA合金结构钢工件脱脂除油后,利用工装夹具或胶带对非喷涂部位进行遮蔽保护,对喷涂面进行喷砂处理,砂粒材料为30#锆刚玉,吹砂压力控制在0.40MPa,吹砂后试样表面粗糙度均匀一致,并用压缩空气吹走表面残留的砂粒。
3.主燃料气体丙烷压强为87psi,压缩空气压强为87psi,氮气流量为46L/min,氢气流量为8L/min,送粉速率为42g/min,喷距为170mm,工件旋转速度为180rpm,喷枪移动速度为16mm/s,喷涂后的铁黄铜涂层的厚度达0.8mm。
4.依次采用60#和120#黑碳化硅砂轮进行粗磨和精磨,在工件转速为40rpm的条件下,磨削铁黄铜涂层至表面粗糙度Ra为0.77μm。在工件转速为500rpm的条件下,依次采用60、30和15μm的金刚石抛光带进行抛光,直到铁黄铜涂层的表面粗糙度Ra为0.12μm。涂层厚度为0.6mm,然后进行脱脂除油处理。
实施例4
本实施例与实施例3的区别在于:
喷砂压力为0.3MPa。
喷涂条件包括:主燃料气体的压强为75psi,压缩空气压强为75psi,氮气流量为35L/min,氢气流量为7L/min,送粉速率为30g/min,喷距为150mm,工件旋转速度为150rpm,喷枪移动速度为10mm/s。
粗磨和精磨均于工件转速为20rpm的条件下进行,抛光于工件转速为400rpm的条件下进行。
实施例5
本实施例与实施例3的区别在于:
喷砂压力为0.5MPa。
喷涂条件包括:主燃料气体的压强为95psi,压缩空气压强为95psi,氮气流量为50L/min,氢气流量为12L/min,送粉速率为60g/min,喷距为250mm,工件旋转速度为300rpm,喷枪移动速度为30mm/s。
粗磨和精磨均于工件转速为50rpm的条件下进行,抛光于工件转速为800rpm的条件下进行。
试验例1
以实施例1为例,对实施例1所用的铁黄铜粉末以及制备所得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层进行物相组成分析,其结果如图1所示,喷涂前后材料的相组成都为Cu-Zn固溶体,但是喷涂后所得的涂层的衍射峰较原铁黄铜粉末明显宽化,说明喷涂后涂层的晶粒有细化趋势。
对实施例1制备所得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层进行截面形貌分析,其结果如图2所示,铁黄铜涂层截面均匀,结构致密,孔隙率低。
对实施例1制备所得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层进行摩擦磨损试验,并观察试验后其具有的形貌,其结果如图3所示,铁黄铜涂层的耐磨性能良好。
试验例2
以实施例1-3为例,设置对比例:对比例与实施例1的区别在于材料为铸态铁黄铜。对所得的各涂层以及铸态铁黄铜按ASTM C633测试涂层的结合强度,按ASTM E2109测试涂层的孔隙率,按GB/T4698.7-2011测量涂层的氧含量,按ASTM E384测试涂层的显微硬度,按ASTM G98-2002测试涂层的摩擦磨损性能,其中载荷为100N,速度60rpm,时间120min,对磨材料30CrMnSiA,采用10#航空润滑油进行润滑。试验结果如表1所示:
表1涂层性能表征结果
由表1可以看出,本发明实施例提供的铁黄铜涂层与基体的结合强度>50MPa,孔隙率<1%,氧含量<0.5%,硬度为200-250HV0.3,表明制备的涂层与基体结合良好,组织均匀致密,氧含量低,硬度适中。通过与对比例1对比,虽然铁黄铜涂层和铸态铁黄铜在摩擦磨损实验中均对摩擦副几乎没有磨损,但铁黄铜涂层磨痕深度、宽度及磨损量都明显低于铸态铁黄铜,说明采用空气助燃超音速火焰喷涂的铁黄铜涂层具有优异的耐磨减摩性能。
综上所述,本发明较佳实施例提供的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的制备方法简单可靠,制备效率高,生产成本低,对环境污染小。由此制得的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层具有较高的结合强度,组织均匀致密,硬度适中,耐磨减摩性能优异。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:采用空气助燃超音速火焰喷涂方法于液压作动筒基体表面喷涂铁黄铜粉末,喷涂过程采用压缩空气将所述基体的温度冷却至不高于180℃,喷涂完成后进行磨削和抛光。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,喷涂条件包括:主燃料气体的压强为75-95psi,和/或压缩空气压强为75-95psi,和/或氮气流量为35-50L/min,和/或氢气流量为7-12L/min,和/或送粉速率为30-60g/min,和/或喷距为150-250mm,和/或工件旋转速度为150-300rpm,和/或喷枪移动速度为10-30mm/s;所述主燃料气体包括丙烷或丙烯。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述铁黄铜粉末为采用气雾化方法制备的球形粉;
优选地,所述铁黄铜粉末的粒度为-60+15μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,喷涂所述铁黄铜粉末前,对所述基体进行除油、喷砂和预热处理。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,磨削包括粗磨和精磨,粗磨是用46-60#黑碳化硅砂轮在工件转速为20-50rpm的条件下进行,精磨是用80-120#黑碳化硅砂轮在工件转速为20-50rpm的条件下进行。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,磨削后涂层表面的粗糙度Ra为0.5-0.8μm。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,抛光包括:于工件转速为400-800rpm的条件下,依次采用60、30和15μm的金刚石抛光带进行处理。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,抛光后涂层表面的粗糙度Ra不高于0.2μm。
9.一种液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层,其特征在于,所述液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层由权利要求1-8任一项所述的制备方法制备而得。
10.根据权利要求9所述的液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层,其特征在于,所述液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的氧含量小于0.5%,或所述液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的孔隙率小于1%,或所述液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层的硬度为200-250HV0.3,或所述液压作动筒耐磨减摩铁黄铜涂层与基体的结合强度大于50MPa。
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