CN115194294B - 一种铝钢复合材料及其电弧增材制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝钢复合材料及其电弧增材制备方法。该材料由铝合金层和钢层组成，其中铝合金层为含有以下重量百分比的各组分：20～23wt.％的Sn，0.75～0.85wt.％的Cu，0.05～0.06wt.％的Si，余量为Al。该材料的制备工艺为：(1)制备铝锡合金药芯丝材。(2)将该铝锡合金药芯丝材电弧增材到钢板表面，得到铝/钢复合材料。采用上述技术方案，本发明将CMT电弧增材技术作为轴承合金/钢的新型复合工艺，制备的材料结合强度高，组织均匀，具有优异的减磨耐磨性和高承载性能。
Description
技术领域
本发明涉及铝钢复合材料及制备方法，特别涉及一种铝钢复合材料及其电弧增材制备方法。
背景技术
铝基轴承合金具有较高的疲劳性能、较强的承载能力、良好的适应性、嵌藏性、耐磨性、抗咬合能力及耐蚀性，是轻、中负载内燃机的滑动轴承的主要制作材料。其中又以Al-Sn系轴承合金应用最为广泛。但目前复合轴承合金与钢背的方法都存在难以避免的缺点：固-固相复合法制造的双金属界面基本为机械结合，结合强度低，对成件的使用寿命有不利影响；固-液相复合法难以解决比重偏析问题，影响轴承样品的摩擦性能；半固-固相复合需要助焊剂、表面预热、机械搅拌等工序，操作复杂且难以大批量连续生产。所以目前缺乏一种既能满足结合强度高、组织成分均匀、生产效率高又高的轴承合金复合方法。
CMT电弧增材技术生产灵活、产品精度高、可以连续生产；成型过程中存在高温液相，能够产生冶金结合；并且具备热输入量低、无飞溅等优点，非常适用于铝合金等低熔点金属。目前针对CMT铝钢异种金属焊接的研究重点关注影响结合性能的金属间化合物层，还研究了Si、Zn等元素对金属间化合物层生长的抑制作用。但这些研究主要目的是连接钢板和铝板，获得更加牢固的接头；并且对于添加Sn等轴承合金中的元素对结合性能的影响处于空白。换言之，CMT电弧增材尚未用于铝基轴承合金-钢的复合制造中。
发明内容
发明目的：本发明是提供一种结合强度高、具有良好的减摩耐磨性能和承载性能的铝钢复合材料。
本发明另一目的是提供所述铝钢复合材料的电弧增材制备方法。
技术方案：本发明所述的铝钢复合材料，包括钢层和覆盖于钢层上的铝锡合金层，其特征在于：在所述钢层与铝锡合金层的结合界面除了Fe-Al相还存在含Sn层，所述铝合金包括：Al、Sn、Cu和Si，各组分的重量百分比为：20～23wt.％的Sn，0.75～0.85wt.％的Cu，0.05～0.06wt.％的Si，余量为Al；所述铝锡合金层是由所述组份按上述比例混合制备的铝锡合金药芯丝材，并通过CMT数字式逆变焊接电源将所述铝锡合金药芯丝材电弧增材到钢板表面。
进一步地，所述电弧增材的工艺参数为：电流65A～95A，电压100％avp，氩气流量18～20L/min，摆动幅度为8mm，增材速度7～10cm/min，摆动频率1.0～4.0Hz。
进一步地，所述铝锡合金药芯丝材的制备工艺如下：将4043铝合金轧制成U形断面形状，再把按剂量配好的800目高纯Sn粉、1000目高纯Cu粉填加到U形带材料中，用压轧机轧紧，最后经拉拔制出成分为20～23wt.％Sn、0.75～0.85wt.％Cu、0.05～0.06wt.％Si、余量为Al，直径为1.6mm的药芯焊丝。
所述的铝钢复合材料的电弧增材制备方法，包括如下步骤：
(1)先将钢背处理干净，打磨表面去除锈迹，用酒精擦拭表面，晾干，将钢板预热至90～120℃；
(2)采用CMT数字式逆变焊接电源，将铝锡合金药芯丝材电弧增材到钢板表面并得到铝钢结合界面上分布含Sn层的铝钢复合材料。
电弧增材工艺：把铝锡合金药芯丝材从钢板表面的一侧铺至另一侧，将铝锡合金药芯丝材接电源正极，钢板接电源负极，通电后，两极之间产生电弧，丝材受电弧热作用熔化形成熔滴，熔滴摊铺钢板上形成一条增材带，得到铝钢结合界面上分布含Sn层的铝钢复合材料。
电弧增材工艺的电流优选为75A～85A，电压优选为100％avp，摆动频率优选为1.5～2.5Hz。
所述的铝钢复合材料在轻、中负载内燃机滑动摩擦部件耐磨材料中的应用。
为在铝钢复合材料中钢铝层的结合界面上形成含Sn层，既具有良好的摩擦磨损性能，又提高铝钢复合材料中钢铝层之间的结合强度，本发明采用了如下铝合金焊丝，即：
一种铝基合金焊丝，包括：Al、Si和Cu，其特征在于，还包括Sn，各组分的重量百分比为：20-23wt.％的Sn，0.75-0.85wt.％的Cu，0.05-0.06wt.％的Si，余量为Al。
本发明解决传统铝基轴承合金-钢复合工艺中铝钢结合强度低、合金组织比重偏析、难以高效生产的问题。率先将CMT电弧增材技术应用于铝钢轴瓦带材的制造中，提供一种铝钢复合材料及其电弧增材制备方法，得到结合强度高、组织均匀、减磨耐磨性能好、铝合金与钢组织分明不混熔的铝/钢复合带材。
具体地，
1.成功将CMT电弧增材技术用于铝基-钢轴承带材的复合中，得到了铝钢异种金属复合的新方法。
传统铝基轴承合金带材复合铝合金-钢背通常采用固-固相复合法、固-液相复合法和半固-固相复合法。其中固-固相复合法制造的双金属界面基本为机械结合，结合强度低，对成件的使用寿命有不利影响；固-液相复合法难以解决比重偏析问题，影响轴承样品的摩擦性能；半固-固相复合需要助焊剂、表面预热、机械搅拌等工序，操作复杂且难以大批量连续生产。现有的铝钢复合材料制备方法都有着难以克服的缺点
铝、钢物理性质相差较大，很难完成高质量焊接。主要是由于铝合金与钢的密度、线膨胀系数以及热导率差距都很大，焊缝处容易产生应力集中、导致裂纹的萌生和扩展；并且Al和Fe相互扩散，容易在界面处反应生成硬而脆的Fe-Al化合物，如FeAl2、FeAl3、FeAl、Fe2Al5等，这些金属间化合物层厚度很大，对力学性能产生很不利的影响。
本发明中的方法成功实现了铝、钢的电弧沉积，并且既提高了铝钢复合材料的结合性能，又得到均匀无偏析的合金组织，同时操作流程少、可以满足高效率连续生产的需求。
2.为提高铝基复合材料中铝合金与钢之间的结合强度，本发明在制备出含Sn的铝基合金焊丝，其中Sn的作用一方面是作为软质点与硬质的Al基体组成减磨耐磨材料，满足轴承合金对摩擦磨损性能的要求，另一方面是在铝钢界面处形成含Sn层抑制金属间化合物层的生长，特别是对Fe2Al5相起到抑制作用，从而提高了铝钢复合材料结合强度(图1)。本发明对结合强度进行了测试，其结合强度值从43.6MPa提高到113.8Mpa(图2)。
在电弧沉积过程中，药芯焊丝吸收电弧转变为熔滴过渡到钢板上，其中的Sn与Al不互溶，且Sn的密度比Al大，沉积到钢背表面抑制了Fe和Al的反应，降低Fe2Al5的生长速率，从而对金属间化合物层的生长起到限制作用。随着熔滴的冷却，其中的Sn在界面层上凝固形成了含Sn层。
3本发明所述电弧增材工艺，通过CMT冷金属过渡技术低电流(65A～95A)电弧增材工艺，更容易控制热输入量，使得焊道的平均热输入更均匀可控，电弧沉积得到致密均匀细小的晶粒组织(图3)，因此增材层具有良好的减摩耐磨性能和承载性能。同时，电流大小、预热温度、摆动频率、摆动幅度、道次搭接量之间的匹配，解决了液态金属流动性差，增材层难以均匀成形的问题，获得成形性能良好的增材层(图4)。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优势：本发明将CMT电弧增材技术作为轴承合金/钢的新型复合工艺，制备的材料结合强度高，组织均匀，具有优异的减磨耐磨性和高承载性能。
附图说明
图1铝/钢结合处的含Sn层；
图2不同电流的铝合金层与钢基体的结合强度；
图3增材层内部组织；
图4增材层外观。
具体实施方式
实施例1：
电弧增材工艺包括以下步骤：
(1)首先制备铝锡合金药芯丝材：将4043铝合金轧制成U形断面形状，再把按剂量配好的800目高纯Sn粉、1000目高纯Cu粉填加到U形带材料中，用压轧机轧紧，最后经拉拔制出成分为20～23wt.％Sn、0.75-0.85wt.％Cu、0.05～0.06wt.％Si、余量为Al，直径为1.6mm的药芯焊丝。
(2)然后将钢背处理干净，用砂轮机打磨其表面去除锈迹，用酒精擦拭表面，晾干后固定到工作台上，将钢板预热至100℃；
(3)接着通过CMT数字式逆变焊接电源将铝锡合金药芯丝材电弧增材到钢板表面。焊丝垂直于基板。电弧增材工艺参数为：电流75A，电压100％avp，氩气流量20L/min，摆动幅度为8mm，增材速度10cm/min，摆动频率2.5Hz。以上所述新型铝锡增材层成形性能一般，结合强度为55.1MPa。
实施例2：
电弧增材工艺包括以下步骤：
(1)首先制备铝锡合金药芯丝材：将4043铝合金轧制成U形断面形状，再把按剂量配好的800目高纯Sn粉、1000目高纯Cu粉填加到U形带材料中，用压轧机轧紧，最后经拉拔制出成分为20～23wt.％Sn、0.75～0.85wt.％Cu、0.05～0.06wt.％Si、余量为Al，直径为1.6mm的药芯焊丝。
(2)然后将钢背处理干净，用砂轮机打磨其表面去除锈迹，用酒精擦拭表面，晾干后固定到工作台上，将钢板预热至100℃；
(3)接着通过CMT数字式逆变焊接电源将铝锡合金药芯丝材电弧增材到钢板表面。焊丝垂直于基板。电弧增材工艺参数为：电流80A，电压100％avp，氩气流量20L/min，摆动幅度为8mm，增材速度10cm/min，摆动频率2.5Hz。以上所述新型铝锡增材层成形性能良好，结合强度为95.7MPa。
实施例3：
电弧增材工艺包括以下步骤：
(1)首先制备铝锡合金药芯丝材：将4043铝合金轧制成U形断面形状，再把按剂量配好的800目高纯Sn粉、1000目高纯Cu粉填加到U形带材料中，用压轧机轧紧，最后经拉拔制出成分为20～23wt.％Sn、0.75～0.85wt.％Cu、0.05～0.06wt.％Si、余量为Al，直径为1.6mm的药芯焊丝。
(2)然后将钢背处理干净，用砂轮机打磨其表面去除锈迹，用酒精擦拭表面，晾干后固定到工作台上，将钢板预热至100℃；
(3)接着通过CMT数字式逆变焊接电源将铝锡合金药芯丝材电弧增材到钢板表面。焊丝垂直于基板。电弧增材工艺参数为：电流85A，电压100％avp，氩气流量20L/min，摆动幅度为8mm，增材速度10cm/min，摆动频率2.5Hz。以上所述新型铝锡增材层成形性能良好，结合强度为113.8MPa。
实施例4：
电弧增材工艺包括以下步骤：
(1)首先制备铝锡合金药芯丝材：将4043铝合金轧制成U形断面形状，再把按剂量配好的800目高纯Sn粉、1000目高纯Cu粉填加到U形带材料中，用压轧机轧紧，最后经拉拔制出成分为20-23wt.％Sn、0.75～0.85wt.％Cu、0.05～0.06wt.％Si、余量为Al，直径为1.6mm的药芯焊丝。
(2)然后将钢背处理干净，用砂轮机打磨其表面去除锈迹，用酒精擦拭表面，晾干后固定到工作台上，将钢板预热至100℃；
(3)接着通过CMT数字式逆变焊接电源将铝锡合金药芯丝材电弧增材到钢板表面。焊丝垂直于基板。电弧增材工艺参数为：电流90A，电压100％avp，氩气流量20L/min，摆动幅度为8mm，增材速度10cm/min，摆动频率2.5Hz。以上所述新型铝锡增材层成形性能一般，结合强度为43.6MPa。
Claims (2)
1.一种铝钢复合材料，包括钢层和覆盖于钢层上的铝锡合金层，其特征在于：在所述钢层与铝锡合金层的结合界面除了Fe-Al相还存在含Sn层，所述铝锡合金层包括：Al、Sn、Cu和Si，各组分的重量百分比为：20~23wt.％的Sn，0.75~0.85wt.％的Cu，0.05~0.06wt.％的Si，余量为Al；所述铝锡合金层是由所述组份按上述比例混合制备的铝锡合金药芯丝材，并通过CMT数字式逆变焊接电源将所述铝锡合金药芯丝材电弧增材到钢板表面；
所述的铝钢复合材料的电弧增材制备方法包括如下步骤：
（1）先将钢背处理干净，打磨表面去除锈迹，用酒精擦拭表面，晾干，将钢板预热至90~120℃；
（2）采用CMT数字式逆变焊接电源，将铝锡合金药芯丝材电弧增材到钢板表面并得到铝钢结合界面上分布含Sn层的铝钢复合材料；
电弧增材工艺：把铝锡合金药芯丝材从钢板表面的一侧铺至另一侧，将铝锡合金药芯丝材接电源正极，钢板接电源负极，通电后，两极之间产生电弧，丝材受电弧热作用熔化形成熔滴，熔滴摊铺钢板上形成一条增材带，得到铝钢结合界面上分布含Sn层的铝钢复合材料；
所述电弧增材的工艺参数为：电流65A~95A，电压100% avp，氩气流量18~20L/min，摆动幅度为8mm，增材速度7~10cm/min，摆动频率1.0~4.0Hz。
2.根据权利要求1所述的铝钢复合材料，其特征在于：所述铝锡合金药芯丝材的制备工艺如下：将4043铝合金轧制成U形断面形状，再把按剂量配好的800目高纯Sn粉、1000目高纯Cu粉填加到U形带材料中，用压轧机轧紧，最后经拉拔制出成分为20~23wt.％Sn、0.75~0.85wt.％Cu、0.05~0.06wt.％Si、余量为Al，直径为1.6mm的药芯焊丝。
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| 铝-钢滑动轴承电弧增材制造组织及性能研究;陈振华;CNKI中国优秀硕士学位论文全文数据库（工程科技Ⅰ辑）;第2.1节、2.2.1节、第五章 * |
| 陈振华.铝-钢滑动轴承电弧增材制造组织及性能研究.CNKI中国优秀硕士学位论文全文数据库（工程科技Ⅰ辑）.2020,第2.1节、2.2.1节、第五章. * |
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