CN115612895B - 一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料、制备工艺及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料、制备工艺及应用，包括依次连接的铝层、铝/钢界面层和钢层，铝层中含有7‑15%的锡，2‑4%的锌，0.1‑0.5%的银，余量为铝；钢层为碳含量不超过0.45%的中低碳钢；铝层和钢层按铝/钢重量比1：4到1：6熔覆于中低碳钢表面，铝/钢界面层内含有富锡区。铝/钢界面层的界面剪切强度为110MPa左右。本发明的有益效果是铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料通过电弧沉积技术制备，界面结合强度高，适用电弧沉积技术制备的铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料制备滑动轴承，具有较高的承载性能及抗疲劳性能。

Description

一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料、制备工艺及应用

技术领域

本发明属于复合合金材料制造技术领域，尤其涉及一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料、制备工艺及应用。

背景技术

铝/钢层状复合材料兼具铝合金的摩擦学性能和钢的力学性能，以其为基材制备的滑动轴承广泛应用于内燃机、变速箱等动力和传动***。在设备运转时，长时间的运行、频繁的启停以及偶然的冲击对材料的耐疲劳性能提出了很高的要求，而铝合金层开裂甚至从基体脱落成为主要的失效形式。现有技术中，固相轧制复合技术是铝/钢双金属材料制备的主要工艺技术，具有生产效率高等优势。例如，中国专利申请，申请号CN201110385479.1，申请日20111128，授权公告号CN102489529A，授权公告日20120613，公开了一种超声波辅助液-固轧制制备薄膜铝钢复合板的方法，方法：一、首先将钢板表面进行处理，并在氮气保护下预热；二、在氮气保护下将纯铝材料全部熔化，并使液态铝形成波峰；三、在超声波辅助下进行镀铝；四、采用内冷式水冷轧辊进行冷却轧制，即得到薄膜铝钢复合板。缺点是，固相轧制复合技术的工艺流程长，表面处理要求高，且只适用于板材加工成型，界面结合强度也略微偏低。另外，***复合技术也是制备铝/钢层状复合材料的另一种重要手段，中国专利申请，申请号CN202111247552.9，申请日20211026，申请公布号CN113953641A，申请公布日20220121，公开了一种三明治型钢铝层状金属复合材料的制备方法，所述复合材料是以轻金属铝作为夹心层、以高强度高硬度的钢作为包覆外层；制备时，首先将铝板和钢板进行***焊接实现铝-钢界面的***复合，形成钢铝复合板，然后将两张双层的钢铝复合板通过二次***焊接实现铝-铝界面的***复合，形成三明治型钢-铝-钢层状金属复合材料。缺点是，***复合技术生产效率较低，且制备环境要求高。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中铝/钢层状复合材料采用固相轧制复合技术存在工艺流程长，表面处理要求高，且只适用于板材加工成型，界面结合强度也略微偏低；采用***复合技术存在生产效率较低，且制备环境要求高等问题，本发明的目的在于提供一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料、制备工艺及应用，铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料通过电弧沉积技术制备，界面结合强度高，适用电弧沉积技术制备的铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料制备滑动轴承，具有较高的承载性能及抗疲劳性能。

2.技术方案

为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用如下技术方案：

一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料，其特点是包括依次连接的铝层、铝/钢界面层和钢层，所述铝层中含有7-15%的锡，2-4%的锌，0.1-0.5%的银，余量为铝；所述钢层为碳含量不超过0.45%的中低碳钢；所述铝层和钢层按铝/钢重量比1：4到1：6熔覆于中低碳钢表面，所述铝/钢界面层内含有富锡区。铝/钢界面层的界面剪切强度为110MPa左右。

进一步地，所述富锡区内锡的含量≥72%。

进一步地，所述富锡区中还含有少量的铁，所述铁的来源为钢层。

进一步地，所述铝/钢界面层的厚度为5-30μm（微米）。

进一步地，所述铝/钢界面层内富锡区的厚度为2μm（微米）。

本发明的另一个目的在于提供一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料的制备工艺，其特点是原料包括钢基材和铝合金丝材，钢基材表面温度300℃以下，采用脉冲激光诱导电弧电源引弧，激光功率为30-50W，脉冲频率为500-1000HZ；铝合金丝材沉积过程中，电弧干伸长度为25-30mm；所述钢基材为碳含量不超过0.45%的中低碳钢，所述铝合金丝材按质量百分比计，含有7-15%的锡，2-4%的锌，0.1-0.5%的银，余量为铝。

本发明的另一个目的在于提供一种上述铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料在制作铝/钢层状复合双金属滑动轴承中的应用。

本发明的原理：电弧沉积工艺已在铜/钢及巴氏合金/钢层状复合双金属滑动轴承材料应用研究方面取得突破，该工艺的最大特点是界面结合强度高，可提高滑动轴承的承载性能及抗疲劳性能。由于电弧沉积工艺是将合金通过电弧加热熔化，通过液滴过渡的方式沉积到基材表面，因此本质上属于液-固复合，界面容易形成扩散反应，有利于形成牢固的冶金结合。然而，铝/钢复合较为特殊，容易在界面生成粗大而硬脆的化合物，导致界面结合强度降低。因此，如何控制铝/钢复合界面反应，充分发挥电弧沉积工艺制备铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

本发明选用的铝合金丝材按质量百分比，含有7-15%的锡，2-4%的锌，0.1-0.5%的银，余量为铝。当铝合金沉积层中加入7-15%的锡，会在铝/钢界面层形成2μm（微米）厚度的富锡区，该富锡区中锡的含量为72%以上，还含有少量来自钢基材的铁，因此，锡是一种铝/钢界面的富集元素。通过与不含锡的铝沉积层/钢界面进行比较，前者富锡区下的扩散反应层（即铝/钢界面层的反应生成物）厚度为20微米，不含锡的后者扩散反应层厚度在相同工艺条件下可达40μm（微米）以上，此时界面结合力前者更高，界面剪切强度可达到90MPa。为保证双金属材料的力学性能，锡含量不超过15%，此时既可以形成稳定的富锡层，又保证了铝/钢双金属的屈服强度（300MPa）和延伸率（15%以上）可接近钢基体，否则会降低铝/钢双金属作为滑动轴承材料的结构稳定性。

锌元素和银元素有利于进一步提供铝/钢双金属的界面结合力。在本发明中，锌和银元素容易和锡元素同步富集在界面区，且有利于进一步减小扩散反应层的厚度，降低扩散反应层内的内应力，从而提高界面的剪切强度，最高可达110MPa，（没有锌、银的强化作用下可达到90MPa，有这两种元素强度会进一步提高）。然而，考虑到电弧沉积高温下锌的气化挥发和氧化对沉积层外观的影响，锌的含量控制在4%以内。银的含量控制在0.5%以内，过高的银含量会形成含银的针状化合物，在铝层中形成银的针状化合物可能会降低材料的摩擦学性能和抗疲劳性能。

钢基材为碳含量不超过0.45%的中低碳钢，钢基材的碳含量控制在0.45%以内，是由于电弧沉积过程中钢基材表面温度接近熔点，表面有脱碳行为，次表面与表面可能形成较大的碳浓度差，从而形成明显的热影响区，对铝/钢双金属的疲劳性能产生影响。将碳含量控制在0.45%以内可减小热影响区的范围和接合面的内应力，保证界面剪切强度达到110MPa。

为进一步降低对基材的加热，将电弧产生的热量更多的用于熔化铝合金丝材，本发明提供了低功率脉冲激光引导电弧引弧的工艺方法用于制备铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料。精确控制基材表面的温度在300℃以下是电弧沉积工艺实现高的结合强度、低的熔池稀释率的重要手段。当激光功率为30-50W，脉冲频率为500-1000HZ，电弧的引弧电流可降低20%，沉积热输入（线能量）可降低15%以上，由于热输入降低，基材的热影响区减小，稀释率小于1%，结合强度由87MPa提高到110MPa。此外，采用脉冲激光诱导电弧电源进行引弧，电弧指向性和稳定性增强，采用比通常12-18mm干伸长度更大的干伸长度，可进一步消除电弧热量的高斯分布带来的温度不均匀问题，电弧沉积获得的沉积层宽高比更大，可达到15：1以上，成型性更好。

3.有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过控制锡焊料、优化银、锌含量对铝合金丝成分进行优化，结合低功率脉冲激光引导电弧引弧（降低热输入，提高电弧稳定性）的工艺制备获得厚度较小的扩散反应层，提高界面的剪切强度，赋予材料较高的摩擦学性能和抗疲劳性能；精确控制基材表面的温度配合电弧沉积工艺实现铝/钢界面层高的结合强度。

附图说明

为了更清楚地说明发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是发明的一些实施方式，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的附图。

图1是本发明铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料剖面结构示意图。

图中：1-钢层；2-铝层；3-界面层。

具体实施方式

下面将结合附图对发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

在发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料，其特点是包括依次连接的铝层2、铝/钢界面层3和钢层1，铝层2中含有7-10%的锡，2-4%的锌，0.1-0.5%的银，余量为铝；钢层1为碳含量不超过0.35%的中低碳钢；铝层2和钢层1按铝/钢重量比1：6熔覆于中低碳钢表面，铝/钢界面层3的厚度为25-30μm（微米），铝/钢界面层3内含有富锡区，铝/钢界面层3内富锡区的厚度为2μm（微米），富锡区内锡的含量≥72%，富锡区中还含有少量的铁，铁的来源为钢层1。一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料按照如下工艺制备：原料包括钢基材和铝合金丝材；钢基材为碳含量不超过0.35%的中低碳钢，铝合金丝材按质量百分比计，含有7-10%的锡，2-4%的锌，0.1-0.5%的银，余量为铝，钢基材表面温度300℃以下，采用脉冲激光诱导电弧电源引弧，激光功率为30-50W，脉冲频率为500-1000HZ；铝合金丝材沉积过程中，电弧干伸长度为25-30mm。

本实施例获得的铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料拉伸屈服强315MPa；承载疲劳极限140MPa；密实度：≥99.9%；界面结合强度：113MPa；电弧沉积获得的沉积层宽高比大于20：1。

实施例2

如图1所示，一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料，其特点是包括依次连接的铝层2、铝/钢界面层3和钢层1，铝层2中含有7-15%的锡，2-4%的锌，0.1-0.5%的银，余量为铝；钢层1为碳含量不超过0.35-0.45%的中低碳钢；铝层2和钢层1按铝/钢重量比1：5熔覆于中低碳钢表面，铝/钢界面层3的厚度为15-25μm（微米），铝/钢界面层3内含有富锡区，铝/钢界面层3内富锡区的厚度为2μm（微米），富锡区内锡的含量≥72%，富锡区中还含有少量的铁，铁的来源为钢层1。一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料按照如下工艺制备：原料包括钢基材和铝合金丝材；钢基材为碳含量不超过0.35-0.45%的中低碳钢，铝合金丝材按质量百分比计，含有7-15%的锡，2-4%的锌，0.1-0.5%的银，余量为铝，钢基材表面温度300℃以下，采用脉冲激光诱导电弧电源引弧，激光功率为30-50W，脉冲频率为500-1000HZ；铝合金丝材沉积过程中，电弧干伸长度为25-30mm。

本实施例获得的铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料拉伸屈服强330MPa；承载疲劳极限140MPa；密实度：≥99.9%；界面结合强度：115MPa；电弧沉积获得的沉积层宽高比大于20：1。

实施例3

如图1所示，一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料，其特点是包括依次连接的铝层2、铝/钢界面层3和钢层1，铝层2中含有7-15%的锡，2-3%的锌，0.1-0.5%的银，余量为铝；钢层1为碳含量不超过0.45%的中低碳钢；铝层2和钢层1按铝/钢重量比1：5熔覆于中低碳钢表面，铝/钢界面层3的厚度为20-30μm（微米），铝/钢界面层3内含有富锡区，铝/钢界面层3内富锡区的厚度为2μm（微米），富锡区内锡的含量≥72%，富锡区中还含有少量的铁，铁的来源为钢层1。一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料按照如下工艺制备：原料包括钢基材和铝合金丝材；钢基材为碳含量不超过0.45%的中低碳钢，铝合金丝材按质量百分比计，含有7-15%的锡，2-3%的锌，0.1-0.5%的银，余量为铝，钢基材表面温度300℃以下，采用脉冲激光诱导电弧电源引弧，激光功率为30-50W，脉冲频率为500-1000HZ；铝合金丝材沉积过程中，电弧干伸长度为25-30mm。

本实施例获得的铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料拉伸屈服强315MPa；承载疲劳极限140MPa；密实度：≥99.9%；界面结合强度：111MPa；电弧沉积获得的沉积层宽高比大于20：1。

实施例4

如图1所示，一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料，其特点是包括依次连接的铝层2、铝/钢界面层3和钢层1，铝层2中含有7-15%的锡，3-4%的锌，0.1-0.5%的银，余量为铝；钢层1为碳含量不超过0.45%的中低碳钢；铝层2和钢层1按铝/钢重量比1：5熔覆于中低碳钢表面，铝/钢界面层3的厚度为15-25μm（微米），铝/钢界面层3内含有富锡区，铝/钢界面层3内富锡区的厚度为2μm（微米），富锡区内锡的含量≥72%，富锡区中还含有少量的铁，铁的来源为钢层1。一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料按照如下工艺制备：原料包括钢基材和铝合金丝材；钢基材为碳含量不超过0.45%的中低碳钢，铝合金丝材按质量百分比计，含有7-15%的锡，3-4%的锌，0.1-0.5%的银，余量为铝，钢基材表面温度300℃以下，采用脉冲激光诱导电弧电源引弧，激光功率为30-50W，脉冲频率为500-1000HZ；铝合金丝材沉积过程中，电弧干伸长度为25-30mm。

本实施例获得的铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料拉伸屈服强320MPa；承载疲劳极限140MPa；密实度：≥99.9%；界面结合强度：115MPa；电弧沉积获得的沉积层宽高比大于30：1。

实施例5

如图1所示，一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料，其特点是包括依次连接的铝层2、铝/钢界面层3和钢层1，铝层2中含有7-15%的锡，2-4%的锌，0.1-0.3%的银，余量为铝；钢层1为碳含量不超过0.45%的中低碳钢；铝层2和钢层1按铝/钢重量比1：5熔覆于中低碳钢表面，铝/钢界面层3的厚度为15-25μm（微米），铝/钢界面层3内含有富锡区，铝/钢界面层3内富锡区的厚度为2μm（微米），富锡区内锡的含量≥72%，富锡区中还含有少量的铁，铁的来源为钢层1。一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料按照如下工艺制备：原料包括钢基材和铝合金丝材；钢基材为碳含量不超过0.45%的中低碳钢，铝合金丝材按质量百分比计，含有7-15%的锡，2-4%的锌，0.1-0.3%的银，余量为铝，钢基材表面温度300℃以下，采用脉冲激光诱导电弧电源引弧，激光功率为30-50W，脉冲频率为500-1000HZ；铝合金丝材沉积过程中，电弧干伸长度为25-30mm。

本实施例获得的铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料拉伸屈服强320MPa；承载疲劳极限140MPa；密实度：≥99.9%；界面结合强度：110MPa；电弧沉积获得的沉积层宽高比大于30：1。

实施例6

如图1所示，一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料，其特点是包括依次连接的铝层2、铝/钢界面层3和钢层1，铝层2中含有7-15%的锡，2-4%的锌，0.3-0.5%的银，余量为铝；钢层1为碳含量不超过0.45%的中低碳钢；铝层2和钢层1按铝/钢重量比1：5熔覆于中低碳钢表面，铝/钢界面层3的厚度为15-25μm（微米），铝/钢界面层3内含有富锡区，铝/钢界面层3内富锡区的厚度为2μm（微米），富锡区内锡的含量≥72%，富锡区中还含有少量的铁，铁的来源为钢层1。一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料按照如下工艺制备：原料包括钢基材和铝合金丝材；钢基材为碳含量不超过0.45%的中低碳钢，铝合金丝材按质量百分比计，含有7-15%的锡，2-4%的锌，0.3-0.5%的银，余量为铝，钢基材表面温度300℃以下，采用脉冲激光诱导电弧电源引弧，激光功率为30-50W，脉冲频率为500-1000HZ；铝合金丝材沉积过程中，电弧干伸长度为25-30mm。

本实施例获得的铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料拉伸屈服强318MPa；承载疲劳极限140MPa；密实度：≥99.9%；界面结合强度：117MPa；电弧沉积获得的沉积层宽高比大于30：1。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料，其特征在于：包括依次连接的铝层、铝/钢界面层和钢层，所述铝层中含有7-15%的锡，2-4%的锌，0.1-0.5%的银，余量为铝；所述钢层为碳含量不超过0.45%的中低碳钢；所述铝层和钢层按铝/钢重量比1：4到1：6熔覆于中低碳钢表面，所述铝/钢界面层内含有富锡区，铝/钢界面层的界面剪切强度为110MPa；所述富锡区内锡的含量≥72%；所述富锡区中还含有少量的铁，所述铁的来源为钢层；所述铝/钢界面层的厚度为5-30μm；所述铝/钢界面层内富锡区的厚度为2μm；

铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料由下述工艺制备：原料包括钢基材和铝合金丝材，钢基材表面温度300℃以下，采用脉冲激光诱导电弧电源引弧，激光功率为30-50W，脉冲频率为500-1000HZ；铝合金丝材沉积过程中，电弧干伸长度为25-30mm；所述钢基材为碳含量不超过0.45%的中低碳钢，所述铝合金丝材按质量百分比计，含有7-15%的锡，2-4%的锌，0.1-0.5%的银，余量为铝。

2.一种铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料的制备工艺，其特征在于：原料包括钢基材和铝合金丝材，钢基材表面温度300℃以下，采用脉冲激光诱导电弧电源引弧，激光功率为30-50W，脉冲频率为500-1000HZ；铝合金丝材沉积过程中，电弧干伸长度为25-30mm；所述钢基材为碳含量不超过0.45%的中低碳钢，所述铝合金丝材按质量百分比计，含有7-15%的锡，2-4%的锌，0.1-0.5%的银，余量为铝；所述铝层和钢层按铝/钢重量比1：4到1：6熔覆于中低碳钢表面。

3.一种权利要求1所述铝/钢层状复合双金属滑动轴承材料在制作铝/钢层状复合双金属滑动轴承中的应用。