CN116144973A - 一种电弧沉积的无铅双金属轴承材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧沉积的无铅双金属轴承材料及制备方法，包含钢基板和沉积在钢基板表面的铜合金层，铜合金层成分包括：Cu、Sn、Bi、Ni、P和Al，各组分的重量百分比为：2.0～2.8wt.％的Sn，1.5～2.7wt.％的Bi，3～5wt.％的Ni,0.1～0.16wt.％的P，0.1～0.15wt.％的A1，其余为Cu。将无氧铜镍丝作为MIG焊的电极引弧、采用Sn60Bi40丝作为旁路送丝，添加合金元素在熔池中混合均匀形成电弧沉积层，即得。本材料，无气孔裂纹等缺陷、Bi相颗粒细小均匀、力学及摩擦学性能优良。

Description

一种电弧沉积的无铅双金属轴承材料及制备方法

技术领域

本发明涉及轴承材料及使用方法，特别涉及一种电弧沉积的无铅双金属轴承材料及制备方法。

背景技术

在滑动摩擦下工作的轴承叫做滑动轴承，轴被轴承支撑的部分叫轴颈，与轴颈相配的零件称为轴瓦。为了改善轴瓦表面的摩擦性质，在其内表面上浇铸的减摩材料层叫做轴承衬。轴瓦和轴承衬的材料统称为滑动轴承材料。一般要求轴承材料具有较高的承载性能、良好的耐磨性能等，但单一的材料很难同时满足上述要求。因此，轴承材料通常由双层或多层材料组成，外层主要发挥高承载、抗变形作用，靠近轴颈的内层主要发挥抗磨、减磨的作用。

铅青铜是广泛应用于低速重载滑动摩擦部件，是一种含Pb自润滑材料。然而由于Pb及其化合物的剧毒性，这种含Pb顺应性和承载性兼具的自润滑轴瓦材料应用受到了限制。近些年，也研发了一些无铅双金属轴承材料，但在减磨、潜藏和顺应性方面无法取代传统的铅青铜合金。

元素Bi具有和Pb具有相似性质，且与铜不固溶，铋青铜组织结构与铅青铜相似。如中国专利：CN101474903B公开了一种铋青铜-钢复合双金属轴承材料，其特征是层状结构，基层为碳素钢材料，表层为铋青铜合金，铋青铜合金烧结在碳素钢材料表面；所述的铋青铜合金的化学成分按重量百分比计为：铋1.0～12.0％，锡3.0～13.0％，锌1.0～5.0％，铜69.5～95.0％，其它杂质含量总和不超过0.5％。但通过粉末烧结制备的铋青铜合金中存在Bi相颗粒较大及晶界处偏聚、合金层存在孔隙等缺陷，严重影响轴承材料的承载性和减磨性。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种电弧沉积的无铅双金属轴承材料。

技术方案：所述电弧沉积的无铅双金属轴承材料，包含钢基板和沉积在钢基板表面的铜合金层，铜合金层成分包括：Cu、Sn、Bi、Ni、P和Al，各组分的重量百分比为：2.0～2.8wt.％的Sn，1.5～2.7wt.％的Bi，3～5wt.％的Ni，0.1～0.16wt.％的P，0.1～0.15wt.％的Al，其余为Cu。

进一步地，所用钢基板为表面镀铝的低碳钢。

进一步地，所述镀铝层的厚度为20um。

所述的电弧沉积的无铅双金属轴承材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤(1)、将无氧铜镍丝、Sn60Bi40焊丝两种焊丝分别装入CMT六轴焊接机器人和外置可调节送丝机器中；

步骤(2)、将镀铝低碳钢板表面清洗，并进行除油、烘干等处理；

步骤(3)、通过单热源双送丝电弧沉积***在钢板表面沉积铜合金层，制备双金属轴承材料。

进一步地，步骤(3)电弧沉积的工艺参数为：电流70A～90A，电压9.5～12.5V，氩气流量9～15L/min，摆动幅度为8～13mm，增材速度6～10cm/min，摆动频率1～2Hz，外置送丝速度为2.7～27mm/s，外置送丝管枪头和焊枪之间的角度范围在30°～90°。

本发明将无氧铜镍丝作为MIG焊的电极引弧、采用Sn60Bi40丝作为旁路送丝，添加合金元素在熔池中混合均匀形成电弧沉积层，从而制备出一种固-液复合的双金属轴承材料。基板的热输入量，在加上Ni、Al元素的抑制裂纹产生的作用，可消除裂纹问题。

其中，直径为1.2mm的无氧铜镍焊丝放置在CMT六轴焊接机器人中，直径为1.0mm的Sn60Bi40焊丝放置在外置速度可调节送丝机器中；外置旁路送丝机器的送丝速度分为0-9档，对应送丝速度为2.7-27mm/s；外置送丝机送丝端口通过可变形管道与CMT六轴焊接机器人焊接枪头连结；外置送丝机枪头和焊枪之间的角度范围在30°～90°。

进一步的，步骤(3)中，CMT六轴焊接机器人的参数为：电流70A～90A，电压9.5～12.5V，氩气流量9～15L/min，摆动幅度为8～13mm，增材速度6～10cm/min，摆动频率1～2Hz；

进一步的，步骤(3)中，焊枪枪头与钢板夹角为45°～90°。

进一步的，最终制备的铜层合金主要元素为Cu、Sn、Bi、P和Al，各组分的重量百分比为：2.0～2.8wt.％的Sn，1.5～2.7wt.％的Bi，3～5wt.％的Ni，0.1～0.16wt.％的P，0.1～0.15wt.％的Al，其余为Cu；进一步的，铜层合金厚度为0.8～1.2mm；

进一步的，最终制得的双金属轴承材料中，所用钢板为表面镀铝低碳钢，厚度为2.0～3.0mm；

本发明的发明原理：研究表明，铜合金组织中Bi含量质量分数超过5％，Bi相会在铜合金晶界处偏聚长大，割裂基体，同时Bi和Sn元素还是双金属液固复合过程中致使钢基板产生裂纹的有害元素，一定要控制其含量；但Sn含量不足会使得铜合金的力学性能足；Ni和Cu可以形成无限固溶体，Ni的加入可以提高铜合金的强度、硬度、耐蚀性和抗疲劳等性能；少量P元素可以改善液态铜合金的流动性，有助于液态铜合金与钢基板更好的复合；Al元素不仅是防止液态铜合金致使钢板开裂的有益元素还能与氧元素结合形成氧化铝，消除合金层中的气孔问题；在电弧沉积液固双金属复合的过程中，钢基板产生裂纹原因除了液态金属中的有害元素外，还有电弧本身的热作用，通过旁轴送丝可一定程度降低电弧沉积过程中的对钢基板的热输入量，在加上Ni、Al元素的抑制裂纹产生的作用，可消除裂纹问题。因此，采用本发明可以制备出无气孔裂纹等缺陷、Bi相颗粒细小均匀、力学及摩擦学性能优良的无铅双金属轴承材料。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优势：

本发明的无铅双金属轴承材料，无气孔裂纹等缺陷、Bi相颗粒细小均匀、力学及摩擦学性能优良。解决了粉末烧结铋青铜过程中Bi相颗粒粗大、晶界处偏聚问题。本发明大大改善了现有铋青铜合金存在的缺陷与不足，其综合性能与传统铅青铜不相上下。

附图说明

图1是本发明设计电弧沉积双送丝制备无铅双金属轴承材料示意图；

图2是本发明制得试样宏观形貌及横截面金相组织图。

具体实施方式

实施例1：

实施目的：制备总厚度在3.3-3.7mm，长度210mm，宽度25mm、铜合金层厚度0.8-1.2mm的无铅含铋双金属复合材料，外置可调节送丝机器的送丝速度为3档。

实施步骤：

(1)、将铜镍合金焊丝、Sn60Bi40焊丝两种焊丝分别装入CMT六轴焊接机器人和外置可调节送丝机器中，外置送丝机器送丝速度调节为3挡；

(2)、采用2-3mm厚、长220mm和宽70mm的镀铝低碳钢板，清洗表面油污、并进行烘干处理；

(3)、将钢板装夹固定好后，通过单热源双送丝电弧沉积***进行电弧沉积铜合金层，焊枪枪头与钢板夹角为45°，外置可调节送丝机器的送丝速度为3档，铜镍焊丝与Sn60Bi40焊丝夹角是45°，CMT六轴焊接机器人的参数为：电流70A～90A，电压9～12V，，摆动幅度为8～13mm，增材速度6～10cm/min，摆动频率1～2Hz2；

(4)、采用高纯氩气作为保护气体，氩气流量为9～15L/min，防止电弧沉积过程中铜合金层氧化。

经检测，本案例实施制备的双金属轴瓦材料铜合金层成分为2.4wt.％的Sn，1.5wt.％的Bi，3.2wt.％的Ni，0.14wt.％的P，0.12wt.％的Al，其余为Cu，厚度0.8-1.2mm，组织均匀，满足后续的加工需求；铜钢双金属的抗拉强度299Mpa，双金属的结合强度，257Mpa；在10N的载荷下采用盘销式摩擦学性能测试10min，平均摩擦系数为0.35，而同等测试条件下含量相同铅青铜合金平均摩擦系数为0.36。

实施例2：

实施目的：制备总厚度在3.3-3.7mm，长度210mm，宽度25mm、铜合金层厚度0.8-1.2mm的无铅含铋双金属复合材料，外置可调节送丝机器的送丝速度为6档。

实施步骤：

(1)、将无氧铜镍合金焊丝、Sn60Bi40焊丝两种焊丝分别装入CMT六轴焊接机器人和外置可调节送丝机器中，外置送丝机器送丝速度调节为6挡；

(2)、采用2-3mm厚、长220mm和宽70mm的镀铝低碳钢板，清洗表面油污、并进行烘干处理；

(3)、将钢板装夹固定好后，通过单热源双送丝电弧沉积***进行电弧沉积铜合金层，焊枪枪头与钢板夹角为45°，外置可调节送丝机器的送丝速度为6档，铜镍合金焊丝与Sn60Bi40焊丝夹角是45°，CMT六轴焊接机器人的参数为：电流70A～90A，电压9.5～12.5V，，摆动幅度为8～13mm，增材速度6～10cm/min，摆动频率1～2Hz：

(4)、采用高纯氩气作为保护气体，氩气流量为9～15L/min，防止电弧沉积过程中铜合金层氧化。

经检测，本案例实施制备的双金属轴瓦材料铜合金层成分为2.8wt.％的Sn，1.8wt.％的Bi，3.1wt.％的Ni，0.13wt.％的P，0.14wt.％的Al，其余为Cu，厚度0.8-1.2mm，组织均匀，满足后续的加工需求；铜/钢双金属的抗拉强度246Mpa，双金属的结合强度200Mpa；在10N的载荷下采用往复式摩擦学性能测试10min，平均摩擦系数为0.32。

Claims (5)

1.一种电弧沉积的无铅双金属轴承材料，包含钢基板和沉积在钢基板表面的铜合金层，其特征在于，铜合金层成分包括：Cu、Sn、Bi、Ni、P和Al，各组分的重量百分比为：2.0～2.8wt.％的Sn，1.5～2.7wt.％的Bi，3～5wt.％的Ni,0.1～0.16wt.％的P，0.1～0.15wt.％的Al，其余为Cu。

2.根据权利要求1所述的电弧沉积的无铅双金属轴承材料，其特征在于，所用钢基板为表面镀铝的低碳钢。

3.根据权利要求2所述的电弧沉积的无铅双金属轴承材料，其特征在于，所述镀铝层的厚度为20um。

4.权利要求1所述的电弧沉积的无铅双金属轴承材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)、将无氧铜镍丝、Sn60Bi40焊丝两种焊丝分别装入CMT六轴焊接机器人和外置可调节送丝机器中；

步骤(2)、将镀铝低碳钢板表面清洗，并进行除油、烘干等处理；

步骤(3)、通过单热源双送丝电弧沉积***在钢板表面沉积铜合金层，制备双金属轴承材料。

5.根据权利要求4所述的电弧沉积的无铅双金属轴承材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)电弧沉积的工艺参数为：电流70A～90A，电压9.5～12.5V，氩气流量9～15L/min，摆动幅度为8～13mm，增材速度6～10cm/min，摆动频率1～2Hz，外置送丝速度为3-6档，外置送丝管枪头和焊枪之间的角度范围在30°～90°。

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