CN117483913B - 一种双金属轴衬及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双金属轴衬及其制备方法和应用，涉及钎焊技术领域。具体而言，制备方法包括将铜基合金和锡基巴氏合金堆焊至钢基体的表面；其中，铜基合金和锡基巴氏合金的焊接频率的相位差为180度。本发明分别通过两台焊机进行数字化控制，实现两种合金以错开电流波峰的方式进行焊接，两焊接电弧热量相互支持，不仅能减少焊接预热，还能够实现减少堆焊层气孔、增强焊接质量的效果；同时能够实现两种合金的均匀化，并抑制晶间脆硬相生成，提高轴衬的使用寿命。本发明的制备方法热输入低、熔敷效率高、焊接热影响区小、消除驼峰焊道、焊缝美观、成本低廉，且制得的轴衬兼具双金属的力学性能和协同性，还能提高双金属轴衬的加工效率。

Description

一种双金属轴衬及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种双金属轴衬及其制备方法和应用。

背景技术

轴承是支撑机械旋转的重要功能元件，理想的滑动轴承应兼顾承载性、减摩性、耐磨性、摩擦顺应性和嵌入性等；而巴氏合金的组织特点是在软相基体上均匀分布着硬性质点，软相合金使合金具有嵌入性、摩擦相容性，磨合后，软基体内凹，硬质点外凸，成为储油空间和润滑油通道，利于减摩；因此，巴氏合金是较为普遍的滑动轴承原料。但单一巴氏合金难以兼顾承载性，且材料成本高，为了节省贵金属的成本及满足重载荷的需求，常在其表面通过增材制造的方式添加巴氏合金-铜合金复合双金属或铜-铜合金复合双金属等。

CN 202010842797.5公开了一种锡青铜-钢双金属复合材料及其制备方法，将锡青铜通过粉末冶金法烧结至钢基体，具体制备工序包括混料-铺粉-预烧-复烧等，该工艺制备的铜-钢双金属复合材料硬度低、结合强度差、工序复杂，可以用于齿轮泵、柱塞泵等液压泵领域，但是难以满足轴承、轴衬的强度需求。

CN 202211690813.9公开了一种电弧沉积的无铅双金属轴承材料及制备方法，采用了钢基板和包括铜、锡、铋、镍、磷和铝的合金层；通过将铜镍丝作为MIG焊的电极引弧，Sn60Bi40作为旁路送丝，添加合金元素在熔池中混合均匀形成双金属的电弧沉积层。但是，旁路送丝的方式使得旁路元素不能在熔池中均匀混合，易引起基体与母材结合强度变低；此外，此工艺仅适合熔点差异大的异种合金，对于两种熔点相近的铜合金难以实现。

CN202210414085.2公开了一种双金属材料轴瓦的增材制备方法，依次在低碳钢表面涂覆含Bi的铜合金、含Ni的铜合金，得到含有平行间隔的强化区和减摩区，兼顾顺应性及耐磨性。其制备工艺中采用先焊A再焊B的方式，异种金属结合界面处存在存在一条明显的熔化未融合区，该区域由富铁相和富铜相组成，而造成该区域力学性能薄弱。除此以外，先焊A再焊B的方式，焊前需对基体进行预热处理，焊接过程相互独立，焊接效率较低。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种双金属轴衬的制备方法，通过控制铜基合金和锡基巴氏合金的焊接频率的相位差稳定于180度的焊接方法，能够解决双金属混合不均或是双金属难以熔合等缺陷造成的界面结合强度不足、双金属疲劳强度低和密实度低等技术问题。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种双金属轴衬的制备方法，包括如下步骤：将铜基合金和锡基巴氏合金堆焊至钢基体的表面；

所述铜基合金和所述锡基巴氏合金的焊接频率的相位差为180度。

本发明的第二目的在于提供所述的双金属轴衬的制备方法制得的轴衬材料。

本发明的第三目的在于提供所述的轴衬在轴承领域的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明公开一种双金属轴衬的制备方法，通过选用特定材质的双金属以兼顾耐磨性、减摩性、嵌入性及顺应性，通过控制两种合金焊接频率存在180度相位差，以实现焊接过程“自预热”、“自均匀化”的效果。

（1）两种焊接合金交替进行热焊接，利用双丝焊的温度场及热循环互相支持（铜合金的焊接热量及巴氏合金的焊接热量共同提供预热能量），可减少焊前预热，并延长焊件凝固时间，利于堆焊层中的气孔扩散，使得气孔数量及尺寸显著减少，实现焊接质量的显著提高。

（2）通常铜-钢异种金属的结合界面处存在一条明显的熔化未融合区，该区域由富铁相和富铜相组成，除此之外合金在凝固过程中，元素Sn在铜中固溶度大幅降低，低熔点元素Sn易在晶间液相富集形成枝晶偏析，产生脆相Cu41Sn11相，造成该区域力学性能薄弱；而本发明用于两种焊接合金的前弧和后弧热量互相支持，可促进元素扩散，均匀成分，避免异种金属结合界面生成明显的熔化未融合区，从而提高焊后轴衬材料的力学性能。

（3）制备方法具有较高的焊接速度和熔敷效率，且焊接过程无飞溅，外观成型美观，焊缝变形小，焊接接头质量高，所得到的轴衬材料具有较高的机械性能和使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本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本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提供了本发明实施例1和对比例1中的CuSn12Ni2的扫描组织图；其中，图1中（a）对应于对比例1，图1中（b）对应于实施例1。

图2提供了本发明实施例1和对比例1中的SnSb11Cu6的扫描组织图；其中，图2中（a）对应于对比例1，图2中（b）对应于实施例1。

图3提供了本发明的焊接电压-时间的曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列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，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。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。

在本发明的描述中，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本发明中的具体含义。

本发明的第一方面在于提供一种双金属轴衬的制备方法。针对于现行轴衬的制备工艺如粉末冶金法、离心浇铸法等，所制得的轴衬存在结合强度低、疲劳强度低、密实度低等缺陷；又如电弧沉积法采用的主丝作为MIG焊电极引弧、辅路送丝时合金元素不能在熔池内均匀混合，而引起焊接的结合强度低，且仅适用于熔点差异大的异种焊丝；此外，当采用分别焊接两种金属的方法时，一方面需要焊前预热以减少焊接气孔的生成，另一方面异种金属结合界面处元素偏析，存在一条明显的熔化未融合区，力学性能减弱，还存在焊接效率较低的缺陷。

所述的双金属轴衬的制备方法包括如下步骤：将铜基合金和锡基巴氏合金堆焊至钢基体的表面；所述铜基合金和所述锡基巴氏合金的焊接频率的相位差为180度。如图3所示提供了该状态的示意图，根据两种合金的焊接电压-时间曲线可知，焊接频率相位差恒定为180度。

作为一种优选的实施方式，所述铜基合金包括按重量百分比计的如下元素组分：锡 11%~13%，镍 1.5%~2.5%，余量为铜；

作为一种可选的实施方式，所述铜基合金中元素组分的重量百分比包括但不限于：锡 11%、11.2%、11.4%、11.5%、11.6%、11.8%、12%、12.2%、12.4%、12.5%、12.6%、12.8%、13%，镍 1.5%、1.6%、1.7%、1.8%、1.9%、2%、2.1%、2.2%、2.3%、2.4%、2.5%，余量为铜；上述组分的重量百分比取值可以采用任一的点值，也可以是任二点值构成的数值区间。

作为一种优选的实施方式，所述锡基巴氏合金包括按重量百分比计的如下元素组分：锑 10%~12%，铜 5%~7%，余量为锡；

作为一种可选的实施方式，所述锡基巴氏合金中元素组分的重量百分比包括但不限于：锑 10%、10.2%、10.4%、10.5%、10.6%、10.8%、11%、11.2%、11.4%、11.5%、11.6%、11.8%、12%，铜 5%、5.2%、5.4%、5.5%、5.6%、5.8%、6%、6.2%、6.4%、6.5%、6.6%、6.8%、7%，余量为锡；上述组分的重量百分比取值可以采用任一的点值，也可以是任二点值构成的数值区间。

作为一种更优选的实施方式，本发明可以采用任何一种现有的具有牌号的合金，进一步优选地，可以采用如下种类牌号的合金：

所述铜基合金包括CuSn12Ni2或CuSn10P1中的至少一种。

所述锡基巴氏合金包括SnSb11Cu6、SnSb8Cu4、SnSb8Cu8或SnSb4Cu4中的至少一种。

在本发明中的“一种双金属轴衬的制备方法”中的双金属即为铜基合金和锡基巴氏合金。其中，铜基合金优选为铜锡合金，是一种典型的凝固偏析合金，当锡含量大于10%时，晶间易形成脆硬Cu41Sn11相；因此合金在凝固过程中，低熔点锡元素易在晶间液相富集，形成逆偏析；随着熔体温度的降低及初生晶的长大，熔池液相内锡元素会进一步富集，极易形成脆硬Cu41Sn11相，从而能引起晶间脆性断裂。锡基巴氏合金组织由方块状SnSb、针状Cu6Sn5组成，软质相锡基体增加材料塑性，硬质相SnSb和Cu6Sn5增加抗磨。然而，当采用常规的双金属焊接工艺进行上述两种合金的钎焊时，一方面由于焊接后冷却速度较快，致使焊层中易生成气孔缺陷，从而影响轴衬的使用寿命；另一方面，铜锡合金中锡元素的富集偏析可能会导致双金属结合强度低，或是焊面机械强度低等缺陷。而当采用本发明的制备方法时，能够有效地规避上述涉及的客观缺陷。

具体而言，本发明采用自预热、自均匀化的双金属轴衬的制备方法，焊接频率相位相差180度，前弧和后弧热量互相支持，减少焊前预热的同时延长焊后凝固时间，利于焊接过程中气孔向外扩散，从而显著减少堆焊层中的气孔数量，焊接质量显著提高。前弧和后弧热量互相支持，保证焊料满足一定冷却速度的同时，对焊料成分进行均匀化处理，抑制铜基合金中Sn元素从α相向晶间的扩散，抑制晶间脆硬Cu41Sn11相的生成，提高双金属轴衬的使用寿命。

作为一种优选的实施方式，所述铜基合金和所述锡基巴氏合金的焊接通过两台焊机分别进行，且两台焊机的电流（或电压）的波峰完全相错。在这种优选的情况时，两台焊机交替输出功率，并分别地对两种合金进行焊接；在某一种合金实施焊接的过程中，另一种合金停止焊接。

作为一种更优选的实施方式，每次所述铜基合金的焊接时间为0.2s~0.5s；所述锡基巴氏合金的焊接时间同样为0.2s~0.5s；可以理解的是，在本发明中铜基合金与锡基巴氏合金的焊接时间相同，间歇时间也相同；即焊接铜基合金时，巴氏合金为间歇状态；焊接巴氏合金时，铜基合金为间歇状态。

作为一种优选的实施方式，所述堆焊通过CMT模式进行；即通过冷金属过度焊接技术（cold metal transfer）进行。

作为一种优选的实施方式，所述铜基合金的焊接电压为12V~18V，焊接电流为130A~150A；

作为一种可选的实施方式，所述铜基合金的焊接电压包括但不限于12、13、14、15、16、17、18（V）中的任意一种或是任意两种构成的数值区间，焊接电流包括但不限于130、132、135、138、140、142、145、148、150（A）中的任意一种或是任意两种构成的数值区间。

作为一种优选的实施方式，所述锡基巴氏合金的焊接电压为7V~10V，焊接电流为50A~70A；

作为一种可选的实施方式，述锡基巴氏合金的焊接电压包括但不限于7、7.5、8、8.5、9、9.5、10（V）中的任意一种或是任意两种构成的数值区间，焊接电流包括但不限于50、52、55、58、60、62、65、68、70（A）中的任意一种或是任意两种构成的数值区间。

作为一种优选的实施方式，所述铜基合金的焊接温度为1300℃~1400℃；所述锡基巴氏合金的焊接温度为550℃~650℃。

作为一种可选的实施方式，所述铜基合金的焊接温度包括但不限于1300、1310、1320、1330、1340、1350、1360、1370、1380、1390、1400（℃）中的任意一种或是任意两种构成的数值区间；所述锡基巴氏合金的焊接温度为550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650（℃）中的任意一种或是任意两种构成的数值区间。

作为一种优选的实施方式，所述铜基合金的焊接速度为8mm/s~10mm/s；所述锡基巴氏合金的焊接速度为8mm/s~10mm/s。

作为一种优选的实施方式，所述钢基体厚度为30mm。

作为一种优选的实施方式，所述铜基合金和所述锡基巴氏合金的堆焊厚度与所述钢基体的厚度之比为0.08~0.2；应当理解的是，本领域技术人员可以根据钢基体的厚度适当地调整焊接工艺所涉及的所有参数，以实现自均匀化、自预热的目的。

作为一种优选的实施方式，所述铜基合金和所述锡基巴氏合金的堆焊厚度相同，或者，所述铜基合金和所述锡基巴氏合金的堆焊厚度之差≤1mm。

作为一种优选的实施方式，在进行所述制备方法前还包括：清洁所述钢基体；所述清洁包括但不限于除油、除锈、抛光、水洗、烘干等。

作为一种优选的实施方式，所述制备方法通过一种焊接设备进行；所述焊接设备包括两台焊机，以及分别与所述焊机相连的送丝装置和焊接枪头；两个所述送丝装置和两个所述焊接枪头设置于相同的焊枪中，且所述焊枪包括一个气体喷嘴。

作为一种更优选的实施方式，两个所述焊接枪头的水平间距为4mm~6mm；可以理解的是，所述焊接枪头指的是输出堆焊合金的出口端，在一些常规方法中不被命名为焊接枪头，但是应当依据其功能作用而理解为相同的功能元件。

在本发明中当所述焊接枪头距离过大时，预热及焊后均匀化效果减弱；所述焊接枪头距离过小，两种堆焊合金会出现成分交叉，出现大量Cu-Sn脆相相，影响焊接质量。

所述焊接设备还包括其他常规组件；如分别对所述焊接进行供电的MIG电源，以及对焊接进行控制的数字化***，或是封装外壳等；在一些实施方式中可以通过两个***分别对焊接的电压、电流等进行控制，也可以由一套集成式***同时对两台焊机进行控制；在一些实施方式中，还包括与电源相匹配的变压器、整流器或调节电路等，所述焊机包括与所述送丝装置相匹配的电极头或电极线或导电嘴等以实施加热。

本发明的第二方面在于提供一种轴衬，所述轴衬是基于第一方面所述的双金属轴衬的制备方法制得。

本发明的第三方面在于提供一种应用，即所述轴衬在轴承领域的用途；本领域技术人员能够理解的是，基于所述轴衬制备得到的轴承及其衍生制品、或是基于所述轴衬的轴承制备工艺等均属于应用的范围。

实施例1

本实施例所采用的铜基合金：锡 12%，镍 2%，铜 86%；巴氏合金：锑 11%，铜 6%，锡83%。

采用两台焊机分别实施上述两种合金的堆焊，且将两台焊机的输出端集成于同一焊枪中，并共用同一个气体喷嘴；且两台焊机焊接频率相位相差180度，两个焊接枪头交替引弧焊接；通过两台送丝装置分别送入铜基合金和巴氏合金，以钢板为基材实施焊接，采用双金属CMT模式实施MIG焊。

钢板厚度为30mm，两种合金的堆焊厚度为5mm。

本实施例中的焊接参数如下：铜基合金焊接参数为：电流140A、电压15V、焊速10mm/s；巴氏合金焊接参数为：50A、电压8V、焊速10mm/s，以焊接时间0.2s为周期交替进行两种合计的焊接，单次堆焊长度约为2mm。

实施例2

与实施例1基本相同，区别仅在于：

本实施例所采用的铜基合金：锡 11%，镍 1.5%，铜 87.5%；巴氏合金：锑 10%，铜5%，锡 85%。

实施例3

与实施例1基本相同，区别仅在于：

本实施例所采用的铜基合金：锡 13%，镍 2.5%，铜 84.5%；巴氏合金：锑 12%，铜7%，锡 81%。

实施例4

与实施例1基本相同，区别仅在于：

铜基合金焊接参数为：电流130A、电压12V；巴氏合金焊接参数为：50A、电压7V。

实施例5

与实施例1基本相同，区别仅在于：

铜基合金焊接参数为：电流150A、电压18V；巴氏合金焊接参数为：70A、电压10V。

对比例

采用与实施例1相同的合金和焊接参数；但是，先焊接铜基合金，待铜基合金焊接完成后再焊接巴氏合金。两种焊接模式均不采用焊前预热及焊后均匀化处理。在实际焊接过程中，对比例的加工时间约为实施例1的二倍。

如图1、图2所示提供了各堆焊层的微观图；其中，图1提供了实施例1和对比例1中的CuSn12Ni2的扫描组织图；图1中（a）对应于对比例1，图1中（b）对应于实施例1；图2提供了实施例1和对比例1中的SnSb11Cu6的扫描组织图；图2中（a）对应于对比例1，图2中（b）对应于实施例1。图1的右下角标尺为20μm，图2的右下角标尺为500μm。

如表1所示提供了本发明各实施例与对比例的焊接成品的气孔情况；如表2所示提供了本发明各实施例与对比例的焊接成品的结合强度情况。

针对于本实施例和对比例所采用的合金料，锡青铜（铜基合金）所需的均匀化温度为400℃~800℃；锡基巴氏合金的焊前预热温度为150℃~250℃；当焊枪移动速度为10mm/s，焊接时间为0.2s时，焊枪单次堆焊长度约为2mm。

在对比例的技术方案中，单道次堆焊CuSn12Ni2时，焊接热源向四周传递热量，焊接热源距离焊枪水平距离为2mm，此时钢背的温度为380℃（在扩大焊接热源距离焊枪距离为4mm时，钢背温度会进一步下降至120℃）；单道次堆焊SnSb11Cu6时，焊接热源向四周传递热量，焊接热源距离焊枪水平距离为2mm，此时钢背的温度为130℃（在扩大焊接热源距离焊枪距离为4mm时，钢背温度会进一步下降至60℃）。因此，在对比例中锡青铜及巴氏合金均无法达到预热及均匀化的效果。

相对应地在采用实施例的技术方案时，在交替焊接的模式和相同的焊接参数下，铜基合金的焊接热量及巴氏合金的焊接热量共同提供焊接余热；当焊接CuSn12Ni2时，焊接热源距离焊枪水平距离为2mm时，钢背的温度为420℃；焊接锡基巴氏合金时，焊接热源距离焊枪水平距离为2mm时，钢背的温度为220℃。此时，锡青铜及巴氏合金分别达到均匀化及预热的效果。

表1

	堆焊层气孔尺寸（mm）	堆焊层单位面积内气孔数量
			实施例1	最大：0.12	10
实施例2	最大：0.14	9
			实施例3	最大：0.10	8
实施例4	最大：0.15	11
			实施例5	最大：0.10	8
对比例	最大：0.2	14

表2

	铜基合金与钢基体的结合强度（MPa）	巴氏合金与钢基体的结合强度（MPa）
			实施例1	495	78
实施例2	490	75
			实施例3	500	82
实施例4	480	72
			实施例5	502	84
对比例	467	70

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims (7)

1.一种双金属轴衬的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：将铜基合金和锡基巴氏合金堆焊至钢基体的表面；所述铜基合金包括按重量百分比计的如下元素组分：锡 11%~13%，镍 1.5%~2.5%，余量为铜；所述锡基巴氏合金包括按重量百分比计的如下元素组分：锑 10%~12%，铜 5%~7%，余量为锡；

其中，所述铜基合金和所述锡基巴氏合金的焊接通过两台焊机分别进行，且两台焊机的电流波峰完全相错；

所述铜基合金和所述锡基巴氏合金的焊接频率的相位差为180度；前弧和后弧热量互相支持，减少焊前预热的同时延长焊后凝固时间，利于焊接过程中气孔向外扩散；保证焊料满足一定冷却速度的同时，对焊料成分进行均匀化处理，抑制铜基合金中Sn元素从α相向晶间的扩散，抑制晶间脆硬Cu41Sn11相的生成；

所述制备方法通过一种焊接设备进行，所述焊接设备包括两台焊机以及分别与所述焊机相连的焊接枪头，两个所述焊接枪头的水平间距为4mm~6mm。

2.根据权利要求1所述的双金属轴衬的制备方法，其特征在于，所述铜基合金包括CuSn12Ni2或CuSn10P1中的至少一种；

所述锡基巴氏合金包括SnSb11Cu6、SnSb8Cu4、SnSb8Cu8或SnSb4Cu4中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的双金属轴衬的制备方法，其特征在于，所述铜基合金的焊接电压为12V~18V，焊接电流为130A~150A；

所述锡基巴氏合金的焊接电压为7V~10V，焊接电流为50A~70A。

4.根据权利要求1所述的双金属轴衬的制备方法，其特征在于，所述焊机采用MIG电源；所述焊接采用CMT模式进行。

5.根据权利要求4所述的双金属轴衬的制备方法，其特征在于，每次所述铜基合金和每次所述锡基巴氏合金的焊接时间为0.2s~0.5s。

6.根据权利要求1所述的双金属轴衬的制备方法，其特征在于，焊接包括如下特征（a）~（d）中的至少一种：

（a）所述铜基合金的焊接温度为1300℃~1400℃；

（b）所述锡基巴氏合金的焊接温度为550℃~650℃；

（c）所述铜基合金的焊接速度为8mm/s~10mm/s；

（d）所述锡基巴氏合金的焊接速度为8mm/s~10mm/s。

7.根据权利要求1所述的双金属轴衬的制备方法，其特征在于，所述制备方法通过一种焊接设备进行；

所述焊接设备包括两台焊机，以及分别与所述焊机相连的送丝装置和焊接枪头；两个所述送丝装置和两个所述焊接枪头设置于相同的焊枪中，且所述焊枪包括一个气体喷嘴。