CN100553811C - 半固态铜铅轴承合金/钢双金属轧制复合工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半固态铜铅轴承合金/钢双金属轧制复合工艺。铜铅轴承合金中铅的重量百分比含量为10.0～30.0%。为了细化铅的晶粒、改善合金机械性能，铜铅合金中可以加入硫、锡、镍、锰、稀土等第三种合金元素。此工艺包括钢板预处理、半固态浆料制备、轧制复合和喷水冷却四个步骤，具体工艺是将熔炼好的铜铅轴承合金在930～1050℃的温度区间进行机械搅拌，制成半固态浆料，然后浇注在预处理过的钢板上，并使半固态的铜铅轴承合金与固态钢板同时进入轧机进行轧制，最后喷水冷却，制成双金属复合板。本发明有效地解决了传统工艺生产铜铅轴承的铅偏析问题，得到了铅粒细小、分布均匀的金相组织。力学测试结果表明，此工艺制备的铜铅轴承合金/钢双金属板坯的界面剪切强度都在60MPa以上，提高了10MPa左右。

Description

半固态铜铅轴承合金/钢双金属轧制复合工艺

技术领域

本发明涉及的是一种铜铅轴承合金/钢双金属复合材料制备工艺，特别是涉及一种半固态铜铅轴承合金/钢双金属轧制复合工艺。

背景技术

铜铅合金被广泛的用来制造汽车、拖拉机、发动机、高速大马力柴油机轴承。因为铅在铜中的固溶度很小，在铜铅组织中铅以单独的粒状分布在铜基体中，软的铅质点在摩擦受力时起润滑作用，使得铜铅轴承具有摩擦系数小、对杂质具有适形性和嵌塑性的特点，而铜作为硬的基体，又使它具有高的承载能力。此外，铜铅合金的导热率高，它的机械性能受温度影响不显著，耐热性能优良。铜铅合金的机械性能较低，因此不宜单独做轴承，而只能镶铸于钢套内壁或钢板上，做成双金属轴承使用。

铜铅合金在结晶过程中有两个显著特点：其一为铜与铅在固态下互不相溶，合金在完全凝固后的金相组织为Cu+Pb的机械混合物；其二为合金的凝固温度范围很宽，在结晶过程中由于铜与铅的熔点相差悬殊及密度上的差异而易于产生密度偏析。铅偏析是铜铅合金的最主要的铸造缺陷之一，它的存在会严重影响合金的性能，降低轴承的使用寿命。因此，减轻和防止铅的偏析，是改善铜铅合金金相组织，提高力学性能的重要环节。另外，铜铅合金和钢背的结合强度也是影响轴承性能的重要因素。

《金属材料金相图谱》第11章第3节铜基轴承合金中介绍，在目前工业生产中，制造铜铅轴承合金/钢双金属轴承的主要方法有：卧式离心铸造法、静止浇注法和烧结法。卧式离心铸造的过程是将装有铜合金液的钢套扣紧在离心铸造机的旋转主轴上旋转，钢套表面喷射冷水进行冷却，一直到钢套内的铜合金全部凝固为止。钢套内的铜合金在离心力的作用下与钢套结合在一起，形成双金属轴承。卧式离心铸造生产过程中极难解决的问题就是铅偏析，并且产品质量不稳定。静止浇注法是将钢套和铁芯装配在一起，然后将铜铅合金液倒入钢套与铁芯的间隙中，喷水冷却到室温，最后通过机加工将铁芯除去，制成双金属轴承。静止浇注的铜铅合金经常会出现各种铸造缺陷，主要有铅偏析、疏松、裂纹、气孔、脱壳和粘接不良等。烧结铜铅合金轴承，通常是将预制成的铜铅合金粉末铺在钢背上，在具有保护性和还原性气氛的烧结炉中烧结成双金属板带再加工制造而成的。这类双金属板主要存在的问题有铅偏析，疏松，粘接不良，夹杂等缺陷。并且此方法对铜铅合金粉末的质量要求很高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有生产方法中的不足，提出一种半固态铜铅轴承合金/钢双金属轧制复合工艺，以消除铅偏析，提高铜铅合金和钢的结合强度，得到性能优良的双金属板。

本发明是将熔炼好的铜铅合金进行机械搅拌，制成半固态浆料，然后浇注在预处理过的钢板上，并使半固态的铜铅合金与固态钢板同时进入轧机进行轧制，在压力作用下实现界面的冶金结合。然后对轧制复合的双金属板坯的钢背迅速喷水冷却，使合金中的铅来不及聚集长大，从而得到铅粒细小，分布均匀，结合良好的双金属板带。

本发明整个工艺过程包括钢板预处理、半固态浆料制备、轧制复合和喷水冷却四个步骤(参见图1)：

1)钢板预处理

钢板表面通过机械打磨、碱洗和酸洗除去钢板上的锈层和残余油脂，然后将钢板置于温度为80～100℃，质量百分比浓度为15％～25％的硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O)水溶液中煮1～5分钟进行浸镀，取出后烘干，浇注前将浸镀过硼砂的钢板预热，预热温度为400～800℃，预热时间为10～25分钟。

硼砂可以防止钢板预热过程中的氧化，有利于提高界面结合强度。它还可以促进铜与铁的互扩散，使钢板和合金结合牢固。

2)半固态浆料制备

将铜铅轴承合金进行熔炼，获得纯净的铜铅轴承合金液，合金液温度保持在1150～1250℃。合金液熔炼好后，将合金液连同坩埚一起放入到保温罩内。用小电机带动石墨棒对合金液进行机械搅拌，当铜铅轴承合金液温度降低到位于930～1050℃区间时，合金液中含有一定量的固相颗粒，呈半固态状态。

3)轧制复合

将半固态铜铅轴承合金浇注在预热的钢板上，合金层厚度为2～10mm，然后将半固态的铜铅轴承合金与固态钢板送入轧机进行轧制复合，轧制速度为10～50mm/s。

4)喷水冷却

轧制完成后迅速对双金属板坯的钢背进行喷水冷却，以保证冷却方向自钢背开始。冷却水温度为室温，冷却速度为15～50℃/s，冷却终止后保持双金属板坯余温为100～200℃，以减少由于激冷而产生的内应力。

所述的铜铅轴承合金含铅量(重量百分比)为10.0～30.0％。为了细化铅的晶粒、改善合金机械性能，可以在铜铝轴承合金中加入硫、锡、镍、锰、稀土等任一种第三种合金元素。

本发明采用机械搅拌方法获得铜铅轴承合金半固态浆料，有效地解决传统工艺生产铜铅轴承的铅偏析问题；同时通过轧制变形，消除了疏松、裂纹和气孔等铸造缺陷，双金属在压力下复合，有利与促进铜原子和铁原子的互扩散，提高了界面结合强度，其特点在于：

1)采用半固态轧制复合方法有效防止了铅偏析现象，轴承合金组织中铅粒细小，呈点块状，分布均匀，疏松、裂纹、气孔等缺陷少，组织致密。

2)铜铅轴承合金和钢板在轧制力的作用下复合，有利于促进铜原子和铁原子互扩散的进行，双金属界面粘结良好，结合强度高。半固态轧制，可以有效破碎粗大枝晶，得到比传统工艺晶粒更细小、机械性能更好的组织。图2为本工艺制备的铜铅合金的金相组织图，铜铅轴承合金的主要组分重量百分比含量为22％Pb，1％Sn。从图2中可知，黑色的铅绝大部分直径在10μm以下，并且以细小的点状、粒状均匀地分布在铜基体上。

3)易于实现规模化生产。可以将铜铅轴承合金半固态浆料浇注在连续移动的钢带上，随后进行轧制、喷水冷却工艺，生产效率高。

附图说明

图1为钢/铜铅轴承合金双金属半固态轧制复合工艺框图；

图2为本工艺制备的铜铅合金的金相组织图

具体实施方式

实例1：

选用铜铅轴承合金的牌号为CuPb22Sn，其主要组分重量百分比含量为22.0％Pb，1.0％Sn，其余为Cu。钢板选用普通低碳钢板，含碳量0.2％，钢板尺寸为长度150mm/宽度100mm/厚度5mm。制备双金属板坯的具体工艺如下：

1)钢板预处理

首先，用钢丝刷打磨钢板表面，去掉表面污垢。打磨好后，把钢板放到80℃的10％NaOH溶液中浸泡5分钟去除油脂，取出时摇动，然后用60℃热水去掉残余碱质。再将其放入10％HCl溶液中除锈，时间8分钟，钢板表面呈光亮的银白色。用清水将钢板表面残留的酸液冲洗干净后，把钢板置于90℃的硼砂水溶液(浓度为20％)中煮4分钟进行浸镀，取出后放入烘箱中烘干。钢板表面呈油亮光泽，并且以均匀为准。浇注前采用箱式电阻炉对钢板进行预热，预热温度600℃，预热时间为15分钟。预热时，在电阻炉内放一些干燥的活性碳粉，待炉内温度升高到600℃后再放入钢板。放入活性碳粉的目的是减少钢板的氧化。

2)半固态浆料制备

首先将石墨坩埚加热至暗红色，温度约为500℃，然后加入紫铜，放入干燥的石墨粉作为覆盖剂。升温熔炼，熔炼温度达到1200℃左右时，加入预热的铅，充分搅拌促其合金化。静置十分钟后，用1#锌脱氧(加入量为铜液总重量的0.7％)，锌块用石墨钟罩压入铜液底部并轻轻摆动，使铜液彻底沸腾起来，让铜液中的氧化锌、氧化铜等杂质很快从铜液中上浮，净化铜液。脱氧后，加入预热的锡。用撇渣勺清渣干净，合金液温度保持在1200℃。合金液熔炼好后，将合金液连同坩埚一起放入到做好的保温罩内。用小电机带动石墨棒对合金液进行机械搅拌，当铜铅合金液的温度降低至985℃，低于铜铅合金液相线温度，合金液中含有一定量的固相颗粒，呈半固态状态。

3)轧制复合

钢板预热到600℃后，从箱式电阻炉中取出，将制备的铜铅轴承合金半固态浆料浇注在钢板上，铜铅合金层厚度为5mm。将半固态的铜铅合金与固态钢板送入轧机进行轧制复合。轧制速度为50mm/s。轧制后钢板厚度基本保持不变，铜铅合金层厚度为3mm。

4)喷水冷却

轧制完成后迅速对双金属板坯的钢背进行喷水冷却，以保证冷却方向自钢背开始。水温为室温，冷速为30℃/s，当双金属板坯温度降到150℃时停止喷水，在空气中冷却。

力学测试结果表明，在以上工艺参数下制备的铜铅轴承合金/钢双金属板坯的界面剪切强度都在60MPa以上。轧制复合的双金属板比未轧制过的界面剪切强度提高了10MPa左右。

实例2：

所选用的铜铅轴承合金和钢板的成分、尺寸同实例1，制备双金属板坯的具体工艺如下：

1)过程同实例1，但钢板预热温度为500℃。

2)过程同实例1，但制备的半固态铜铅轴承合金浆料温度为970℃。

3)钢板预热到500℃后，从箱式电阻炉中取出，将制备的铜铅合金半固态浆料浇注在钢板上，铜铅合金层厚度为8mm。将半固态的铜铅合金与固态钢板送入轧机进行轧制复合。轧制速度为30mm/s。轧制后钢板厚度基本保持不变，铜铅合金层厚度为4mm。

4)轧制完成后迅速对双金属板坯的钢背进行喷水冷却，以保证冷却方向自钢背开始。水温为室温，冷速为20℃/s，当双金属板坯温度降到150℃时停止喷水，在空气中冷却。

力学测试结果表明，在以上工艺参数下制备的铜铅轴承合金/钢双金属板坯的界面剪切强度也都在60MPa以上。

Claims (5)

1、一种半固态铜铅轴承合金/钢双金属轧制复合工艺，其特征在于，将熔炼好的铜铅轴承合金进行机械搅拌，制成半固态浆料，然后浇注在预处理过的钢板上，再将半固态的铜铅轴承合金与固态钢板同时进入轧机进行轧制复合，对轧制复合的双金属板坯的钢背进行喷水冷却，制成双金属复合板；所述的铜铅轴承合金中的重量百分比含量为10.0～30.0％。

2、根据权利要求1所述的半固态铜铅轴承合金/钢双金属轧制复合工艺，其特征在于预处理过的钢板是将钢板表面通过机械打磨、碱洗和酸洗除去钢板上的锈层和残余油脂，然后将钢板置于温度为80～100℃，质量百分比浓度为15％～25％的硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O)水溶液中煮1～5分钟进行浸镀，取出后烘干，并在浇注前将浸镀过硼砂的钢板预热，预热温度为400～800℃。

3、根据权利要求1所述的半固态铜铅轴承合金/钢双金属轧制复合工艺，其特征在于，当机械搅拌铜铅轴承合金液，温度降低到位于930～1050℃区间时，铜铅轴承合金呈半固态状态。

4、根据权利要求1所述的半固态铜铅轴承合金/钢双金属轧制复合工艺，其特征在于，轧制复合是将半固态铜铅轴承合金浇注在预热的钢板上，合金层厚度为2～10mm，然后将半固态的铜铅轴承合金与固态钢板送入轧机进行轧制复合，轧制速度为10～50mm/s。

5、根据权利要求1所述的半固态铜铅轴承合金/钢双金属轧制复合工艺，其特征在于，喷水冷却是对轧制复合的双金属板坯的钢背进行喷水冷却，冷却水温度为室温，冷却速度为15～50℃/s，冷却终止后保持双金属板坯余温为100～200℃。

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