CN102848634A - 一种易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料，适用于制造大功率、高转速汽车发动机中的轴瓦、衬套、翻边瓦等，是由钢板层和合金层烧结而成，所述钢板层和合金层为上下两层或里外两层，所述钢板层由基层的钢板和钢板表面的镀铜层组成，所述钢板的材质为碳含量小于0.2％的低碳优质碳素钢，所述镀铜层的厚度为0.30～1.00mm，所述合金层的材质为铍青铜合金粉，所述铍青铜合金粉的化学成分按重量百分比计为：铍2～5％，锡5～7％，锌7～8％，余量为铜，所述铍青铜合金粉的粒径小于0.1mm。本发明还提供了一种易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料的制造方法。

Description

一种易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，特别涉及一种铍青铜合金烧结在低碳优质碳素钢材料表面的易翻边成型和环保的铍青铜-钢双金属轴承材料及其制造方法，适用于制造大功率、高转速汽车发动机中的轴瓦、衬套、翻边瓦等。

背景技术

铜合金金属材料具有很高承载能力和抗疲劳强度，在高转速运转和大功率的发动机中应用相当普遍，但目前市场上的普通的铜合金金属材料由于技术缺陷，弯曲性较差，只能满足普通冲压、拉伸的技术要求，而达不到物理翻边的需求，在制造大功率、高转速汽车发动机中的轴瓦、衬套、翻边瓦等时，普通铜合金金属材料一翻边就会开裂或合金脱层，次品率高，同时增大了生产成本。

中国发明专利申请200510110718.7公开了一种含磷量大于0.1％的磷青铜-钢双金属轴承材料制造工艺，在预先准备好的所需牌号和厚度的碳素结构钢钢背上设置具有适当厚度的金属或合金过渡层，再把具有一定含磷量的磷青铜合金粉末均匀地铺撒在钢背上，并使其具有一定的铺粉厚度；然后进行一次烧结，以使磷青铜合金粉末粘结在钢背上；再进行一次轧制，以使磷青铜合金层致密；接着进行二次烧结，以使磷青铜合金层牢固地粘结在钢背上；最后进行二次轧制，以精确控制双金属板材的尺寸；最终生产出符合所需尺寸要求的磷青铜-钢双金属轴承材料。

上述生产工艺是改善铜合金的机械性能，但却无法改善其弯曲性能。因此要改善铜合金弯曲性能，需对现有的加工工艺做进一步研究及改进。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种易翻边成型的环保的铍青铜-钢双金属轴承材料及其制造方法，适用于制造大功率、高转速汽车发动机中的轴瓦、衬套、翻边瓦等。

为了解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案为：

一种易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料，是由钢板层和合金层组成，所述钢板层和合金层为上下两层或里外两层，其中，钢板层位于里层，合金层位于外层，所述钢板层由基层的钢板和钢板表面的镀铜层组成，所述钢板的材质为碳含量小于0.2％的低碳优质碳素钢，所述镀铜层的厚度为0.30～1.00mm，所述合金层的材质为铍青铜合金粉烧结而成的铍青铜合金，所述铍青铜合金粉的化学成分按重量百分比计为：铍2～5％，锡5～7％，锌7～8％，余量为铜，所述铍青铜合金粉的粒径小于0.1mm。

本发明的易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料，区别于现有技术，采用特定配方和粒径的铍青铜合金粉作为合金层的材质，采用特定碳含量的低碳优质碳素钢作为钢板层的基层，并通过在基层的表面形成一定厚度的镀铜层，以增强钢板层和合金层之间的结合力，因此具有如下优点：

1、具有很高的承载能力、润滑性、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳强度，且弯曲性能好；

2、钢板层和合金层结合力好，翻边时不开裂、不脱层；

3、经过翻边的材料，其侧边可以代替止退边或侧边，可少一道加工工序，大大降低生产成本；

4、不含重金属铅，符合环保的要求。

为了解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案为：

一种易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料的制造方法，包括以下步骤：

步骤1、材料准备，包括以下两个步骤：

A、铍青铜合金粉的制备；

按重量百分比为铍2～5％，锡5～7％，锌7～8％和余量为铜进行精确称重配比，混合熔化后采用全封闭式高压水雾化法制成铍青铜合金粉，然后过筛得到粒径小于0.1mm的铍青铜合金粉；

B、钢板的制备；

将碳含量小于0.2％的低碳优质碳素钢板剪切下料，经除油、除锈后镀上一层厚度为0.30～1.00mm的镀铜层，然后再冷轧校平至所需厚度，并控制厚度公差为±0.02mm，平面度≤0.5mm；

步骤2、铺粉：将制备好的铍青铜合金粉均匀的铺在制备好的钢板上，粉末厚度根据合金层所需厚度加0.30～1.00mm的加工余量而定；

步骤3、初烧：将铺好粉的钢板放入通有氢气和氮气混合气还原性保护气氛的履带式烧结炉中进行烧结，氢气和氮气的混合体积比为1∶9，烧结温度为800～900℃，烧结时间为30～90分钟；

步骤4、初轧校平：将初烧后的钢板在冷轧机上进行冷轧校平至所需厚度，并控制厚度公差为±0.02mm，平面度≤0.5mm；

步骤5、复烧：将初轧校平后的钢板再次放入通有氢气和氮气混合气还原性保护气氛的履带式烧结炉中进行二次烧结，氢气和氮气的混合体积比为1∶9，烧结温度为850～950℃，烧结时间为30～90分钟；

步骤6、复轧校平：将复烧后的钢板再次在冷轧机上进行冷轧校平至所需厚度，并控制厚度公差为±0.02mm，平面度≤0.5mm；

步骤7、退火处理：将复轧校平后的钢板，在氢气和氮气混合气还原性保护气氛下进行退火处理，退火温度为400～600℃，退火时间为45～60分钟；

步骤8、精轧校平：将退火处理后的钢板再次在冷轧机上进行精轧校平至所需厚度，并控制厚度公差为±0.01mm，平面度≤0.3mm。

本发明的易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料的制造方法，区别于现有技术，通过采用特定配方和粒径的铍青铜合金粉，并相应地对工艺参数进行匹配优化设计，如烧结温度、烧结时间、还原性保护气氛的组成等，以及通过增设退火处理步骤，使制得的易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料具有很高的承载能力、润滑性、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳强度，且弯曲性能好，翻边时不开裂、不脱层，不含重金属铅，符合环保的要求。另外，还通过设置粉末厚度的加工余量和严格控制各个轧制步骤中的产品尺寸精度，以获得尺寸精度高、外表平整美观的轴承材料。

附图说明

图1所示为本发明的轴承材料实施例1的截面示意图。

图2所示为本发明的轴承材料实施例2的截面示意图。

图3所示为本发明的轴承材料制造方法的工艺流程图。

标号说明：

1、钢板层 2、合金层 10、钢板 11、镀铜层

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施例详予说明。

实施例1

参照图1所示，本发明的易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料，是由钢板层1和合金层2组成，所述钢板层1和合金层2为上下两层，所述钢板层1由基层的钢板10和钢板10表面的镀铜层11组成，所述钢板10的材质为碳含量小于0.2％的低碳优质碳素钢，所述镀铜层11的厚度为0.30～1.00mm，所述合金层2的材质为铍青铜合金粉烧结而成的铍青铜合金，所述铍青铜合金粉的化学成分按重量百分比计为：铍2～5％，锡5～7％，锌7～8％，余量为铜，所述铍青铜合金粉的粒径小于0.1mm。

实施例2

参照图2所示，本发明的易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料，是由钢板层1和合金层2组成，所述钢板层1和合金层2为里外两层，其中，钢板层1位于里层，合金层2位于外层，所述钢板层1由基层的钢板10和钢板10表面的镀铜层11组成，所述钢板10的材质为碳含量小于0.2％的低碳优质碳素钢，所述镀铜层11的厚度为0.30～1.00mm，所述合金层2的材质为铍青铜合金粉烧结而成的铍青铜合金，所述铍青铜合金粉的化学成分按重量百分比计为：铍2～5％，锡5～7％，锌7～8％，余量为铜，所述铍青铜合金粉的粒径小于0.1mm。

对于板状结构，只需要在钢板层1的使用面烧结上铍青铜合金粉，因此钢板层1和合金层2就形成上下层关系，如图1所示和实施例1所述，位于钢板10和合金层2之间的镀铜层11起到增强钢板层1和合金层2的结合力的作用，而钢板10的其他面上的镀铜层11则可以起到保护内部钢板10的作用；对于轴结构、孔结构或其他形式则是在轴的四周表面、孔的内表面或各受力面烧结上铍青铜合金粉，形成里面(或芯层)是钢板层1、外面受力面是铍青铜的铍青铜-钢双金属轴承材料，因此钢板层1和合金层2就形成里外层关系，如图2所示和实施例2所述，镀铜层11则起到增强钢板层1和合金层2的结合力的作用。

实施例3

生产材料规格为：总厚度2.5×合金层宽度120mm，合金层厚度为0.5mm的易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料板材。

参照图3所示，包括以下步骤：

步骤1、材料准备，包括以下两个步骤：

A、铍青铜合金粉的制备；

按重量百分比为铍2％，锡5％，锌7％和余量为铜进行精确称重配比，混合熔化后采用全封闭式高压水雾化法制成铍青铜合金粉，然后过筛得到粒径小于0.1mm的铍青铜合金粉；

B、钢板的制备；

将碳含量小于0.2％的低碳优质碳素钢板剪切成2.5×126×625mm(厚×宽×长)，经除油、除锈后电镀上一层厚度为0.30mm的镀铜层，然后再冷轧至2.0±0.02×126×780mm，并校平，平面度≤0.5mm；

步骤2、铺粉：按设计的成品为0.5mm的合金层厚度计，铺粉厚度为0.85mm(加工余量为0.35mm)，将制备好的铍青铜合金粉均匀的铺在制备好的钢板上。

该加工余量的设置，是为了弥补铍青铜合金粉在后续烧结工序中的烧损以及轧制工序中对产品厚度的压缩，以确保最终产品的合金层的厚度符合要求。

步骤3、初烧：将铺好粉的钢板放入通有氢气和氮气混合气还原性保护气氛的履带式烧结炉中进行烧结，氢气和氮气的混合体积比为1∶9，烧结温度为800℃，烧结时间为90分钟；

初烧后，合金粉末之间、合金粉末和钢板之间具有一定的结合强度。

步骤4、初轧校平：将初烧后的钢板在冷轧机上进行冷轧，轧制至2.70±0.02mm的厚度，并校平，平面度≤0.5mm；

初轧的目的是为了提高合金层的密度，并且初轧校平后的产品的尺寸精度得以控制，方便后续加工，确保最终产品的高尺寸精度和平整外观。

步骤5、复烧：将初轧校平后的钢板再次放入通有氢气和氮气混合气还原性保护气氛的履带式烧结炉中进行二次烧结，氢气和氮气的混合体积比为1∶9，烧结温度为850℃，烧结时间为90分钟；

复烧后，合金之间、合金和钢板之间的结合强度进一步提高。

步骤6、复轧校平：将复烧后的钢板再次在冷轧机上进行冷轧，轧制至2.60±0.02mm的厚度，并校平，平面度≤0.5mm；

复轧的目的是为了进一步提高合金层的密度，并且复轧校平后的产品的尺寸精度得以控制，方便后续加工，确保最终产品的高尺寸精度和平整外观。

步骤7、退火处理：将复轧校平后的钢板，在氢气和氮气混合气还原性保护气氛下进行退火处理，退火温度为400℃，退火时间为60分钟；

退火处理后，板材的硬度有所下降，结合强度更好，弯曲性能提升，即使将板材90度翻边也不会开裂、不脱层。

步骤8、精轧校平：将退火处理后的钢板再次在冷轧机上进行精轧，轧制至2.50±0.01mm的厚度，并校平，平面度≤0.5mm。

经精轧校平后得到的最终产品，合金层的密度进一步提高，并且符合所要求的易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料板材的厚度，产品的尺寸精度高，外观平整。

实施例4

生产材料规格为：总厚度3.5×合金层宽度100mm，合金层厚度为0.80mm的易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料板材。

参照图3所示，包括以下步骤：

步骤1、材料准备，包括以下两个步骤：

A、铍青铜合金粉的制备；

按重量百分比为铍5％，锡7％，锌8％和余量为铜进行精确称重配比，混合熔化后采用全封闭式高压水雾化法制成铍青铜合金粉，然后过筛得到粒径小于0.1mm的铍青铜合金粉；

B、钢板的制备；

将碳含量小于0.2％的低碳优质碳素钢板剪切成3.5×106×600mm，经除油、除锈后电镀上一层厚度为1.00mm的镀铜层，然后再冷轧至3.0±0.02mm厚度，并校平，平面度≤0.5mm；

步骤2、铺粉：按设计的成品为0.8mm的合金层厚度计，铺粉厚度为1.8mm(加工余量为1.0mm)，将制备好的铍青铜合金粉均匀的铺在制备好的钢板上。

该加工余量的设置，是为了弥补铍青铜合金粉在后续烧结工序中的烧损以及轧制工序中对产品厚度的压缩，以确保最终产品的合金层的厚度符合要求。

步骤3、初烧：将铺好粉的钢板放入通有氢气和氮气混合气还原性保护气氛的履带式烧结炉中进行烧结，氢气和氮气的混合体积比为1∶9，烧结温度为900℃，烧结时间为30分钟；

初烧后，合金粉末之间、合金粉末和钢板之间具有一定的结合强度。

步骤4、初轧校平：将初烧后的钢板在冷轧机上进行冷轧，轧制至3.80±0.02mm的厚度，并校平，平面度≤0.5mm；

初轧的目的是为了提高合金层的密度，并且初轧校平后的产品的尺寸精度得以控制，方便后续加工，确保最终产品的高尺寸精度和平整外观。

步骤5、复烧：将初轧校平后的钢板再次放入通有氢气和氮气混合气还原性保护气氛的履带式烧结炉中进行二次烧结，氢气和氮气的混合体积比为1∶9，烧结温度为950℃，烧结时间为30分钟；

复烧后，合金之间、合金和钢板之间的结合强度进一步提高。

步骤6、复轧校平：将复烧后的钢板再次在冷轧机上进行冷轧，轧制至3.60±0.02mm的厚度，并校平，平面度≤0.5mm；

复轧的目的是为了进一步提高合金层的密度，并且复轧校平后的产品的尺寸精度得以控制，方便后续加工，确保最终产品的高尺寸精度和平整外观。

步骤7、退火处理：将复轧校平后的钢板，在氢气和氮气混合气还原性保护气氛下进行退火处理，退火温度为600℃，退火时间为45分钟；

退火处理后，板材的硬度有所下降，结合强度更好，弯曲性能提升，即使将板材90度翻边也不会开裂、不脱层。

步骤8、精轧校平：将退火处理后的钢板再次在冷轧机上进行精轧，轧制至3.50±0.01mm的厚度，并校平，平面度≤0.5mm。

经精轧校平后得到的最终产品，合金层的密度进一步提高，并且符合所要求的易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料板材的厚度，产品的尺寸精度高，外观平整。

实施例5

生产材料规格为：总厚度5.0×合金层宽度140mm，合金层厚度为1.5mm的易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料板材。

参照图3所示，包括以下步骤：

步骤1、材料准备，包括以下两个步骤：

A、铍青铜合金粉的制备；

按重量百分比为铍3.5％，锡6％，锌7.5％和余量为铜进行精确称重配比，混合熔化后采用全封闭式高压水雾化法制成铍青铜合金粉，然后过筛得到粒径小于0.1mm的铍青铜合金粉；

B、钢板的制备；

将碳含量小于0.2％的低碳优质碳素钢板剪切成5.0×146×650mm，经除油、除锈后电镀上一层厚度为0.50mm的镀铜层，然后再冷轧至4.5±0.02mm厚度，并校平，平面度≤0.5mm；

步骤2、铺粉：按设计的成品为1.5mm的合金层厚度计，铺粉厚度为1.9mm(加工余量为0.4mm)，将制备好的铍青铜合金粉均匀的铺在制备好的钢板上。

该加工余量的设置，是为了弥补铍青铜合金粉在后续烧结工序中的烧损以及轧制工序中对产品厚度的压缩，以确保最终产品的合金层的厚度符合要求。

步骤3、初烧：将铺好粉的钢板放入通有氢气和氮气混合气还原性保护气氛的履带式烧结炉中进行烧结，氢气和氮气的混合体积比为1∶9，烧结温度为850℃，烧结时间为60分钟；

初烧后，合金粉末之间、合金粉末和钢板之间具有一定的结合强度。

步骤4、初轧校平：将初烧后的钢板在冷轧机上进行冷轧，轧制至6.0±0.02mm的厚度，并校平，平面度≤0.5mm；

初轧的目的是为了提高合金层的密度，并且初轧校平后的产品的尺寸精度得以控制，方便后续加工，确保最终产品的高尺寸精度和平整外观。

步骤5、复烧：将初轧校平后的钢板再次放入通有氢气和氮气混合气还原性保护气氛的履带式烧结炉中进行二次烧结，氢气和氮气的混合体积比为1∶9，烧结温度为900℃，烧结时间为60分钟；

复烧后，合金之间、合金和钢板之间的结合强度进一步提高。

步骤6、复轧校平：将复烧后的钢板再次在冷轧机上进行冷轧，轧制至5.7±0.02mm的厚度，并校平，平面度≤0.5mm；

复轧的目的是为了进一步提高合金层的密度，并且复轧校平后的产品的尺寸精度得以控制，方便后续加工，确保最终产品的高尺寸精度和平整外观。

步骤7、退火处理：将复轧校平后的钢板，在氢气和氮气混合气还原性保护气氛下进行退火处理，退火温度为500℃，退火时间为50分钟；

退火处理后，板材的硬度有所下降，结合强度更好，弯曲性能提升，即使将板材90度翻边也不会开裂、不脱层。

步骤8、精轧校平：将退火处理后的钢板再次在冷轧机上进行精轧，轧制至5.5±0.01mm的厚度，并校平，平面度≤0.5mm。

经精轧校平后得到的最终产品，合金层的密度进一步提高，并且符合所要求的易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料板材的厚度，产品的尺寸精度高，外观平整。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料，是由钢板层和合金层组成，其特征在于：所述钢板层和合金层为上下两层或里外两层，其中，钢板层位于里层，合金层位于外层，所述钢板层由基层的钢板和钢板表面的镀铜层组成，所述钢板的材质为碳含量小于0.2％的低碳优质碳素钢，所述镀铜层的厚度为0.30～1.00mm，所述合金层的材质为铍青铜合金粉烧结而成的铍青铜合金，所述铍青铜合金粉的化学成分按重量百分比计为：铍2～5％，锡5～7％，锌7～8％，余量为铜，所述铍青铜合金粉的粒径小于0.1mm。

2.一种易成型环保铍青铜-钢双金属轴承材料的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、材料准备，包括以下两个步骤：

A、铍青铜合金粉的制备；

按重量百分比为铍2～5％，锡5～7％，锌7～8％和余量为铜进行精确称重配比，混合熔化后采用全封闭式高压水雾化法制成铍青铜合金粉，然后过筛得到粒径小于0.1mm的铍青铜合金粉；

B、钢板的制备；

将碳含量小于0.2％的低碳优质碳素钢板剪切下料，经除油、除锈后铺上一层厚度为0.30～1.00mm的镀铜层，然后再冷轧校平至所需厚度，并控制厚度公差为±0.02mm，平面度≤0.5mm；

步骤2、铺粉：将制备好的铍青铜合金粉均匀的铺在制备好的钢板上，粉末厚度根据合金层所需厚度加0.30～1.00mm的加工余量而定；

步骤3、初烧：将铺好粉的钢板放入通有氢气和氮气混合气还原性保护气氛的履带式烧结炉中进行烧结，氢气和氮气的混合体积比为1∶9，烧结温度为800～900℃，烧结时间为30～90分钟；

步骤4、初轧校平：将初烧后的钢板在冷轧机上进行冷轧校平至所需厚度，并控制厚度公差为±0.02mm，平面度≤0.5mm；

步骤5、复烧：将初轧校平后的钢板再次放入通有氢气和氮气混合气还原性保护气氛的履带式烧结炉中进行二次烧结，氢气和氮气的混合体积比为1∶9，烧结温度为850～950℃，烧结时间为30～90分钟；

步骤6、复轧校平：将复烧后的钢板再次在冷轧机上进行冷轧校平至所需厚度，并控制厚度公差为±0.02mm，平面度≤0.5mm；

步骤7、退火处理：将复轧校平后的钢板，在氢气和氮气混合气还原性保护气氛下进行退火处理，退火温度为400～600℃，退火时间为45～60分钟；

步骤8、精轧校平：将退火处理后的钢板再次在冷轧机上进行精轧校平至所需厚度，并控制厚度公差为±0.01mm，平面度≤0.3mm。

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