CN108747229A - 一种用于制备滑动轴承的多层金属材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制备滑动轴承的多层金属材料，该多层金属材料的表层为锡基合金，其成分如下：4‑11%Sb,3‑8%Cu,0.1‑0.5%Mg,0.1‑0.5%Li,余量为Sn;该多层金属材料的衬背为锡青铜合金，其成分如下：4‑8%Sn，0.5‑1.5%Ni，0.5‑1%P，余量为Cu；该多层金属材料的中间过渡层为纯镍层。本发明的合金经过连铸、高温退火和轧制后屈服强度达到350‑400MPa，伸长率在15%左右，并且具有良好的耐腐蚀性能；解决了铜基耐磨材料和锡基减磨材料的冶金结合质量问题，具有较高的疲劳强度；堆焊的纯镍层有效阻止了Sn和Cu相互扩散在结合层形成脆性电子化合物，同时镍金属层具有较高的强度和良好的塑性，提高滑动轴承的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于机械滑动轴承的技术领域，尤其涉及一种用于制备多层金属材料及其制备方法。
背景技术
随着我国制造业的高速发展以及城市化的快速推进，作为“通用机械”的压缩机在金、石油化工、天然气输送、其他工业生产及大型商用所需动力等部门，如动力部门中燃气轮机组、工业生产中所需压缩空气动力设备、制冷和气体分离工业设备、化工中的高压聚合和石油加氢精制以及气体输送等气体加压设备。随着制造业和国防工业的技术要求日益提高，具有高速度、高压力、大流量以及大功率的高性能压缩机是主要发展方向。
滑动轴承是保证机械传动结构长期高效运转的关键性零件，离心压缩机对轴承要求安全可靠、运行稳定、抗震性好、使用寿命长。离心压缩机上的滑动轴承采用可倾瓦和止推瓦形式轴承。大部分都采用低碳钢作为衬背材料，通过镀锡并采用浇铸的方法形成一层巴氏合金层，精加工后获得所需形状的轴瓦或瓦块。随着离心压缩机高速度、高负荷的技术要求，目前转速在10000rpm以上的采用40CrNiMo作为衬背材料，通过同样的浇铸工艺制备所需要的可倾瓦和止推瓦瓦块，这种制备工艺脱瓦率高、复层金属接合强度低、易出现铸造缺陷等。还有一些离心水(油)泵设备上止推瓦为了提高轴承耐腐性性、耐磨性和使用寿命，采用锡磷巴氏作为衬背材料浇铸一层巴氏合金来制备止推瓦，除了上述铸造缺陷外，结合层会析出CuSn3脆性相，结合层的疲劳强度急剧下降，降低轴瓦使用寿命。
针对铸造工艺制备瓦块的缺点，提高生产效率，近些年来在生产中采用TIG焊或MIG焊工艺在衬背材料上堆焊一层巴氏合金耐磨层，制备双金属轴瓦瓦块。由于衬背材料40CrNiMo的较高淬透性，焊接过程中会在结合层附近产生淬硬层，加剧了材料性能的不均匀性，降低了轴瓦的疲劳寿命；而衬背材料为锡磷巴氏时，不仅结合层析出大量的CuSn3脆性相，使用过程中常常发生耐磨层脱落，大大降低了轴瓦使用寿命，同时会在耐磨层生成大量的粗大针状Cu6Sn5化合物，大大提高耐磨层硬度，不利用减磨作用。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种用于制备多层金属材料及其制备方法，应于高转速、高负荷的离心压缩机所需要的多层复合的铜基轴瓦材料，用于制备径向可倾瓦和止推瓦等类型的滑动轴瓦，这种铜基轴瓦相对于低合金钢或低碳钢为基体的瓦块，具有较高的强度、良好的导热性，以及基体材料本身就是良好的耐磨材料，提高压缩机主轴的安全使用寿命。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于制备滑动轴承的多层金属材料，该多层金属材料的表层为锡基合金，其成分如下：4-11%Sb, 3-8%Cu, 0.1-0.5%Mg, 0.1-0.5%Li,余量为Sn;该多层金属材料的衬背为锡青铜合金，其成分如下：4-8%Sn，0.5-1.5%Ni，0.5-1%P，余量为Cu；该多层金属材料的中间过渡层为纯镍层。
优选的，所述镍层的厚度为0.1-0.5mm。
一种用于制备滑动轴承的多层金属材料的制备方法，包括如下步骤：
（一）将衬背材料机加工到要求尺寸后除油脂烘干，用纯镍焊丝对锡青合金表面进行MIG堆焊，机加工后得到1-2mm的纯镍层，其中纯镍焊丝MIG堆焊的加工条件为：电流120-160A，电压为19-25V，焊接速度为50-90cm/min；
（二）采用着色渗透和超声波探伤相结合检测堆焊层和结合层的质量，合格后进行巴氏合金层堆焊；
（三）纯镍层上进行MIG堆焊巴氏合金层焊缝外观质量检验合格后进行多层堆焊达到所需厚度，其中，巴氏合金层MIG堆焊的工加工条件为：电流60-110A，电压为16-21V，焊接速度为10-30cm/min；
（四）切削去除加工余量后，采用着色渗透和超声波探伤相结合检测堆焊层和结合层的质量，合格后进行精加工达到所需尺寸，并对巴氏合金层表面进行研磨至所需精度；
（五）最后切割成所需形状，根据要求对衬背材料进行表面研磨。
优选的，所述MIG焊丝的直径为1.0-1.6mm,成分包含：4-11%Sb, 3-8%Cu, 0.1-0.5%Ag, 0.1-0.5%Ni,余量为Sn。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
（1）提供了一种耐蚀性强、强度和导热率都较高的滑动轴承材料。本发明的合金经过连铸、高温退火和轧制后屈服强度达到350-400MPa，伸长率在15%左右，并且具有良好的耐腐蚀性能，用来替代目前常用的衬背材料低碳钢或者低合金钢以及铸铁等。
（2）解决了铜基耐磨材料和锡基减磨材料的冶金结合质量问题。采用MIG焊接工艺焊接一层纯镍层，杜绝了铜基金属直接堆焊巴氏合金层产生的脆性相，并有效阻止使用过程中金属元素Sn扩散到铜层中在结合层形成脆性相。同时多层金属结合强度超过80MPa，具有较高的疲劳强度。
（3）解决了铜基衬背和巴氏合金双金属材料在长期服役过程中Sn元素和Cu元素相互扩散在结合层形成脆性相的问题。堆焊的纯镍层有效阻止了Sn和Cu相互扩散在结合层形成脆性电子化合物，同时镍金属层具有较高的强度和良好的塑性，从而提高轴承的使用寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明所述的一种用于制备滑动轴承的多层金属材料，该多层金属材料的表层为锡基合金，其成分如下：4-11%Sb, 3-8%Cu, 0.1-0.5%Mg, 0.1-0.5%Li,余量为Sn;该多层金属材料的衬背为锡青铜合金，其成分如下：4-8%Sn，0.5-1.5%Ni，0.5-1%P，余量为Cu；该多层金属材料的中间过渡层为纯镍层；所述镍层的厚度为0.1-0.5mm。
一种用于制备滑动轴承的多层金属材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（一）将衬背材料机加工到要求尺寸后除油脂烘干，用纯镍焊丝对锡青合金表面进行MIG堆焊，机加工后得到1-2mm的纯镍层，其中纯镍焊丝MIG堆焊的加工条件为：电流120-160A，电压为19-25V，焊接速度为50-90cm/min；
（二）采用着色渗透和超声波探伤相结合检测堆焊层和结合层的质量，合格后进行巴氏合金层堆焊；
（三）纯镍层上进行MIG堆焊巴氏合金层焊缝外观质量检验合格后进行多层堆焊达到所需厚度，其中，巴氏合金层MIG堆焊的工加工条件为：电流60-110A，电压为16-21V，焊接速度为10-30cm/min；
（四）切削去除加工余量后，采用着色渗透和超声波探伤相结合检测堆焊层和结合层的质量，合格后进行精加工达到所需尺寸，并对巴氏合金层表面进行研磨至所需精度；
（五）最后切割成所需形状，根据要求对衬背材料进行表面研磨。
所述MIG焊丝的直径为1.0-1.6mm,成分包含：4-11%Sb, 3-8%Cu, 0.1-0.5%Ag,0.1-0.5%Ni,余量为Sn
实施例一：
用于20000rpm转速离心压缩机，轴颈直径为50mm的可倾瓦瓦块，其加工步骤如下：
衬背铜合金管的化学成分为4%Sn，0.8%Ni，0.6%P，余量为Cu；机加工到要求尺寸后铜合金管除油除脂烘干，然后采用ERNi-1焊丝在管道内壁进行堆焊，使用脉冲MIG焊工艺，利用多工位机械手和变位机相结合，焊枪偏离最低点2mm。焊接工艺参数如下：电流140A，电压为22V，变位机的旋转线速度为60cm/min。堆焊层厚度在0.6~1.0mm，焊层表面质量合格后进行机加工镍层厚度至0.3mm，采用着色渗透和超声波探伤相结合检测堆焊层和结合层的质量，合格后进行巴氏合金层堆焊，焊丝材质为8%Sb,4%Cu,0.3%Ag,0.3%Ni,余量为Sn，使用脉冲MIG焊工艺，利用多工位机械手和变位机相结合。工艺参数如下：电流90A，电压为19V，变位机的旋转线速度为22cm/min。堆焊层厚度在1.2-1.6mm，焊缝外观质量检验合格后进行多层堆焊达到所需厚度。切削去除加工余量后，采用着色渗透和超声波探伤相结合检测堆焊层和结合层的质量，合格后进行精加工达到所需尺寸，并对巴氏合金层表面进行研磨至所需精度。最后切割成可倾瓦瓦块，根据要求对衬背材料进行表面研磨。
实施例2
用于离心式注水泵，轴颈直径为50mm用止推瓦瓦块。
衬背铜合金法兰的化学成分为8%Sn，1.0%Ni，0.6%P，余量为Cu；机加工到要求尺寸后铜合金法兰板面除油除脂烘干，然后采用ERNi-1焊丝在板面进行堆焊，使用脉冲MIG焊工艺，利用多工位焊接机器人由外向内进行圆周堆焊，焊缝间距为3mm。工艺参数如下：电流160A，电压为25V，焊枪圆周运动线速度为80cm/min。堆焊层厚度在0.8-1.1mm，焊层表面质量合格后进行机加工镍层厚度至0.5mm，采用着色渗透和超声波探伤相结合检测堆焊层和结合层的质量，合格后进行巴氏合金层堆焊，焊丝材质为11%Sb, 6%Cu, 0.3%Ag, 0.3%Ni,余量为Sn，使用脉冲MIG焊工艺，利用多工位机械手和变位机相结合。工艺参数如下：电流110A，电压为21V，焊枪圆周运动线速度为28cm/min。堆焊层厚度在1.7-2.0mm，焊缝外观质量检验合格后进行多层堆焊达到所需厚度。切削去除加工余量后，采用着色渗透和超声波探伤相结合检测堆焊层和结合层的质量，合格后进行精加工达到所需尺寸，并对巴氏合金层表面进行研磨至所需精度。最后切割成所需形状的止推瓦瓦块，根据要求对衬背材料进行表面研磨。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于制备滑动轴承的多层金属材料，其特征在于：该多层金属材料的表层为锡基合金，其成分如下：4-11%Sb, 3-8%Cu, 0.1-0.5%Mg, 0.1-0.5%Li,余量为Sn;该多层金属材料的衬背为锡青铜合金，其成分如下：4-8%Sn，0.5-1.5%Ni，0.5-1%P，余量为Cu；该多层金属材料的中间过渡层为纯镍层。
2.根据权利要求1所述的用于制备滑动轴承的多层金属材料，其特征在于：所述镍层的厚度为0.1-0.5mm。
3.如权利要求1所述的一种用于制备滑动轴承的多层金属材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将衬背材料机加工到要求尺寸后除油脂烘干，用纯镍焊丝对锡青合金表面进行MIG堆焊，机加工后得到1-2mm的纯镍层，其中纯镍焊丝MIG堆焊的加工条件为：电流120-160A，电压为19-25V，焊接速度为50-90cm/min；
采用着色渗透和超声波探伤相结合检测堆焊层和结合层的质量，合格后进行巴氏合金层堆焊；
纯镍层上进行MIG堆焊巴氏合金层焊缝外观质量检验合格后进行多层堆焊达到所需厚度，其中，巴氏合金层MIG堆焊的工加工条件为：电流60-110A，电压为16-21V，焊接速度为10-30cm/min；
切削去除加工余量后，采用着色渗透和超声波探伤相结合检测堆焊层和结合层的质量，合格后进行精加工达到所需尺寸，并对巴氏合金层表面进行研磨至所需精度；
最后切割成所需形状，根据要求对衬背材料进行表面研磨。
4.根据权利要求3所述的用于制备滑动轴承的多层金属材料的制备方法，其特征在于：所述MIG焊丝的直径为1.0-1.6mm,成分包含：4-11%Sb, 3-8%Cu, 0.1-0.5%Ag, 0.1-0.5%Ni,余量为Sn。
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2018
- 2018-07-31 CN CN201810854913.8A patent/CN108747229A/zh active Pending
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