CN110004324B

CN110004324B - 一种用于电弧沉积的环保高承载锡基巴氏合金材料

Info

Publication number: CN110004324B
Application number: CN201910220872.1A
Authority: CN
Inventors: 周健; 孙凯; 陈晨; 薛烽; 白晶
Original assignee: ZHANGJIAGANG DONGDA INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE; Southeast University
Current assignee: ZHANGJIAGANG DONGDA INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE; Southeast University
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2021-03-09
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: CN110004324A

Abstract

本发明公开了一种用于电弧沉积的环保高承载锡基巴氏合金材料，解决了现有巴氏合金承载能力差，疲劳强度低的问题，包括以下质量百分比的各组分：Sb：6‑15％，Cu：2‑8％，Zn：0.1‑3.0％，Ag：0.1‑2.0％，余量为Sn；电弧沉积后，锡基巴氏合金方形SnSb相的平均尺寸小于10um，弥散的Cu6Sn5相没有任何取向性。本发明将Zn，Ag加入锡基巴氏合金中，代替目前常用的巴氏合金合金化元素As，Cd等对环境有很大污染的元素，本发明的巴氏合金不仅细化了晶粒，提高了耐磨性，还具有优良的韧性，可焊性；在电弧沉积过程中使用可大大减少飞溅物，焊缝外观美观整齐，所得沉积层承载能力强，疲劳强度高。

Description

一种用于电弧沉积的环保高承载锡基巴氏合金材料

技术领域

本发明属于锡基巴氏合金技术领域，具体涉及一种用于电弧沉积技术的环保高承载锡基巴氏合金。

背景技术

在工程实践中，轴承的承载能力通常是指在给定条件下使结构丧失工作性能的极限载荷，对于一定类型的滑动轴承，其承载能力可按引起轴承材料塑性流动的载荷确定；内燃机滑动轴承的承载能力通常以其使用轴承材料的比压力 (轴承载荷/轴承的投影面积)表示。而轴承材料的疲劳强度是指在轴瓦工作条件下，在长时间循环应力下，在一定的时间后失效的强度。因此，承载能力和疲劳强度与材料的硬度、抗拉强度等有密切的联系。锡基巴氏合金是一种重要的轴承材料，广泛用于低速滑动轴承耐磨层，它具有减磨性好、耐腐蚀、最好的兼容性、顺应性和嵌藏性等优点。

CMT(冷金属过渡)电弧沉积技术是在MIG焊(熔化极惰性气体保护电弧焊) 的基础上发展的更加有效率、热输入量更小的技术，焊丝送给运动与熔滴过渡过程通过数字化的形式进行了有效的配合，是一种控制更为精确的工艺技术，在熔滴过渡的时候，电流可以控制为零，接头结合强度更高，代表了巴氏合金层制备的发展新方向。

锡基巴氏合金作为一种轴瓦材料，虽然已经有着多年的应用，但是它具有承载能力差、疲劳强度低、使用寿命较短且不能在重载条件下广泛应用的缺点，这些缺点一方面是材料本身性能缺陷，所以本专利的主题是通过添加新的元素改善其承载能力。另一方面，是由于生产加工方法过于落后，目前巴氏合金轴瓦的常规生产方法是离心铸造法，由于重力原因，离心铸造生产的巴氏合金轴瓦会有非常明显的组织偏析、不均匀等现象，这也是传统巴氏合金轴瓦寿命短，质量差的主要原因，巴氏合金轴瓦作为一种保护轴承的保险型材料，它的性能取决于很多因素，而组织的不均匀对其整体性能伤害很大，就像是木桶不能有短板一样，好的材料用落后的方法一样得不到好的产品。

中国专利申请，申请号CN201110173459.8，申请日20110624，申请公布号CN102220516A，申请公布日20111019，公开了一种高塑性锡基巴氏合金，按质量百分比由0.05％～1.5％的Gd、6％～10％的Sb、1％～6％的Cu、0.5％～1％的Ag和余量的Sn。解决了现有中高锑锡基巴氏合金高温强度低，塑性差的问题。本发明将Gd加入锡基巴氏合金中能够提升合金的塑韧性。与现有的锡基巴氏合金相比，相同测试条件下，延伸率提高了10％～20％，室温强度提高了8％～18％，200℃高温强度提高了12％～20％，耐磨性能提高了35％以上。可作为轴瓦材料，也可将其拉拔成丝用于熔敷材料。

中国专利申请，申请号CN201110173471.9，申请日20110624，申请公布号CN102242293A，申请公布日20111116，公开了一种锡基巴氏合金，按质量百分比由0.02％～1.2％的Ce、12％～15％的Sb、1％～5％的Cu、0.5％～2％的Ag和余量的Sn组成，本发明解决了现有高锑锡基巴士合金高温强度低、塑性相对较差的问题。本发明将稀土元素Ce加入到锡基巴氏合金中改善了巴氏合金的塑韧性。与现有的锡基巴氏合金相比，相同测试条件下，本发明锡基巴氏合金延伸率提高了8％～15％，室温强度提高了5％～15％，200℃高温强度提高了10％～15％，耐磨性能提高了30％以上。可作为轴瓦材料，也可将其拉拔成丝用于熔敷材料。

上述两篇技术方案分别利用稀土元素Gd和Ce来提高巴氏合金的塑韧性，对于锡基巴氏合金的承载性能及硬度没有得到提升，不适合采用电弧沉积技术进行应用。正如前面说到的一样，提高塑性韧性的材料方案用CMT技术这个冷却速度快的工艺上，会损害材料的塑性韧性，因为塑性韧性本身与材料的承载能力就是有矛盾的，在材料学上，没有很好的方法可以同时提高强度又能提高塑性，因为强度高意味着硬度高，变硬自然会使塑性变差。而巴氏合金这种材料如果应用在低承载能力上，是足够的，但是现在轴瓦材料发展的趋势是重载高速，迄今为止，巴氏合金依然具有最好的表面性能，包括嵌藏性，顺应性，摩擦性能等，这是做轴瓦非常重要的性能，因为轴瓦本身就是和轴通过油膜接触的部分，时时刻刻受到油摩擦和冲刷。因此，最好的表面性能如果能有合格的承载能力，巴氏合金即可取代传统的铜等材料，在重载轴瓦材料上占有一席之地。上面两篇技术方案解决的问题是高温下的性能，但是在重载高速下的性能，比如应用于大型船舶，军工产品等，仍然处于探索研究阶段。

发明内容

本发明的目的在于解决现有锡基巴氏合金承载性能差，疲劳强度低，不环保的问题，提供一种适用于电弧沉积技术的锡基巴氏合金材料。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种用于电弧沉积的环保高承载锡基巴氏合金材料，包括以下重量百分比的各组分：Sb：6％-15％，Cu：2％-8％，Zn：0.1％-3.0％，Ag：0.05％-2.0％，余量为Sn；所述锡基巴氏合金方形SnSb相的平均尺寸小于10微米，弥散的Cu6Sn5 相没有任何取向性。

作为一种优选的技术方案，所述锡基巴氏合金包括以下质量百分比的各组分：Sb：6％-15％，Cu：2％-8％，Zn：0.1％-3.0％，Ag：0.1％-0.5％，余量为Sn。

作为一种优选的方案，所述锡基巴氏合金含有Zn的质量百分比为0.6-2.0％， Ag的质量百分比为0.1-1.0％。

作为一种优选的方案，所述锡基巴氏合金含有Zn的质量百分比为0.6-2.0％， Ag的质量百分比为0.2-0.4％。

本发明的锡基巴氏合金材料在使用电弧沉积技术制备合金层时，除了 Ag的形核细化作用之外，Zn对于整个组织的细化作用并非是常规的形核质点变多的机理，由于Zn是低熔点元素，在βSn中的溶解度也很低，因此无法像某些高熔点元素一样优先生成形核质点，这是由于Zn的加入进一步减小了该合金的βSn相凝固温度范围，在使用电弧沉积的工艺下，凝固过程极短，β相(SnSb) 和η相(Cu6Sn5)的大小将从形核与长大两方面得到抑制。方形的β相(SnSb) 边长由100微米减小到10微米左右，细化效果非常明显，同时η相(Cu6Sn5)的分布变得更加均匀，这样两种硬质相在软基体Sn内起到了突出的承载作用，同时，Ag的加入生成了Ag3Sn等新相，聚集在η相上起到了强化作用，而Zn大量聚集在η相中，形成固溶强化，将锡基巴氏合金层承载能力再次提高。在扫描显微镜(SEM)上观察得到了证实。

本发明的有益效果是将Zn、Ag加入锡基巴氏合金中，代替目前常用的巴氏合金合金化元素As、Cd等对环境有很大污染的元素；利用Zn与Cu的同族性，使其渗入到锡基巴氏合金的η相(Cu6Sn5)中，不仅细化了晶粒，提高了锡基巴氏合金的承载能力、硬度、耐磨性，还具有优良的韧性，可焊性；在电弧沉积过程中使用本材料可以大大减少飞溅物，焊缝外观美观整齐，所得沉积层承载能力强，疲劳强度高。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1为本发明锡基巴氏合金中不同Zn含量对合金硬度的影响。

图2为本发明锡基巴氏合金中不同Zn含量对双金属抗拉强度的影响。

图3为现有技术ZChSnSb11-6使用CMT技术电弧沉积熔覆层金相图。

图4为本发明实施例1的锡基巴氏合金使用CMT技术电弧沉积熔覆层金相图。

图5为本发明实施例1的锡基巴氏合金扫描电镜照片。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步详细描述，但不因此限制本发明的范围。

如图1所示，本发明锡基巴氏合金中不同Zn含量对合金硬度的影响。在Ag 的含量为0.2wt％时，Zn含量从0增加到1.4wt％的过程中，本发明锡基巴氏合金硬度从29HB提高到了41HB。证明了Zn元素的加入对提高合金硬度有着明显的效果。

如图2所示，本发明锡基巴氏合金中不同Zn含量对双金属抗拉强度的影响。在Ag的含量为0.2wt％时，Zn含量从0增加到1.4wt％的过程中，本发明锡基巴氏合金抗拉强度从900MPa提高到了1125MPa。证明了Zn元素的加入对提高合金抗拉强度有着明显的效果。可以证明本发明锡基巴氏合金的强度更高。

实施例1：一种用于电弧沉积的环保高承载锡基巴氏合金材料，该材料包括以下质量百分比的各组分：Sb：11.5％，Cu：6.1％，Zn：1.5％，Ag：0.2％，余量为Sn。由此实施例得到的锡基巴氏合金涂覆层硬度为39HB，普通ZChSnSb11-6 为29HB，相比提高了34.5％。将本实施例中制备得到的锡基巴氏合金双金属制成拉伸试样，试样在CMT5105微机控制电子万能试验机上测定拉伸强度，拉伸速率为1mm/min，抗拉强度为1105-1180Mpa，与普通ZChSnSb11-6相比，双金属的抗拉强度提高了22.8-31.1％。

由图3、图4观察可知，本发明锡基巴氏合金材料在电弧沉积技术下晶粒得到了显著的细化。组织细小，分布均匀，没有取向性。

由图5观察可知，本发明锡基巴氏合金材料在电弧沉积技术下Zn元素分布在Cu元素位置处，即本发明锡基巴氏合金加入的Zn元素主要通过强化Cu6Sn5 相实现提高强度硬度和承载能力的效果。

实施例2：一种用于电弧沉积的环保高承载锡基巴氏合金材料，该材料包括以下质量百分比的各组分：Sb：11.5％，Cu：6.2％，Zn：1.0％，Ag：0.1％，余量为Sn。此实施例得到的巴氏合金涂覆层硬度为38HB，普通ZChSnSb11-6为29HB，相比提高了31％。采用与实施例1相同的测试方法，对本实施例的锡基巴氏合金进行性能测试，得到抗拉强度为1101-1150Mpa，与普通ZChSnSb11-6相比，双金属的抗拉强度提高了22.7-27.8％。

实施例3：一种用于电弧沉积的环保高承载锡基巴氏合金材料，该材料包括以下质量百分比的各组分：Sb：11.5％，Cu：6.5％，Zn：1.5％，Ag：0.5％，余量为Sn。此实施例得到的巴氏合金涂覆层硬度为36.5HB，普通ZChSnSb11-6为 29HB，相比提高了28.5％。采用与实施例1相同的测试方法，对本实施例的锡基巴氏合金进行性能测试，得到抗拉强度为1060-1127Mpa，与普通ZChSnSb11-6 相比，双金属的抗拉强度提高了17.8-25.2％。

在本申请文件中提到的ZChSnSb11-6或普通ZChSnSb11-6均为同一物质，在巴氏合金国家标准里面有这一个牌号，所以本领域技术人员在看到 ZChSnSb11-6或普通ZChSnSb11-6这一牌号时会想到具体的物质标准，本发明通过与现有的普通ZChSnSb11-6和本专利的巴氏合金进行对比区分。

以上三个实例中的材料硬度和抗拉强度相比于ZChSnSb11-6均有明显提高。

本发明技术方案不限于以上三个实例所举具体实施方式，还包括各具体实施方式的任意组合。

实施例4

发明人设计了一组证明本发明锡基巴氏合金高承载性优点的实验：将电弧沉积后的本发明高承载锡基巴氏合金-钢背复合试样与普通锡基巴氏合金-钢背复合试样在巴氏合金轴瓦较高服役温度(100℃左右)下进行高温压缩实验，其试验结果如表1所示。

表1Ag含量0.2wt％不同Zn含量下的高温抗压强度

Zn含量(wt％)	0	0.6	1	1.4
					抗压强度(MPa)	55	70	82	90

结果表明，本发明的高承载巴氏合金-钢背复合试样的抗压强度比普通巴氏合金-钢背复合试样高出60％以上，实验结果证明了本发明的高承载的特点。

上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于电弧沉积的环保高承载锡基巴氏合金材料，其特征在于：包括以下重量百分比的各组分：Sb：11.5%，Cu：6.1%，Zn：1.5%，Ag：0.2%，余量为Sn；所述锡基巴氏合金方形SnSb相的平均尺寸小于10微米，弥散的Cu6Sn5相没有任何取向性。

2.一种用于电弧沉积的环保高承载锡基巴氏合金材料，其特征在于：包括以下重量百分比的各组分：Sb：11.5%，Cu：6.2%，Zn：1.0%，Ag：0.1%，余量为Sn；所述锡基巴氏合金方形SnSb相的平均尺寸小于10微米，弥散的Cu6Sn5相没有任何取向性。

3.一种用于电弧沉积的环保高承载锡基巴氏合金材料，其特征在于：包括以下重量百分比的各组分：Sb：11.5%，Cu：6.5%，Zn：1.5%，Ag：0.5%，余量为Sn；所述锡基巴氏合金方形SnSb相的平均尺寸小于10微米，弥散的Cu6Sn5相没有任何取向性。