CN110406201B - 一种自润滑双金属层状复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
一种自润滑双金属层状复合材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110406201B CN110406201B CN201910773147.7A CN201910773147A CN110406201B CN 110406201 B CN110406201 B CN 110406201B CN 201910773147 A CN201910773147 A CN 201910773147A CN 110406201 B CN110406201 B CN 110406201B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- composite material
- lubricating
- self
- steel substrate
- bimetal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 118
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 81
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 81
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 51
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 49
- 229910001128 Sn alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 45
- ZWFRZGJUJSOHGL-UHFFFAOYSA-N [Bi].[Cu].[Sn] Chemical compound [Bi].[Cu].[Sn] ZWFRZGJUJSOHGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 45
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000013329 compounding Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000002648 laminated material Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 52
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 45
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 37
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 35
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 claims description 30
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 24
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 claims description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 10
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 7
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 7
- 229910016338 Bi—Sn Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001152 Bi alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 8
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 8
- QAAXRTPGRLVPFH-UHFFFAOYSA-N [Bi].[Cu] Chemical compound [Bi].[Cu] QAAXRTPGRLVPFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 abstract description 6
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 35
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 8
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910000978 Pb alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- WIKSRXFQIZQFEH-UHFFFAOYSA-N [Cu].[Pb] Chemical compound [Cu].[Pb] WIKSRXFQIZQFEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 6
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 6
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 6
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 5
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 4
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 4
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 4
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 3
- 238000009749 continuous casting Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 3
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
- B32B15/012—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic one layer being formed of an iron alloy or steel, another layer being formed of aluminium or an aluminium alloy
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C9/00—Alloys based on copper
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
- F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
- F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
- F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
- F16C33/10—Construction relative to lubrication
- F16C33/1095—Construction relative to lubrication with solids as lubricant, e.g. dry coatings, powder
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
- F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
- F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
- F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
- F16C33/12—Structural composition; Use of special materials or surface treatments, e.g. for rust-proofing
- F16C33/121—Use of special materials
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
- F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
- F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
- F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
- F16C33/14—Special methods of manufacture; Running-in
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Sliding-Contact Bearings (AREA)
Abstract
本发明提供了一种自润滑双金属层状复合材料及其制备方法和应用,涉及合金材料技术领域。本发明提供的自润滑双金属层状复合材料为铜铋锡合金与钢复合而成的层状材料;所述铜铋锡合金,按质量含量计,包括24%的Bi、2~6%的Sn和余量的Cu。本发明通过在铜铋合金中加入锡,能够明显促进合金中富铋相由连续网状结构转变为离散点块状结构,显著提高合金的自润滑性能。因此,本发明提供的自润滑双金属层状复合材料环保并具有优异的自润滑性能。本发明提供了所述自润滑双金属层状复合材料的制备方法,生产效率高,且能够显著提高层状复合材料的结合强度,并提高产品洁净度,制备的自润滑双金属层状复合材料可很好地应用于内燃机轴瓦中。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域,特别涉及一种自润滑双金属层状复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
目前,世界上高速高载荷内燃机轴瓦上使用的材料主要为铜铅合金/钢层状复合材料,一方面,铜铅合金具有优越的自润滑性能,可以在极端工况下防止轴承摩损;另一方面,钢的高强度能提高材料的承载能力。但是,铜铅合金/钢层状复合材料含有毒铅,大批量生产会严重污染环境,大幅增加用于污染处理的环保成本。目前,生产该类复合材料的主要方法为粉末冶金法。然而,由于此方法生产效率低且产品复合强度、致密度差而易脱层,粉末冶金法还无法制备出能长期服役的、各项性能均达标的层状复合材料。因此,亟待开发一种生产效率高、产品各项性能良好且有利于环境保护的双金属层状复合材料及其制备方案。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种自润滑双金属层状复合材料及其制备方法。本发明提供的自润滑双金属层状复合材料环保,具有优异的自润滑性能;且制备方法效率高,并能显著提高层状复合材料的结合强度以及洁净度。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种自润滑双金属层状复合材料,所述自润滑双金属层状复合材料为铜铋锡合金与钢复合而成的层状材料;其中,所述铜铋锡合金,按质量含量计,包括24%的Bi、2~6%的Sn和余量的Cu。
本发明提供了以上方案所述自润滑双金属层状复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将Cu、Sn和Bi进行熔炼,得到铜铋锡合金熔体;
(2)将所述铜铋锡合金熔体通过底注式浇铸装置浇铸到匀速行进的钢基板表面,冷却后得到所述自润滑双金属层状复合材料。
优选地,所述步骤(1)的熔炼具体为:将Cu加热,当温度升至300℃时加入Sn;待Cu熔化且温度上升至1250℃时加入Bi进行熔炼。
优选地,所述铜铋锡合金熔体的浇铸温度为1200℃。
优选地,所述钢基板在浇铸前进行预热处理;所述预热处理的温度为1000℃。
优选地,所述底注式浇铸装置包括中频感应熔炼炉1、保护气施加装置2、红外测温仪监控装置3、高频感应加热装置4、双辊传动装置5和冷却装置6;
所述中频感应熔炼炉1包括塞棒1-1、炉体1-2和浇口1-3;
保护气施加装置2设置于浇口1-3的下方;
应用时,钢基板置于双辊传动装置5的两辊之间,在中频感应熔炼炉1的浇口1-3下方沿平行方向移动;所述高频感应加热装置4正对浇口下方,用于对钢基板的浇铸位置进行底部预热;所述红外测温仪监控装置3用于对钢基板的预热温度进行监控;所述冷却装置6设置于钢基板下侧,用于对经过浇口1-3的钢基板进行冷却。
优选地,所述双辊传动装置5上还设置有滚压矫直装置;所述滚压矫直装置为双辊滚压装置。
优选地,所述钢基板的行进速度为0.5~3m/min。
优选地,所述冷却的速率大于200℃/s。
本发明提供了以上方案所述自润滑双金属层状复合材料或以上方案所述方法制备的自润滑双金属层状复合材料作为内燃机轴瓦材料的应用。
本发明提供了一种自润滑双金属层状复合材料,所述自润滑双金属层状复合材料为铜铋锡合金与钢复合而成的层状材料;其中,所述铜铋锡合金,按质量含量计,包括24%的Bi、2~6%的Sn和余量的Cu。本发明提供的自润滑双金属层状复合材料通过无毒的Bi元素代替有毒性的Pb元素,有利于环境保护且能降低用于污染防治的环保成本;本发明通过在铜铋合金中加入锡,能够明显促进合金中富铋相由连续网状结构转变为离散点块状结构,显著提高合金的自润滑性能。因此,本发明提供的自润滑双金属层状复合材料环保并具有优异的自润滑性能。
本发明提供了所述自润滑双金属层状复合材料的制备方法,包括以下步骤:(1)将Cu、Sn和Bi进行熔炼,得到铜铋锡合金熔体;(2)将所述铜铋锡合金熔体通过底注式浇铸装置浇铸到匀速行进的钢基板表面,冷却后得到所述自润滑双金属层状复合材料。本发明采用底注式浇铸装置通过固液连续铸造复合工艺制备层状复合材料,生产效率高,且能够显著提高层状复合材料的结合强度,并大大降低材料中的夹杂物浓度,使产品洁净度高。本发明制备的自润滑双金属层状复合材料可很好地应用于内燃机轴瓦中。
附图说明
图1为本发明中底注式浇铸装置的结构示意图,其中,1表示中频感应熔炼炉,1-1表示塞棒,1-2表示炉体,1-3表示浇口,2表示保护气施加装置,3表示红外测温仪监控装置,4表示高频感应加热装置,5表示双辊传动装置,6表示冷却装置,7表示钢基板;
图2为对比例1中Cu-24Bi合金的500倍背散射显微组织图;
图3为对比例1中Cu-24Bi合金的2000倍背散射显微组织图;
图4为对比例1中Cu-24Bi合金的时间-摩擦系数曲线;
图5为对比例1中铜铋合金/钢层状复合材料复合界面的铜元素SEM线扫描结果;
图6为实施例1中Cu-24Bi-6Sn合金的500倍背散射显微组织图;
图7为实施例1中Cu-24Bi-6Sn合金的2000倍背散射显微组织图;
图8为实施例1中Cu-24Bi-6Sn合金的时间-摩擦系数曲线;
图9为实施例1中铜铋锡合金/钢层状复合材料复合界面的背散射显微组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种自润滑双金属层状复合材料,所述自润滑双金属层状复合材料为铜铋锡合金与钢复合而成的层状材料,即本发明提供的自润滑双金属层状复合材料为铜铋锡合金/钢层状复合材料。
在本发明中,所述铜铋锡合金,按质量含量计,包括24%的Bi、2~6%的Sn和余量的Cu,优选为24%的Bi、3~5%的Sn和余量的Cu。
本发明提供的自润滑双金属层状复合材料通过无毒的Bi元素代替有毒性的Pb元素,有利于环境保护且能降低用于污染防治的环保成本;本发明通过在铜铋合金中加入锡,能够明显促进合金中富铋相由连续网状结构转变为离散点块状结构,显著提高合金的自润滑性能。因此,本发明提供的自润滑双金属层状复合材料环保并具有优异的自润滑性能。
本发明提供了以上方案所述自润滑双金属层状复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将Cu、Sn和Bi进行熔炼,得到铜铋锡合金熔体;
(2)将所述铜铋锡合金熔体通过底注式浇铸装置浇铸到匀速行进的钢基板表面,冷却后得到所述自润滑双金属层状复合材料。
本发明将Cu、Sn和Bi进行熔炼,得到铜铋锡合金熔体。在本发明中,所述Cu、Sn和Bi的纯度优选≥99.9%。在本发明中,所述熔炼具体优选为:将Cu加热,当温度升至300℃时加入Sn;待Cu熔化且温度上升至1250℃时加入Bi进行熔炼。在本发明中,所述Cu优选置于石墨坩埚中进行加热。本发明在300℃时加入低熔点的Sn,能够防止石墨坩埚在高温下与空气接触氧化。在本发明中,所述熔炼优选在覆盖剂保护下进行从而防止熔体氧化,本发明对所述覆盖剂没有特别的要求,采用本领域熟知的覆盖剂即可,具体地如木炭。在本发明中,所述熔炼的时间优选为30~60min。经过熔炼得到铜铋锡合金熔体后,本发明还优选将得到的铜铋锡合金熔体在1200℃进行保温,所述保温的时间优选为2min。
得到铜铋锡合金熔体后,本发明将所述铜铋锡合金熔体通过底注式浇铸装置浇铸到匀速行进的钢基板表面,冷却后得到所述自润滑双金属层状复合材料。在本发明中,所述底注式浇铸装置,如图1所示,优选包括中频感应熔炼炉1、保护气施加装置2、红外测温仪监控装置3、高频感应加热装置4、双辊传动装置5和冷却装置6。
本发明所述的底注式浇注装置包括中频感应熔炼炉1。在本发明中,所述中频感应熔炼炉1优选包括塞棒1-1、炉体1-2和浇口1-3;所述浇口1-3设置于炉体底部中心,塞棒1-1设置于炉体内部,应用过程中通过塞棒1-1控制浇口1-3的开闭程度,从而控制熔体流量。本发明对所述中频感应熔炼炉1的炉体没有特别的要求,采用本领域熟知的中频感应熔炼炉即可。
本发明所述的底注式浇注装置包括保护气施加装置2,所述保护气施加装置2设置于浇口1-3的下方。在本发明中,所述保护气施加装置2为密闭的空腔,空腔内充满惰性气体如Ar,从而抑制或者避免钢基板预热过程中发生氧化。本发明对所述保护气施加装置2没有特别的要求,采用本领域熟知的相应装置即可。
本发明提供的底注式浇注装置包括红外测温仪监控装置3和高频感应加热装置4。在本发明中,所述高频感应加热装置4正对浇口下方,用于对钢基板的浇铸位置进行底部预热;所述高频感应加热装置优选为由高频加热线圈组成的加热装置。在本发明中,所述红外测温仪监控装置3用于对钢基板的预热温度进行实时监控,确保熔体浇铸过程中钢基板的温度保持稳定并控制在所需温度内,促进金属元素之间的互扩散,提高界面结合强度;同时对温度进行监控也能保证熔体具有较高的流动性而避免浇不足。本发明对所述红外测温仪监控装置3没有特别的要求,采用本领域熟知的相应装置即可;本发明对所述红外测温仪监控装置3的具体位置没有特别的限制,能够实现对钢基板的预热温度进行监控即可。
本发明所述的底注式浇注装置包括双辊传动装置5,应用时,钢基板(图1中标记7表示钢基板)置于双辊传动装置5的两辊之间,在中频感应熔炼炉1的浇口1-3下方沿平行方向移动。在本发明中,所述双辊传动装置5上还优选设置有滚压矫直装置;所述滚压矫直装置优选为双辊滚压装置。本发明通过在双辊传动装置5上设置滚压矫直装置,可以同时对钢基板起到牵引传动和矫直的作用,防止钢基板发生变形。
本发明所述的底注式浇注装置包括冷却装置6,所述冷却装置6位于钢基板的下侧,用于对经过浇口1-3的钢基板进行冷却。在本发明中,所述冷却装置6优选为四道水冷喷嘴。
在本发明中,通过所述底注式浇铸装对合金进行浇铸的具体过程优选为:
在中频感应熔炼炉1中完成所述熔炼后,得到铜铋锡合金熔体;
将钢基板置于双辊传动装置5上,经高频感应加热装置4预热后,所述铜铋锡合金熔体自中频感应熔炼炉1的浇口1-3流出,在保护气保护下浇铸到匀速行进的钢基板表面;钢基板的预热温度由红外测温仪监控装置3进行监控;
浇铸有铜铋锡合金的钢基板被双辊传动装置5传送至冷却装置6上方进行冷却,得到所述自润滑双金属层状复合材料。
在本发明中,所述钢基板的预热温度优选为1000℃。本发明对所述钢基板没有特别的要求,采用本领域熟知的钢基板即可。在本发明中,所述钢基板的行进速度优选为88mm/min。
在本发明中,所述铜铋锡合金熔体的浇铸温度优选为1200℃,即将所述中频感应熔炼炉的加热频率下调,使所述铜铋锡合金熔体的温度下降直至达到所需的浇铸温度。在所述浇铸的过程中,本发明通过红外测温仪监控装置3监控钢基板的预热温度,从而控制铜铋锡合金熔体与钢基板复合界面的温度,确保熔体浇铸过程中钢基板浇铸位置的温度保持稳定并控制在所需温度内,促进Cu/Fe互扩散程度,提高界面结合强度;同时也能保证熔体具有较高的流动性而避免浇不足。
浇铸完成后,本发明将浇铸有铜铋锡合金的钢基板由双辊传动装置5传送至冷却装置6上方进行冷却,得到所述自润滑双金属层状复合材料。本发明将所述浇铸有铜铋锡合金的钢基板进行底部冷却,可快速冷却至室温;所述冷却的速率优选大于200℃/s。在传送至冷却装置6上方进行冷却之前,本发明还优选将浇铸有铜铋锡合金的钢基板进行自然冷却;所述自然冷却的终点温度优选为1000℃;进行自然冷却之后,再将冷却装置6开启进行快速冷却。
本发明提供了以上所述自润滑双金属层状复合材料的制备方法。本发明采用底注式浇铸装置通过固液连续铸造复合工艺制备层状复合材料生产效率高,且能够显著提高层状复合材料的结合强度,并大大降低材料中的夹杂物浓度,使产品洁净度高。
本发明提供了以上方案所述自润滑双金属层状复合材料或以上方案所述方法制备的自润滑双金属层状复合材料作为内燃机轴瓦材料的应用。高速高载荷内燃机轴瓦上使用的材料主要为铜铅合金/钢层状复合材料,但是铜铅合金/钢层状复合材料含有毒铅,易造成环境污染。本发明提供的自润滑双金属层状复合材料通过无毒的Bi元素代替有毒性的Pb元素,环保并具有优异的自润滑性能,且采用本发明制备方法能够显著提高层状复合材料的结合强度,因此,本发明提供的自润滑双金属层状复合材料可代替铜铅合金,很好地用于内燃机轴瓦。
下面结合实施例对本发明提供的自润滑双金属层状复合材料及其制备方法和应用进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
对比例1
按照质量比(24%的Bi、余量Cu)称取Cu和Bi原料,其中Cu、Bi均选用纯度为99.9wt%及以上的纯金属原料。熔炼合金时,先将Cu置于石墨坩埚中通过中频感应加热炉1加热,待Cu熔化且温度上升至1250℃时加入Bi,整个熔炼过程需在木炭覆盖保护下进行。保温2分钟后,下调加热功率,待熔体温度下降至1200℃时通过底注式浇铸装置(如图1所示)将合金熔体均匀浇铸到匀速行进的钢板表面,钢板需提前通过高频感应加热装置4加热到1000℃并由双辊传动装置5(设置有滚压矫直装置)牵引而匀速前进,前进速率为88mm/min。浇铸完成后,待复合板温度自然冷却至1000℃时通过底部水冷装置5将复合板快速冷却至室温,得到铜铋合金/钢层状复合材料,其中的铜铋合金以Cu-24Bi表示。
图2和图3分别为Cu-24Bi合金的500倍及2000倍背散射显微组织图。从图2可以看出Cu-24Bi合金组织均匀且无偏聚;从图3可以看出Cu-24Bi合金中富铋相主要以连续网状结构存在于枝晶间。
图4为Cu-24Bi合金的时间-摩擦系数曲线。从图4中可以看出,Cu-24Bi合金在干摩擦过程中呈现出较高的摩擦系数且滑移现象十分明显,其摩擦系数在120s~1080s区间内最高值达0.587而最低值仅为0.206。
图5为铜铋合金/钢层状复合材料复合界面铜元素的SEM线扫描结果。从图5可以看出,铜元素从铜合金侧向钢侧的扩散距离约为1μm,即此复合材料复合界面处扩散层厚度约为1μm。
实施例1
按照质量比(24%的Bi、6%的Sn、余量Cu)称取Cu、Bi和Sn原料,其中Cu、Bi均选用纯度为99.9wt%及以上的纯金属原料。熔炼合金时,先将Cu置于石墨坩埚中通过中频感应加热炉1加热,待坩埚温度达300℃时加入Sn,待Cu熔化且温度上升至1250℃时加入Bi,整个熔炼过程需在木炭覆盖保护下进行。保温2分钟后,下调加热功率,待熔体温度下降至1200℃时通过底注式浇铸装置(如图1所示)将合金熔体均匀浇铸到匀速行进的钢板表面,钢板需提前通过高频感应加热装置4加热到1000℃并由双辊传动装置5(设置有滚压矫直装置)牵引而匀速前进,前进速率为88mm/min。浇铸完成后,待复合板温度自然冷却至1000℃时通过底部水冷装置5将复合板快速冷却至室温,得到自润滑双金属层状复合材料,即铜铋锡合金/钢层状复合材料,其中的铜铋锡合金以Cu-24Bi-6Sn合金表示。
图6和图7分别为Cu-24Bi-6Sn合金的500倍及2000倍背散射显微组织图。从图6可以看出Cu-24Bi-6Sn合金组织均匀且无偏聚;从图7可以看出Cu-24Bi-6Sn合金中富铋相主要为离散点块状形貌。
图8为Cu-24Bi-6Sn合金的时间-摩擦系数曲线。从图8可以看出Cu-24Bi-6Sn合金在干摩擦过程中呈现出较低的摩擦系数且十分稳定,其摩擦系数在120s~1080s区间内最高值为0.305而最低值为0.192。与对比例1相比可知,锡元素的添加促进了合金中富铋相由连续网状结构转变为离散点块状结构,提高了合金的自润滑性能并表现出更稳定的摩擦系数,即通过Sn元素添加可达到调控合金中第二相形貌的作用进而可优化合金的自润滑性能。
图9为铜铋锡合金/钢层状复合材料复合界面的背散射显微组织图。从图9可以看出,此复合材料复合界面无夹杂物及缺陷且致密度良好,说明本发明制备的层状复合材料洁净度高。
铜铋合金/钢层状复合材料复合界面铜元素的SEM线扫描结果显示此复合材料复合界面处扩散层厚度高于1μm,因此具有较高的结合强度;并且与对比例1制备的复合层状材料复合界面处的扩散层厚度一致,说明采用本发明提供的制备方法制备的复合材料界面的复合情况稳定。
实施例2
按照质量比(24%的Bi、4%的Sn、余量Cu)称取Cu、Bi和Sn原料,其余同于实施例1,得到自润滑双金属层状复合材料,即铜铋锡合金/钢层状复合材料,其中的铜铋锡合金以Cu-24Bi-4Sn合金表示。
Cu-24Bi-4Sn合金的500倍及2000倍背散射显微组织图显示Cu-24Bi-4Sn合金组织均匀且无偏聚,Cu-24Bi-4Sn合金中富铋相主要为离散点块状形貌。
Cu-24Bi-4Sn合金的时间-摩擦系数曲线显示Cu-24Bi-4Sn合金在干摩擦过程中呈现出较低的摩擦系数且十分稳定,其摩擦系数在120s~1080s区间内最高值为0.341而最低值为0.210。
铜铋锡合金/钢层状复合材料复合界面的背散射显微组织图显示此复合材料复合界面无夹杂物及缺陷且致密度良好。
铜铋锡合金/钢层状复合材料复合界面铜元素的SEM线扫描结果显示此复合材料复合界面处扩散层厚度约为1μm,因此具有较高的结合强度。
实施例3
按照质量比(24%的Bi、2%的Sn、余量Cu)称取Cu、Bi和Sn原料,其余同于实施例1,得到自润滑双金属层状复合材料,即铜铋锡合金/钢层状复合材料,其中的铜铋锡合金以Cu-24Bi-2Sn合金表示。
Cu-24Bi-2Sn合金的500倍及2000倍背散射显微组织图显示Cu-24Bi-2Sn合金组织均匀且无偏聚,Cu-24Bi-2Sn合金中富铋相主要为离散点块状形貌。
Cu-24Bi-2Sn合金的时间-摩擦系数曲线显示Cu-24Bi-2Sn合金在干摩擦过程中呈现出较低的摩擦系数且十分稳定,其摩擦系数在120s~1080s区间内最高值为0.375而最低值为0.257。
铜铋锡合金/钢层状复合材料复合界面的背散射显微组织图显示此复合材料复合界面无夹杂物及缺陷且致密度良好。
铜铋锡合金/钢层状复合材料复合界面铜元素的SEM线扫描结果显示此复合材料复合界面处扩散层厚度约为1μm,因此具有较高的结合强度。
通过以上实施例可以看出,本发明提供的自润滑双金属层状复合材料环保并具有优异的自润滑性能,本发明采用底注式浇铸装置通过固液连续铸造复合工艺制备层状复合材料能够显著提高层状复合材料的结合强度,并大大降低材料中的夹杂物浓度,使产品洁净度高。因此,本发明提供的自润滑双金属层状复合材料可很好地用于内燃机轴瓦。
本发明以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种自润滑双金属层状复合材料,其特征在于,所述自润滑双金属层状复合材料为铜铋锡合金与钢复合而成的层状材料;其中,所述铜铋锡合金,按质量含量计,包括24%的Bi、2~6%的Sn和余量的Cu;
所述自润滑双金属层状复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将Cu、Sn和Bi进行熔炼,得到铜铋锡合金熔体;
(2)将所述铜铋锡合金熔体通过底注式浇铸装置浇铸到匀速行进的钢基板表面,冷却后得到所述自润滑双金属层状复合材料;
所述铜铋锡合金熔体的浇铸温度为1200℃;所述钢基板在浇铸前进行预热处理;所述预热处理的温度为1000℃;
所述底注式浇铸装置包括中频感应熔炼炉(1)、保护气施加装置(2)、红外测温仪监控装置(3)、高频感应加热装置(4)、双辊传动装置(5)和冷却装置(6);
所述中频感应熔炼炉(1)包括塞棒(1-1)、炉体(1-2)和浇口(1-3);
保护气施加装置(2)设置于浇口(1-3)的下方;
应用时,钢基板置于双辊传动装置(5)的两辊之间,在中频感应熔炼炉(1)的浇口(1-3)下方沿平行方向移动;所述高频感应加热装置(4)正对浇口下方,用于对钢基板的浇铸位置进行底部预热;所述红外测温仪监控装置(3)用于对钢基板的预热温度进行监控;所述冷却装置(6)设置于钢基板下侧,用于对经过浇口(1-3)的钢基板进行冷却。
2.权利要求1所述自润滑双金属层状复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将Cu、Sn和Bi进行熔炼,得到铜铋锡合金熔体;
(2)将所述铜铋锡合金熔体通过底注式浇铸装置浇铸到匀速行进的钢基板表面,冷却后得到所述自润滑双金属层状复合材料;
所述铜铋锡合金熔体的浇铸温度为1200℃;所述钢基板在浇铸前进行预热处理;所述预热处理的温度为1000℃;
所述底注式浇铸装置包括中频感应熔炼炉(1)、保护气施加装置(2)、红外测温仪监控装置(3)、高频感应加热装置(4)、双辊传动装置(5)和冷却装置(6);
所述中频感应熔炼炉(1)包括塞棒(1-1)、炉体(1-2)和浇口(1-3);
保护气施加装置(2)设置于浇口(1-3)的下方;
应用时,钢基板置于双辊传动装置(5)的两辊之间,在中频感应熔炼炉(1)的浇口(1-3)下方沿平行方向移动;所述高频感应加热装置(4)正对浇口下方,用于对钢基板的浇铸位置进行底部预热;所述红外测温仪监控装置(3)用于对钢基板的预热温度进行监控;所述冷却装置(6)设置于钢基板下侧,用于对经过浇口(1-3)的钢基板进行冷却。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)的熔炼具体为:将Cu加热,当温度升至300℃时加入Sn;待Cu熔化且温度上升至1250℃时加入Bi进行熔炼。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述双辊传动装置(5)上还设置有滚压矫直装置;所述滚压矫直装置为双辊滚压装置。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述钢基板的行进速度为0.5~3m/min。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述冷却的速率大于200℃/s。
7.权利要求1所述自润滑双金属层状复合材料或权利要求2~6任意一项所述方法制备的自润滑双金属层状复合材料作为内燃机轴瓦材料的应用。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910773147.7A CN110406201B (zh) | 2019-08-21 | 2019-08-21 | 一种自润滑双金属层状复合材料及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910773147.7A CN110406201B (zh) | 2019-08-21 | 2019-08-21 | 一种自润滑双金属层状复合材料及其制备方法和应用 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN110406201A CN110406201A (zh) | 2019-11-05 |
CN110406201B true CN110406201B (zh) | 2020-09-25 |
Family
ID=68368239
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201910773147.7A Active CN110406201B (zh) | 2019-08-21 | 2019-08-21 | 一种自润滑双金属层状复合材料及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN110406201B (zh) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113550979B (zh) * | 2021-09-23 | 2021-11-26 | 苏州虎伏新材料科技有限公司 | 双金属轴瓦、轴套材料的制造工艺及双金属轴瓦、轴套材料 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1721560A (zh) * | 2004-06-10 | 2006-01-18 | 大丰工业株式会社 | 用于燃油喷射泵的无铅轴承 |
CN101298082A (zh) * | 2008-06-20 | 2008-11-05 | 中国船舶重工集团公司第十二研究所 | 连铸热复合装置及制备铜铅合金-钢轴瓦材料的方法 |
CN101541989A (zh) * | 2006-08-05 | 2009-09-23 | 大丰工业株式会社 | 无铅铜合金滑动材料 |
CN101845571A (zh) * | 2010-06-23 | 2010-09-29 | 广州市安达汽车零件有限公司 | 滑动轴承铜基合金材料 |
CN103028733A (zh) * | 2012-12-14 | 2013-04-10 | 浦江汇凯粉体科技有限公司 | 一种CuSn10Bi3.5铜铋合金粉末制备方法 |
CN108570571A (zh) * | 2017-03-08 | 2018-09-25 | 大同金属工业株式会社 | 滑动材料及其制造方法、以及滑动构件和轴承装置 |
-
2019
- 2019-08-21 CN CN201910773147.7A patent/CN110406201B/zh active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1721560A (zh) * | 2004-06-10 | 2006-01-18 | 大丰工业株式会社 | 用于燃油喷射泵的无铅轴承 |
CN101541989A (zh) * | 2006-08-05 | 2009-09-23 | 大丰工业株式会社 | 无铅铜合金滑动材料 |
CN101298082A (zh) * | 2008-06-20 | 2008-11-05 | 中国船舶重工集团公司第十二研究所 | 连铸热复合装置及制备铜铅合金-钢轴瓦材料的方法 |
CN101845571A (zh) * | 2010-06-23 | 2010-09-29 | 广州市安达汽车零件有限公司 | 滑动轴承铜基合金材料 |
CN103028733A (zh) * | 2012-12-14 | 2013-04-10 | 浦江汇凯粉体科技有限公司 | 一种CuSn10Bi3.5铜铋合金粉末制备方法 |
CN108570571A (zh) * | 2017-03-08 | 2018-09-25 | 大同金属工业株式会社 | 滑动材料及其制造方法、以及滑动构件和轴承装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN110406201A (zh) | 2019-11-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109371271B (zh) | 铜铁合金的非真空熔炼及连铸工艺 | |
CN111455223B (zh) | 铝钪合金靶材及其制备方法 | |
CN109957732B (zh) | 一种锆基非晶薄带材连续制备的方法 | |
CN111218589A (zh) | 一种高导热压铸铝合金材料及其制备方法 | |
JP2022501198A (ja) | 軸受胴減摩層銅合金充填装置及び軸受胴バイメタル複合材料の製造方法 | |
CN111020285B (zh) | 一种真空熔炼生产高强铜合金大规格铸锭的方法 | |
CN110406201B (zh) | 一种自润滑双金属层状复合材料及其制备方法和应用 | |
CN108165853A (zh) | 一种高电磁屏蔽效能镁合金及其制备方法 | |
CN102321826B (zh) | 一种挤压成形高锡青铜合金及其制备方法 | |
CN107790679A (zh) | 一种柱塞泵转子用铜钢双金属复合铸造方法 | |
CN111593224B (zh) | 一种铜铬电弧熔炼用自耗电极棒的制备方法 | |
CN108067596B (zh) | 一种薄带铸轧制备TiAl合金均匀组织板坯的方法 | |
CN111575561B (zh) | 一种大深度承压壳体用铝锂合金及其制备方法 | |
US4927467A (en) | Method for producing thin plate of phosphor bronze | |
CN106825432A (zh) | 一种不锈钢碳钢双金属复合液液浇铸高铁道岔的方法 | |
CN103103407B (zh) | 一种高热稳定性的变形铝合金及制备方法 | |
CN103233139A (zh) | 一种Cu-Fe-Sn导电材料及其制备方法 | |
CN109290537B (zh) | 一种原料纯铁小方坯的生产方法 | |
CN112708814A (zh) | 一种优异耐腐蚀性、变形性能的镁锂合金及轧制变形工艺 | |
CN1276107C (zh) | 生产电子韧铜的工艺方法 | |
CN108251700A (zh) | 高强度耐腐蚀冷室压铸用含Mo锌合金 | |
CN109338154A (zh) | 铜基合金玻璃模具材料的热处理工艺 | |
CN111534801B (zh) | 一种喷射成形AlSnCu合金靶材及其制备方法 | |
CN118064719A (zh) | 一种基于炉外精炼和多场耦合成型工艺制备高品质铜或铜合金铸坯的方法 | |
CN108165827A (zh) | 高强度耐氧化冷室压铸用含Hf锌合金 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |