CN111549256B - 一种提高锡基巴氏合金性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高锡基巴氏合金性能的方法，S1、取适量的锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉，其中金属钴Co粉占锡基巴氏合金粉重量的8‑20％；碳化钨WC粉占锡基巴氏合金粉重量的4％‑10％；S2、将锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉均加入到混料机内进行混料工作，使锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉充分混合6‑8小时，得到喷涂粉。本发明通过使用等离子喷涂的方法，在黄铜表面在锡基巴氏合金中添加金属钴Co和碳化钨WC，且，碳化钨WC添加量为4％和8％，金属钴Co的添加量为8‑20％，经过磨损实验后表明：添加金属钴Co和碳化钨WC的锡基巴氏合金涂层提高了锡基巴氏合金的性能。
Description
技术领域
本发明涉及轴瓦耐磨相关技术领域，具体为一种提高锡基巴氏合金性能的方法。
背景技术
轴瓦是滑动轴承和轴颈接触的部分，形状为瓦状的半圆柱面，非常光滑，一般用青铜、减摩合金等耐磨材料制成，在特殊情况下，可以用木材、工程塑料或橡胶制成；轴瓦有整体式和剖分式两种，整体式轴瓦通常称为轴套。整体式轴瓦有无油沟和有油沟两种；轴瓦与轴颈采用间隙配合，轴瓦是滑动轴承和轴接触的部分，非常光滑，一般用青铜、减摩合金等耐磨材料制成，轴瓦分为主轴瓦和连杆瓦，装在发动机的缸体和轴之间，是一个损耗品；锡基巴氏合金是锡基轴承合金和铅基轴承合金通称；巴氏合金是承受中等负荷轴承合金中比较理想的材料，由于它的强度较低，利用钢壳、铜壳材料来增加合金的强度；低速重载荷滑动轴承的轴瓦与油膜润滑瓦在轴承上,直接与轴相接触的部分，承受载荷并且与轴具有相对运动；为减少摩擦，磨损对轴瓦材料提出各种要求，除要求摩擦副间，锡基巴氏合金，因其质软而韧、耐磨、易切削和铲刮，故广泛应用于轧钢设备的轴承瓦衬。
但是，现有的巴氏合金在浇铸时，由于工艺或其它原因，难免出现瓦衬局部离壳或气孔；在设备运转过程中，又因锡基巴氏合金的熔点较低，一旦碰到润滑不良、缺油或瓦衬浇铸质量欠佳，就极易造成局部烧瓦或脱裂，使设备发生故障。过去，出现这种情况，就要更换整套轴瓦，不仅带来人力财力上的损失，而且延长了设备检修时间，直接影响生产，现阶段巴氏合金主要的制备工艺有浇铸法、焊接法等，但是这些传统工艺对于提高巴氏合金的耐磨性、硬度、与基体的结合强度的作用并不是十分明显，在工作状态下，由于对摩过程中会产生较大的摩擦力和切应力，会导致轴瓦产生脱落，导致轴承报废，因此提高轴瓦与基体间的结合强度，并且降低轴瓦的摩擦系数、提高轴瓦的摩擦学性能，提高瓦衬的显微硬度，能够有效改善轴瓦脱落这一问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高锡基巴氏合金性能的方法，以解决上述背景技术中提到的由于巴氏合金的耐磨性、硬度、与基体的结合强度的不佳，在工作状态下，由于对摩过程中会产生较大的摩擦力和切应力，会导致轴瓦产生脱落，导致轴承报废的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种提高锡基巴氏合金性能的方法，包括如下步骤：
S1、取适量的锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉，其中金属钴Co粉占锡基巴氏合金粉重量的8-20％；碳化钨WC粉占锡基巴氏合金粉重量的4％-10％；
S2、将锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉均加入到混料机内进行混料工作，使锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉充分混合6-8小时，得到喷涂粉；
S3、将混合后的喷涂粉加入到等离子喷涂设备内，利用等离子喷涂设备将喷涂粉均匀喷涂在H62黄铜表面；
S4、采用金相试样镶嵌机将喷涂后的H62黄铜选择特定组件并制镶样；对镶样用砂纸对端面依次进行磨损，抛光，腐蚀处理；
S5、使用手动砖塔显微硬度仪测量试件显微硬度HV；并对每一个试件经金相显微镜与XRD与扫描电镜SEM电镜观察微观结构，分析涂层成分并记录相关参数。
优选的，S1中，金属钴Co粉占锡基巴氏合金粉重量的8％；碳化钨WC粉占锡基巴氏合金粉重量的4％。
优选的，S1中，金属钴Co粉占锡基巴氏合金粉重量的8％；碳化钨WC粉占锡基巴氏合金粉重量的8％。
优选的，S1中，金属钴Co粉占锡基巴氏合金粉重量的14％；碳化钨WC粉占锡基巴氏合金粉重量的4％。
优选的，所述H62黄铜的尺寸为25*50*2-3mm。
优选的，所述等离子喷涂设备的型号为PK-80Z-II，且等离子喷涂设备的主气为惰性气体氩气；次气为氮气。
优选的，S4中，磨损中，采用型号为MDW-02的磨损试验机，实验加载力为3N，频率为3Hz，磨损时间为10min。
优选的，S5中，所述手动砖塔显微硬度仪的型号为S-3700N，所述扫描电镜SEM的型号为S-4800SEM。
本发明提供了一种提高锡基巴氏合金性能的方法，具备以下有益效果：
本发明通过使用等离子喷涂的方法，在黄铜表面在锡基巴氏合金中添加金属钴Co和碳化钨WC，其中，碳化钨WC添加量为4％和8％，金属钴Co的添加量为8-20％，并将喷涂后的黄铜进行磨损实验，试验结果表明：摩擦系数为0.19可降低1倍，添加显微硬度可搭371.7HV,提高3.15倍，磨损率可降低5-6倍，提高了锡基巴氏合金的性能。
附图说明
图1为本发明的含有Co8WC4锡基巴氏合金等离子喷涂衍射图；
图2为本发明的含有Co8WC8锡基巴氏合金等离子喷涂衍射图；
图3为本发明的含有Co8WC8锡基巴氏合金等离子喷涂组涂层断面SEM；
图4为本发明的含有Co14WC4锡基巴氏合金等离子喷涂摩擦系数图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
如图1-4所示，本发明提供一种技术方案：一种提高锡基巴氏合金性能的方法，包括如下步骤：
S1、取适量的锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉，其中金属钴Co粉占锡基巴氏合金粉重量的8-20％；碳化钨WC粉占锡基巴氏合金粉重量的4％-10％；
S2、将锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉均加入到混料机内进行混料工作，使锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉充分混合6-8小时，得到喷涂粉；
S3、将混合后的喷涂粉加入到等离子喷涂设备内，利用等离子喷涂设备将喷涂粉均匀喷涂在尺寸为25*50*2-3mm的H62黄铜表面；
其中，等离子喷涂设备的型号为PK-80Z-II，设备性能和喷涂参数选取如表1所示，此设备的主气为惰性气体氩气，它不溶解于各种金属且均不与金属发生化学性反应，在喷涂过程中具有低电压、升温快、引弧性好等特点；次气为氮气，它具有热焓值高、放热量大、热利用率高等特点。
表1等离子喷涂设备参数
S4、采用金相试样镶嵌机将喷涂后的H62黄铜选择特定组件并制镶样；对镶样用砂纸180，240、360、400、500、600、800、1000、1200、1500、2000对端面依次进行磨损，抛光，腐蚀处理；
其中，磨损时采用MDW-02摩擦磨损试验机，其设备参数如表2所示，本次实验选用手动加载，通过磨损球针上加码来保证施加力在1N-100N范围中一个定值。通过改变轴转速来确定往复频率及每秒磨损来回次数；通过传感器测出摩擦温度与摩擦力矩，间接得到摩擦力和摩擦系数。本次试验加载数据由预试验得出，加载力3N，频率3Hz，磨损时间10min。试验机通过测量磨损球针探头尾部力矩大小再除以磨损针到传感位置距离(固定值)得出摩擦力大小，再除以加载力从而得出摩擦系数；
表2MDW-02摩擦磨损试验机设备参数
S5、使用手动砖塔显微硬度仪测量试件显微硬度HV；并对每一个试件经金相显微镜与XRD与扫描电镜SEM电镜观察微观结构，分析涂层成分并记录相关参数，其中所述手动砖塔显微硬度仪的型号为S-3700N，所述扫描电镜SEM的型号为S-4800SEM；
其中XRD时一种利于晶体空间结构通过对X射线的衍射作用从而反推出物质是否含有相关晶体物质或者是否生成新的相关晶体物质。不同的晶体结构对X射线的衍射作用不用，同种物质对X射线的衍射作用相同，所以当我们得到一组物质的X射线衍射光谱时，可以通过和已知的X射线衍生图谱进行比较从而得到物质中是否含有此成分并分析其晶体化情况；
每种晶体内部的原子排列方式是唯一的，因此对应的衍射花样是唯一的，类似于人的指纹，因此可以进行物相分析。其中，衍射花样中衍射线的分布规律是由晶胞的大小、形状和位向决定。衍射线的强度是由原子的种类和它们在晶胞中的位置决定及晶体结构晶体化结构好坏程度决定的。
其中扫描电镜SEM是指是一般利用物体导电性，有时利用其他特殊性质，通过电子流或者的反馈从而得到物体形貌的一种显影办法。同时可以通过检测样品与电子束之间的各种效应从而得出样品分析成分，样品所含物质既样品中的元素组成。通过样品中元素组成从而推断样品中物质到底是什么；
电镜扫描可以分为“点”、“线”、“面”，既测量一个点上的元素，一条线上的元素和一块面上的元素。通过扫描多点的成分组成，可以有效地看出涂层化合物或者物质组成的分布，从而确定涂层的物质分布状况或者物质的形态分布，可以推断出物质混合好坏程度或者喷涂后涂层成分。
实施例2：
如图1所示，本发明提供一种技术方案：一种提高锡基巴氏合金性能的方法，包括如下步骤：
S1、取适量的锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉，其中金属钴Co粉占锡基巴氏合金粉重量的8％；碳化钨WC粉占锡基巴氏合金粉重量的4％；
S2、将锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉均加入到混料机内进行混料工作，使锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉充分混合6-8小时，得到喷涂粉；
S3、将混合后的喷涂粉加入到等离子喷涂设备内，利用等离子喷涂设备将喷涂粉均匀喷涂在尺寸为25*50*2-3mm的H62黄铜表面；
其中，等离子喷涂设备的型号为PK-80Z-II，设备性能和喷涂参数选取如表1所示，此设备的主气为惰性气体氩气，它不溶解于各种金属且均不与金属发生化学性反应，在喷涂过程中具有低电压、升温快、引弧性好等特点；次气为氮气，它具有热焓值高、放热量大、热利用率高等特点。
表1等离子喷涂设备参数
S4、采用金相试样镶嵌机将喷涂后的H62黄铜选择特定组件并制镶样；对镶样用砂纸180，240、360、400、500、600、800、1000、1200、1500、2000对端面依次进行磨损，抛光，腐蚀处理；
其中，磨损时采用MDW-02摩擦磨损试验机，其设备参数如表2所示，本次实验选用手动加载，通过磨损球针上加码来保证施加力在1N-100N范围中一个定值。通过改变轴转速来确定往复频率及每秒磨损来回次数；通过传感器测出摩擦温度与摩擦力矩，间接得到摩擦力和摩擦系数。本次试验加载数据由预试验得出，加载力3N，频率3Hz，磨损时间10min。试验机通过测量磨损球针探头尾部力矩大小再除以磨损针到传感位置距离(固定值)得出摩擦力大小，再除以加载力从而得出摩擦系数；
表2 MDW-02摩擦磨损试验机设备参数
S5、使用手动砖塔显微硬度仪测量试件显微硬度HV；并对每一个试件经金相显微镜与XRD与扫描电镜SEM电镜观察微观结构，分析涂层成分并记录相关参数，其中所述手动砖塔显微硬度仪的型号为S-3700N，所述扫描电镜SEM的型号为S-4800SEM。
实施例3：
如图2所示，本发明提供一种技术方案：一种提高锡基巴氏合金性能的方法，包括如下步骤：
S1、取适量的锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉，其中金属钴Co粉占锡基巴氏合金粉重量的8％；碳化钨WC粉占锡基巴氏合金粉重量的8％；
S2、将锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉均加入到混料机内进行混料工作，使锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉充分混合6-8小时，得到喷涂粉；
S3、将混合后的喷涂粉加入到等离子喷涂设备内，利用等离子喷涂设备将喷涂粉均匀喷涂在尺寸为25*50*2-3mm的H62黄铜表面；
其中，等离子喷涂设备的型号为PK-80Z-II，设备性能和喷涂参数选取如表1所示，此设备的主气为惰性气体氩气，它不溶解于各种金属且均不与金属发生化学性反应，在喷涂过程中具有低电压、升温快、引弧性好等特点；次气为氮气，它具有热焓值高、放热量大、热利用率高等特点。
表1等离子喷涂设备参数
S4、采用金相试样镶嵌机将喷涂后的H62黄铜选择特定组件并制镶样；对镶样用砂纸180，240、360、400、500、600、800、1000、1200、1500、2000对端面依次进行磨损，抛光，腐蚀处理；
其中，磨损时采用MDW-02摩擦磨损试验机，其设备参数如表2所示，本次实验选用手动加载，通过磨损球针上加码来保证施加力在1N-100N范围中一个定值。通过改变轴转速来确定往复频率及每秒磨损来回次数；通过传感器测出摩擦温度与摩擦力矩，间接得到摩擦力和摩擦系数。本次试验加载数据由预试验得出，加载力3N，频率3Hz，磨损时间10min。试验机通过测量磨损球针探头尾部力矩大小再除以磨损针到传感位置距离(固定值)得出摩擦力大小，再除以加载力从而得出摩擦系数；
表2 MDW-02摩擦磨损试验机设备参数
S5、使用手动砖塔显微硬度仪测量试件显微硬度HV；并对每一个试件经金相显微镜与XRD与扫描电镜SEM电镜观察微观结构，分析涂层成分并记录相关参数，其中所述手动砖塔显微硬度仪的型号为S-3700N，所述扫描电镜SEM的型号为S-4800SEM。
实施例4：
如图3所示，本发明提供一种技术方案：一种提高锡基巴氏合金性能的方法，包括如下步骤：
S1、取适量的锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉，其中金属钴Co粉占锡基巴氏合金粉重量的14％；碳化钨WC粉占锡基巴氏合金粉重量的4％；
S2、将锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉均加入到混料机内进行混料工作，使锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉充分混合6-8小时，得到喷涂粉；
S3、将混合后的喷涂粉加入到等离子喷涂设备内，利用等离子喷涂设备将喷涂粉均匀喷涂在尺寸为25*50*2-3mm的H62黄铜表面；
其中，等离子喷涂设备的型号为PK-80Z-II，设备性能和喷涂参数选取如表1所示，此设备的主气为惰性气体氩气，它不溶解于各种金属且均不与金属发生化学性反应，在喷涂过程中具有低电压、升温快、引弧性好等特点；次气为氮气，它具有热焓值高、放热量大、热利用率高等特点。
表1等离子喷涂设备参数
S4、采用金相试样镶嵌机将喷涂后的H62黄铜选择特定组件并制镶样；对镶样用砂纸180，240、360、400、500、600、800、1000、1200、1500、2000对端面依次进行磨损，抛光，腐蚀处理；
其中，磨损时采用MDW-02摩擦磨损试验机，其设备参数如表2所示，本次实验选用手动加载，通过磨损球针上加码来保证施加力在1N-100N范围中一个定值。通过改变轴转速来确定往复频率及每秒磨损来回次数；通过传感器测出摩擦温度与摩擦力矩，间接得到摩擦力和摩擦系数。本次试验加载数据由预试验得出，加载力3N，频率3Hz，磨损时间10min。试验机通过测量磨损球针探头尾部力矩大小再除以磨损针到传感位置距离(固定值)得出摩擦力大小，再除以加载力从而得出摩擦系数；
表2 MDW-02摩擦磨损试验机设备参数
S5、使用手动砖塔显微硬度仪测量试件显微硬度HV；并对每一个试件经金相显微镜与XRD与扫描电镜SEM电镜观察微观结构，分析涂层成分并记录相关参数，其中所述手动砖塔显微硬度仪的型号为S-3700N，所述扫描电镜SEM的型号为S-4800SEM。
结论
根据实施例1-4的实验结果可得：
图1为含有Co8WC4锡基巴氏合金等离子喷涂衍射图，由图1可知，涂层主要显“Sn”性，这是因为基体粉为巴氏合金，而巴氏合金中由以Sn含量为最大，所以涂层显“Sn”晶体性。同时在确定的锡性之外同时检测到了“WCx”与“NiCx”晶体结构；
图2为含有Co8WC8锡基巴氏合金等离子喷涂衍射图，图2Co8WC8组与图1Co8WC4组相比可知，当碳化钨(WC)含量增多的时候涂层“Sn”晶体性被大幅度提高既涂层特性更加偏向于锡，同时“NiCx”的晶体化程度降低。涂层耐磨性很有可能与类“NiCx”晶体结构有关。且随之碳化钨(WC)含量的增高涂层的类似“NiCx”晶体化程度降低；
图3为含有Co8WC8锡基巴氏合金等离子喷涂组涂层断面SEM，图3a)为涂层断面SEM图)断层，图3b)断层内部结构。图4为含Co14WC4锡基巴氏合金等离子喷涂摩擦系数图，Co14WC4组摩擦系数在μ＝0.19；
使用MDW-02摩擦磨损试验机在负载力F＝3N，频率3Hz及磨损时间10min的工况下，只含有锡基巴氏合金的耐磨涂层在海马多级机油5w-20润滑条件下的摩擦系数在μ＝0.19附近锡基巴氏合金的空白实验组平均磨损率为0.01533g/min。
试验后摩擦系数在μ＝0.1降低了53％,磨损率降低了最低为4.24.倍，最高10倍以上。
当钴(Co)含量最小且碳化钨(WC)含量最小磨损率最小，为0.00391g/min—0.0448g/min之间；且可以看出在保持碳化钨(WC)含量不变的情况下，纯锡基巴氏合金涂层显微硬度为：85.5HV；在黄铜表面等离子喷涂含有碳化钨和金属钴Co显微硬度提高最小倍数为2.1，最大倍数4.35倍；试验结果表明：摩擦系数为0.19可降低1倍，添加显微硬度可搭371.7HV,提高约4.35倍，磨损率可降低5-6倍。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种提高锡基巴氏合金性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、取适量的锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉，其中金属钴Co粉占锡基巴氏合金粉重量的8％；碳化钨WC粉占锡基巴氏合金粉重量的4％-10％；
S2、将锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉均加入到混料机内进行混料工作，使锡基巴氏合金粉、金属钴Co粉和碳化钨WC粉充分混合6-8小时，得到喷涂粉；
S3、将混合后的喷涂粉加入到等离子喷涂设备内，利用等离子喷涂设备将喷涂粉均匀喷涂在H62黄铜表面；
S4、采用金相试样镶嵌机将喷涂后的H62黄铜选择特定组件并制镶样；对镶样用砂纸对端面依次进行磨损，抛光，腐蚀处理；
S5、使用手动砖塔显微硬度仪测量试件显微硬度HV；并对每一个试件经金相显微镜与XRD与扫描电镜SEM电镜观察微观结构，分析涂层成分并记录相关参数。
2.根据权利要求1所述的一种提高锡基巴氏合金性能的方法，其特征在于：S1中，金属钴Co粉占锡基巴氏合金粉重量的8％；碳化钨WC粉占锡基巴氏合金粉重量的4％。
3.根据权利要求1所述的一种提高锡基巴氏合金性能的方法，其特征在于：S1中，金属钴Co粉占锡基巴氏合金粉重量的8％；碳化钨WC粉占锡基巴氏合金粉重量的8％。
4.根据权利要求1所述的一种提高锡基巴氏合金性能的方法，其特征在于：所述H62黄铜的尺寸为25*50*2-3mm。
5.根据权利要求1所述的一种提高锡基巴氏合金性能的方法，其特征在于：所述等离子喷涂设备的型号为PK-80Z-II，且等离子喷涂设备的主气为惰性气体氩气；次气为氮气。
6.根据权利要求1所述的一种提高锡基巴氏合金性能的方法，其特征在于：S4中，磨损中，采用型号为MDW-02的磨损试验机，实验加载力为3N，频率为3Hz，磨损时间为10min。
7.根据权利要求1所述的一种提高锡基巴氏合金性能的方法，其特征在于：S5中，所述手动砖塔显微硬度仪的型号为S-3700N，所述扫描电镜SEM的型号为S-4800SEM。
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