CN113118716A - 一种高结合强度铜钢双金属减摩耐磨复合材料的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高结合强度铜钢双金属减摩耐磨复合材料的焊接方法，属于双金属复合材料异种连接技术领域。操作步骤如下：（1）取面积大小相同的一块钢片和一块铜合金片，分别进行表面喷砂与粗打磨处理；（2）将铜锡合金粉末压制成的片状生坯；（3）将片状生坯放置在钢片上，在网带炉中烧结熔覆，获得具有熔覆层的钢片熔覆件；（4）将钢片熔覆件的熔覆层表面和铜合金片对合，在真空烧结炉中进行扩散焊接，得到焊接件；（5）将焊接件低温退火处理，水淬，得到铜钢双金属复合材料，焊接界面处的剪切强度为240～280MPa。本发明的方法大大提高了熔覆层与钢层的结合强度，并且由于熔覆层很薄，避免了普通熔焊中缩松缩孔、开裂等缺陷。

Description

一种高结合强度铜钢双金属减摩耐磨复合材料的焊接方法
技术领域
本发明属于双金属复合材料异种连接技术领域，特别涉及一种具有高结合强度的铅青铜与中碳钢的减摩耐磨双金属材料及其制备方法，适用于滑动轴承类的关键摩擦副所需的铜\钢双金属复合材料的制备。
背景技术
铜\钢双金属复合材料因其具有良好的减摩性与高承载能力等优势在柱塞泵、航空发动机、滑动轴承等零部件中得到了广泛应用。目前工业中制备该复合材料的工艺有熔铸法、粉末冶金法和扩散焊法等，扩散焊法是指在一定的温度与压力下将焊接界面处的材料焊合的过程，由于扩散焊在节约成本，减少加工工序等要求上具有先天的优越性，因而得到了人们的广泛研究。
在铜\钢双金属复合材料的扩散焊工艺中，由于铜和钢的熔点、导热率、线膨胀系数等物理化学性能存在差异，焊接接头质量与界面结合强度并不理想，难以满足高压重载工况的要求。工业中往往通过增加焊接压力与提高焊接温度获得高质量的接头，但这些处理增加了工业成本，同时对设备的性能提出了更高的要求，不利于企业的生产制造。此外，如果铜合金中加入低熔点的铅润滑相，在高温焊接过程中铅润滑相会发生比重偏析的现象，从而在界面处产生大块状的铅聚集物，最终影响材料的性能与应用。
发明内容
为了实现铅青铜与中碳钢之间较高的结合强度，同时具有良好的减摩润滑性能，本发明提供一种高结合强度的铜钢双金属复合材料的焊接方法。
一种高结合强度铜钢双金属减摩耐磨复合材料的焊接方法操作步骤如下：
（1）取面积大小相同的一块钢片和一块铜合金片，对钢片的表面进行喷砂，乙醇清洗；对铜合金片表面进行粗打磨处理；
（2）取铜锡合金粉末（CuSn10），将铜锡合金粉末在液压机中压制成片状生坯；
（3）将片状生坯放置在钢片上，在网带炉中烧结熔覆，使生坯完全形成液相，且铺展润湿钢片的整个表面，随炉冷却，获得具有熔覆层的钢片熔覆件，所述铜锡合金熔覆层的厚度为50-100μm；
（4）将钢片熔覆件的熔覆层表面粗打磨，乙醇清洗；将钢片熔覆件的熔覆层表面和铜合金片对合，在真空烧结炉中进行扩散焊接；随炉冷却，得到焊接件；铜钢双金属减摩耐磨复合材料；
（5）将焊接件低温退火处理，水淬，得到具有高结合强度的铜钢双金属复合材料；所述铜钢双金属复合材料的焊接界面处的剪切强度为240～280MPa。
进一步地具体技术方案如下：
步骤（1）中，所述铜合金片材料为铅青铜合金（ZCuSn10Pb10）。
步骤（2）中，所述铜锡合金材料为CuSn10，生坯压制的压力为700～800MPa。
步骤（3）中，烧结条件：烧结温度为1100～1150℃、带速70mm/min、氮气和氢气混合（N2+H2）气氛保护。
步骤（4）中，先将真空炉抽真空至1.0×102Pa，通入氩气，当炉内气体纯度达到90%，以10℃/min的升温速率升温至850～900℃，保温1～2h，焊接过程中加载压力为0.2～0.5MPa。
步骤（5）中，低温退火条件：退火温度为450℃、保温时间为3h，保温结束立刻取出水淬，消除组织及界面内应力，扩大铜基体中锡的固溶度。
与已有的技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、本发明的双金属复合材料在扩散焊接前先烧结熔覆一层铜锡合金粉末，该粉末在高温下可以完全形成液相，进而在钢基体表面铺展与润湿，同时还原性气氛的存在，及时防止了界面处夹杂物与氧化物的产生，经过高温保温一段时间后，铜\钢界面发生冶金结合，大大提高了熔覆层与钢层的结合强度，并且由于熔覆层很薄，避免了普通熔焊中缩松缩孔、开裂等缺陷。
2、在进行扩散焊接时，熔覆层与铜层都是铜锡合金，其熔点、导热率、线膨胀系数等物理化学性能相似，因此熔覆层与铜层之间更容易进行扩散焊接。相比于已有技术的铜钢异种金属之间焊接，本发明的双金属复合材料可以实现高结合强度的同时降低焊接温度、压力等工艺参数，进而降低经济成本。
3、本发明的双金属复合材料在铜层中添加了10%的铅，铅作为润滑相可以起到减摩润滑的作用，但铅的加入增加了铜钢异种金属焊接的难度，使得铜钢界面存在富铅析出物，从而降低了界面的结合强度，熔覆层的加入可以避免该问题，实现铜层减摩润滑的同时保证界面之间较高的结合强度。
附图说明
图1为实施例1制备的CuSn10Pb10合金\45#钢双金属复合样件界面处的显微组织图。
图2为图1样件经过FeCl3试剂腐蚀后的显微组织图。
图3为本实施例所得试样的剪切强度和油润滑工况下试验2h后的摩擦学性能检测结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1
一种高结合强度铜钢双金属减摩耐磨复合材料的焊接操作步骤如下：
（1）分别将45#钢材和铅青铜合金棒（ZCuSn10Pb10）机械加工，得到尺寸Ø30×7mm的钢片基体和尺寸φ30×3mm的铜片，钢基体表面进行喷砂与乙醇清洗，铜合金表面进行粗打磨处理。
（2）称取6g的铜锡合金粉末（CuSn10），将铜锡合金粉末在液压机中压制成生坯，压制生坯的压力为750MPa。
（3）将步骤2中的生坯与步骤1中处理好的钢片基体组合并放入网带炉中烧结熔覆，一区温度为680℃，二区温度为770℃，三区温度为870℃，4～6区温度为1120℃，各温区所对应的网带长度分别为2.45m、2.45m、2.45m、7.35m，带速为70mm/min，期间铜锡合金粉末完全形成液相，从而在钢基体表面铺展与润湿。选择N2+H2作为保护气氛，保证生产安全并防止界面处夹杂物与氧化物的产生，在高温区保温一段时间后，铜\钢界面发生冶金结合，大大提高了熔覆层与钢层的结合强度。待铜锡合金液完全铺展并扩散后随炉冷却，获得很薄一层（50-100μm）铜锡合金的熔覆件。
（4）将步骤3中的熔覆件进行表面粗打磨与乙醇清洗，然后与步骤1中处理好的铜合金片组合并置于真空烧结炉中进行扩散焊接。焊接前，先将真空炉抽真空至1.0×102Pa，之后通入氩气，当炉内气体纯度达到90%以后，以10℃/min的升温速率升温至850℃，保温1h，焊接过程中加载压力为0.5MPa。保温结束后随炉冷却，得到铜层与熔覆层结合良好的焊接件。
（5）将步骤4中的焊接件进行低温退火处理，通入氮气气氛，热处理温度为450℃、保温时间为3h，保温结束后，立刻取出水淬。消除组织及界面内应力，扩大铜基体中锡的固溶度，最后精加工得到具有高结合强度的铜\钢双金属复合材料。
将复合材料样品分别进行剪切强度和在油润滑摩擦工况下摩擦磨损性能检测。样品在焊接界面处的剪切强度可达280MPa，铜层的摩擦系数为0.04。
实施例2
步骤（1）同实施例1；
步骤（2）同实施例1；
步骤（3）、将步骤2中的生坯与步骤1中处理好的钢片基体组合并放入网带炉中烧结熔覆，一区温度为680℃，二区温度为770℃，三区温度为870℃，4～6区温度为1100℃，各温区所对应的网带长度分别为2.45m、2.45m、2.45m、7.35m，带速为70mm/min，期间铜锡合金粉末完全形成液相，从而在钢基体表面铺展与润湿。选择N2+H2作为保护气氛，保证生产安全并防止界面处夹杂物与氧化物的产生，在高温区保温一段时间后，铜\钢界面发生冶金结合，大大提高了熔覆层与钢层的结合强度。待铜锡合金液完全铺展并扩散后随炉冷却，获得很薄一层（50-100μm）铜锡合金的熔覆件。
步骤（4）、将步骤3中的熔覆件进行表面粗打磨与乙醇清洗，然后与步骤1中处理好的铜合金片组合并置于真空烧结炉中进行扩散焊接。焊接前，先将真空炉抽真空至1.0×102Pa，之后通入氩气，当炉内气体纯度达到90%以后，以10℃/min的升温速率升温至900℃，保温1h，焊接过程中加载压力为0.3MPa。保温结束后随炉冷却，得到铜层与熔覆层结合良好的焊接件。
步骤（5）、将步骤4中的焊接件进行低温退火处理，通入氮气气氛，热处理温度为500℃、保温时间为1h，保温结束后，立刻取出水淬。消除组织及界面内应力，扩大铜基体中锡的固溶度，最后精加工得到具有高结合强度的铜\钢双金属复合材料。
将复合材料样品分别进行剪切强度和在油润滑摩擦工况下摩擦磨损性能检测。样品在焊接界面处的剪切强度可达240MPa，铜层的摩擦系数为0.08。
实施例3
步骤（1）同实施例1；
步骤（2）同实施例1；
步骤（3）、将步骤2中的生坯与步骤1中处理好的钢片基体组合并放入网带炉中烧结熔覆，一区温度为680℃，二区温度为770℃，三区温度为870℃，4～6区温度为1150℃，各温区所对应的网带长度分别为2.45m、2.45m、2.45m、7.35m，带速为70mm/min，期间铜锡合金粉末完全形成液相，从而在钢基体表面铺展与润湿。选择N2+H2作为保护气氛，保证生产安全并防止界面处夹杂物与氧化物的产生，在高温区保温一段时间后，铜\钢界面发生冶金结合，大大提高了熔覆层与钢层的结合强度。待铜锡合金液完全铺展并扩散后随炉冷却，获得很薄一层（50-100μm）铜锡合金的熔覆件。
步骤（4）、将步骤3中的熔覆件进行表面粗打磨与乙醇清洗，然后与步骤1中处理好的铜合金片组合并置于真空烧结炉中进行扩散焊接。焊接前，先将真空炉抽真空至1.0×102Pa，之后通入氩气，当炉内气体纯度达到90%以后，以10℃/min的升温速率升温至875℃，保温2h，焊接过程中加载压力为0.2MPa。保温结束后随炉冷却，得到铜层与熔覆层结合良好的焊接件。
步骤（5）、将步骤4中的焊接件进行低温退火处理，通入氮气气氛，热处理温度为350℃、保温时间为3h，保温结束后，立刻取出水淬。消除组织及界面内应力，扩大铜基体中锡的固溶度，最后精加工得到具有高结合强度的铜\钢双金属复合材料。
将复合材料样品分别进行剪切强度和在油润滑摩擦工况下摩擦磨损性能检测。样品在焊接界面处的剪切强度可达256MPa，铜层的摩擦系数为0.06。
图1为实施例1制备的CuSn10Pb10合金\45#钢双金属复合样件界面处的显微组织图。图2为图1样件经过FeCl3试剂腐蚀后的显微组织图，其中1区为45#钢组织、2区为中间熔覆层组织、3区为CuSn10Pb10合金组织，熔覆层与钢层实现了冶金结合。由图1与图2可以看出，熔覆层与铜层界面结合良好，铜原子之间扩散充分，无明显分界界面。图3为本实施例所得试样的剪切强度和试验2h后的摩擦学性能检测结果。综上可知，该双金属材料的焊接结合层具有较高的结合强度。并且铜层铅润滑相分布均匀，起到良好的减摩润滑作用。

Claims (6)

1.一种高结合强度铜钢双金属减摩耐磨复合材料的焊接方法，其特征在于操作步骤如下：
（1）取面积大小相同的一块钢片和一块铜合金片，对钢片的表面进行喷砂，乙醇清洗；对铜合金片表面进行粗打磨处理；
（2）取铜锡合金粉末（CuSn10），将铜锡合金粉末在液压机中压制成片状生坯；
（3）将片状生坯放置在钢片上，在网带炉中烧结熔覆，使生坯完全形成液相，且铺展润湿钢片的整个表面，随炉冷却，获得具有熔覆层的钢片熔覆件，所述铜锡合金熔覆层的厚度为50-100μm；
（4）将钢片熔覆件的熔覆层表面粗打磨，乙醇清洗；将钢片熔覆件的熔覆层表面和铜合金片对合，在真空烧结炉中进行扩散焊接；随炉冷却，得到焊接件；铜钢双金属减摩耐磨复合材料；
（5）将焊接件低温退火处理，水淬，得到具有高结合强度的铜钢双金属复合材料；所述铜钢双金属复合材料的焊接界面处的剪切强度为240～280MPa。
2.根据权利要求1所述的一种高结合强度铜钢双金属减摩耐磨复合材料的焊接方法，其特征在于：步骤（1）中，所述铜合金片材料为铅青铜合金（ZCuSn10Pb10）。
3.根据权利要求1所述的一种高结合强度铜钢双金属减摩耐磨复合材料的焊接方法，其特征在于：步骤（2）中，所述铜锡合金材料为CuSn10，生坯压制的压力为700～800MPa。
4.根据权利要求1所述的一种高结合强度铜钢双金属减摩耐磨复合材料的焊接方法，其特征在于：步骤（3）中，烧结条件：烧结温度为1100～1150℃、带速70mm/min、氮气和氢气混合（N2+H2）气氛保护。
5.根据权利要求1所述的一种高结合强度铜钢双金属减摩耐磨复合材料的焊接方法，其特征在于：步骤（4）中，先将真空炉抽真空至1.0×102Pa，通入氩气，当炉内气体纯度达到90%，以10℃/min的升温速率升温至850～900℃，保温1～2h，焊接过程中加载压力为0.2～0.5MPa。
6.根据权利要求1所述的一种高结合强度铜钢双金属减摩耐磨复合材料的焊接方法，其特征在于：步骤（5）中，低温退火条件：退火温度为450℃、保温时间为3h，保温结束立刻取出水淬，消除组织及界面内应力，扩大铜基体中锡的固溶度。
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