CN114058899A - 一种锡基巴氏合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锡基巴氏合金的制备方法；包括以下步骤：S10：获取第一金属原料，在T₁温度下，熔炼至所述第一金属原料全部熔化，得到第一金属溶液；S20：在所述第一金属溶液中加入第二金属原料，在T₂温度下熔炼至所述第二金属原料全部熔化，得到第二金属溶液；S30：在所述第二金属溶液中加入第三金属原料，在T₃温度下熔炼至所述第三金属原料全部熔化，搅匀冷却得到所述巴氏合金；其中，T₁＞T₂＞T₃。本发明通过添加钴、镍、锌元素，提高了巴氏合金的熔点，高温强度，界面强度，细化合金组织。

Description

一种锡基巴氏合金的制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，具体而言，涉及一种锡基巴氏合金的制备方法。

背景技术

巴氏合金因其表面呈现亮白色又称为白合金或乌合金，主要是由锡、锑、铜三种元素组成，是一种软的基体上分布着硬质相的低熔点合金材料，以其组织具有良好的嵌藏性、顺应性及抗咬合性能而广泛作为各种滑动轴承的内衬，如涡轮机、汽轮机、船舶、汽车等大型机械主轴的轴承、轴套、轴瓦等关键部件。

按照基体不同，巴氏合金主要分为锡基巴氏合金和铅基巴氏合金。而锡基巴氏合金以其优异的抗咬合性、嵌入性及抗腐蚀性能广泛应用到实际生产中，其中锡基巴氏合金ZChSnSb8-4、ZChSnSb11-6广泛通过离心浇铸、重力浇铸或电弧喷涂等方法实现轴承壳体与钢基体结合，形成轴承合金。

但是，在实际施工过程中，存在这样一个问题：巴氏合金的强度不够，容易造成巴氏合金层脱落，烧瓦等事故发生。

发明内容

本发明旨在提供一种强度更高的锡基巴氏合金，按照质量份包括：锑，9质量份至12质量份；铜，5质量份至7质量份；镍，0.5质量份至1.5质量份；钴，0.5质量份至1.5质量份；锌，0.05质量份至2质量份；锡，76质量份至84.95质量份。

作为优选，上述锡基巴氏合金，按照质量份包括：锑，9质量份至12质量份；铜，5质量份至7质量份；镍，0.8质量份至1.2质量份；钴，0.8质量份至1.2质量份；锌，0.1质量份至1质量份；锡，77.6质量份至84.3质量份。

在本实施例中，通过添加微量高熔点的钴和镍，提高了巴氏合金的熔点、高温强度以及界面强度，使得巴氏合金机械再结晶温度得到提高，可有效避免巴氏合金层在半干摩擦服役过程中烧瓦现象的发生；另一方面，通过钴、镍和锌的添加，优化了合金的成分，细化了合金组织。钴和镍可以和合金基体中的锡发生反应，生成了Co₂Sn、Ni₃Sn₄化合物，从而在巴氏合金喷涂或者浇铸的过程中，抑制具有界面脆性的FeSn、FeSn₂相的生成，并且进一步提高界面强度。锌可以固溶于Cu₆Sn₅化合物中，并能细化方块状SnSb相尺寸，强化材料整体强度。

优选的，巴氏合金中的钴和锡形成Co₂Sn化合物；和/或巴氏合金的镍和锡形成Ni₃Sn₄化合物。

在本实施例中，钴和镍可以和合金基体中的锡发生反应，生成了Co₂Sn、Ni₃Sn₄化合物，从而在巴氏合金喷涂或者浇铸的过程中，抑制了具有界面脆性的FeSn、FeSn₂相的生成，并且进一步提高界面强度。

优选的，上述巴氏合金由以下方式制备得到：

S10：获取第一金属原料，在T₁温度下，熔炼至第一金属原料全部熔化，得到第一金属溶液；

S20：在第一金属溶液中加入第二金属原料，在T₂温度下熔炼至第二金属原料全部熔化，得到第二金属溶液；

S30：在第二金属溶液中加入第三金属原料，在T₃温度下熔炼至第三金属原料全部熔化，搅匀冷却得到巴氏合金；

其中，T₁＞T₂＞T₃；

第一金属原料包括铜、镍和钴；和/或第二金属原料包括锡和锑；和/或第三金属原料包括锌。

在本实施例种，通过设定温度梯度，针对熔点不同的合金在制备过程中梯度降温；具体的，在制备的过程中，先加入铜、镍、钴材料，再放锡、锑材料，最后放锌材料，防止材料烧损。

另一方面，本发明还提供一种锡基巴氏合金的制备方法，包括以下步骤：

S10：获取第一金属原料，在T₁温度下，熔炼至第一金属原料全部熔化，得到第一金属溶液；

S20：在第一金属溶液中加入第二金属原料，在T₂温度下熔炼至第二金属原料全部熔化，得到第二金属溶液；

S30：在第二金属溶液中加入第三金属原料，在T₃温度下熔炼至第三金属原料全部熔化，搅匀冷却得到巴氏合金；

其中，T₁＞T₂＞T₃；

所述第一金属原料包括：铜，5质量份至7质量份；镍，0.5质量份至1.5质量份；钴，0.5质量份至1.5质量份；

所述第二金属原料包括：锡，76质量份至84.95质量份；锑，9质量份至12质量份；

所述第三金属原料包括：锌，0.05质量份至2质量份。

本实施例中，通过设定温度梯度，针对熔点不同的合金在制备过程中梯度降温；钴和镍可以和合金基体中的锡发生反应，生成了Co₂Sn、Ni₃Sn₄化合物，从而抑制了具有界面脆性的FeSn、FeSn₂相的生成，锌在锡锑相中生成晶粒，弥散强化材料；锌还可以细化锡锑相的晶粒尺寸，强化复合材料整体的强度。

优选的，T₁温度为1000-1200℃；和/或T₂温度为550-630℃；所述T₃温度为440-460℃。

本实施例中，温度设定的具体数值根据金属的熔点来确定，将金属原料中熔点较高的铜、镍和钴混合熔炼，因而设定T₁的温度为1000-1200℃；其次加入锡和锑，两者混合熔炼的温度T₂设定为550-630℃；最后加入锌，锌的熔点为420℃左右，设定T₃的温度为440-450℃，使得锌完全溶解，搅拌均匀冷却即可得到巴氏合金。在巴氏合金冷却到300℃左右的温度时，锌可以在锡锑相中生成晶粒，弥散强化材料。

优选的，步骤S10具体包括：

S11：获取第一金属原料，在第一金属原料的表面铺设覆盖剂；

S12：在T₁温度下，采用感应熔炼的方式对第一金属原料进行熔炼。

在本实施例中，首先将第一金属原料放入熔炼容器中，并且覆盖一层覆盖剂，隔绝空气避免金属氧化；其中，熔炼容器一般选用高纯石墨坩埚，覆盖剂一般选用银钎剂和木炭粉。采用感应熔炼的方式，熔化升温快，加热均匀并且操作工艺简单，可以满足本实施方式中的工艺需求。

优选的，步骤S30包括：

S31：将第三金属原料压入第二金属溶液底部；

S32：在T₃温度下保温直至第三金属原料全部熔化；搅拌均匀，得到第三金属溶液；

S33：在第三金属溶液中加入精炼剂并且静置精炼，冷却得到巴氏合金。

在本实施例中，采用上述制备方法，制备得到的锌可以固溶于Cu₆Sn₅化合物中，并能细化方块状SnSb相尺寸，强化材料整体强度。

优选的，精炼剂为氯化锌。

在本实施例中，使用氯化锌作为精炼剂，氯化锌具备溶解金属氧化物的特性，可以对出去巴氏合金中的杂质，精炼剂也可以是氯化锌和脱水氯化铵。

优选的，在T₃温度下保温的保温时间为12-18分钟。

在本实施例中，通过保温一段时间，使得锌可以熔入合金，进一步有利于体系内的各组分充分扩散。

优选的，静置精炼的时间为1-2分钟。

在本实施例中，加入精炼剂后静置一段时间，有利于杂质的去除，另一方面，静置的时间无需过长，在1分钟左右为宜。

附图说明

图1为对比例的光镜组织图。

图2为本发明实施例3的光镜组织图。

图3为本发明实施例4的光镜组织图。

图4为本发明实施例4的电镜组织图。

图5为本发明实施例4的点扫描图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

随着工业技术的飞速发展，对高速、重载的工程机械的需求越发高涨，常规轴承合金在服役过程中随着服役环境的逐渐恶化。而作为轴瓦材料使用的巴氏合金承载能力低，高温强度差，且自身熔点偏低。随着服役温度的升高，机械强度急剧降低，极易造成巴氏合金层脱落，烧瓦等事故发生，故而对巴氏合金强度、界面结合强度等均提出了更高的要求。

因此，本发明实施例提供了一种锡基巴氏合金，按照质量份包括：锑，9质量份至12质量份；铜，5质量份至7质量份；镍，0.5质量份至1.5质量份；钴，0.5质量份至1.5质量份；锌，0.05质量份至2质量份；锡，76质量份至84.95质量份。进一步地，上述各成分的质量份之和为100。

优选的，一种锡基巴氏合金按照质量份包括：锑，9质量份至12质量份；铜，5质量份至7质量份；镍，0.8质量份至1.2质量份；钴，0.8质量份至1.2质量份；锌，0.1质量份至1质量份；锡，77.6质量份至84.3质量份。

在本实施例中，提供了一种锡基巴氏合金，通过添加微量高熔点的钴和镍，提高了巴氏合金的熔点、高温强度以及界面强度，使得巴氏合金机械再结晶温度得到提高，可有效避免巴氏合金层在半干摩擦服役过程中烧瓦现象的发生；另一方面，通过钴、镍和锌的添加，优化了合金的成分，细化了合金组织。在成分配比的过程中，锑、铜、镍、钴的含量会影响锌的添加量，在锑：铜：镍：钴的质量比为10:6.5:0.9:1的情况下，锌的添加范围相对较大。具体的，在一个具体实施方式中，各成分的添加量为：锑，10质量份；铜，6.5质量份；镍，0.9质量份；钴，1质量份；锌，0.05质量份至2质量份；锡，79.6质量份至81.55质量份；其中，各成分的质量份之和为100。在本实施例中，巴氏合金的抗拉强度、金相组织等相关的性能表征随着锌的添加量的增加而升高，锌可以通过弥散强化提高上述巴氏合金的强度。

在本实施例的部分实施方式中，巴氏合金中的钴和锡形成Co₂Sn化合物；和/或巴氏合金的镍和锡形成Ni₃Sn₄化合物。本实施例中，钴和镍可以和合金基体中的锡发生反应，生成了Co₂Sn、Ni₃Sn₄化合物，从而在巴氏合金喷涂或者浇铸的过程中，抑制了具有界面脆性的FeSn、FeSn₂相的生成，并且进一步提高界面强度。

在本实施例的部分实施方式中，巴氏合金由以下方式制备得到：

S10：获取第一金属原料，在T₁温度下，熔炼至第一金属原料全部熔化，得到第一金属溶液；

S20：在第一金属溶液中加入第二金属原料，在T₂温度下熔炼至第二金属原料全部熔化，得到第二金属溶液；

S30：在第二金属溶液中加入第三金属原料，在T₃温度下熔炼至第三金属原料全部熔化，搅匀冷却得到巴氏合金；

其中，T₁＞T₂＞T₃；

第一金属原料包括铜、镍和钴；和/或第二金属原料包括锡和锑；和/或第三金属原料包括锌。

在上述实施方式中，通过设定温度梯度，针对熔点不同的合金在制备过程中梯度降温；具体的，在制备的过程中，先加入铜、镍、钴材料，再放锡、锑材料，最后放锌材料，防止材料烧损。

另一方面，本发明实施例还提供一种巴氏合金的制备方法，包括以下步骤：

S10：获取第一金属原料，在T₁温度下，熔炼至第一金属原料全部熔化，得到第一金属溶液；

S20：在第一金属溶液中加入第二金属原料，在T₂温度下熔炼至第二金属原料全部熔化，得到第二金属溶液；

S30：在第二金属溶液中加入第三金属原料，在T₃温度下熔炼至第三金属原料全部熔化，搅匀冷却得到巴氏合金；

其中，T₁＞T₂＞T₃；

第一金属原料包括铜、镍和钴；和/或第二金属原料包括锡和锑；和/或第三金属原料包括锌。

在本实施例中，第一金属原料可以是铜锭、镍粉和钴粉；第二金属原料可以是锡锭和锑锭；第三金属原料可以是锌粒；其中，铜锭、镍粉、钴粉、锡锭、锑锭和锌粒的纯度为99.99%。在具体的实施过程中，各原料配比如下：锑，9质量份至12质量份；铜，5质量份至7质量份；镍，0.5质量份至1.5质量份；钴，0.5质量份至1.5质量份；锌，0.05质量份至2质量份；锡，76质量份至84.95质量份。本实施例通过设定温度梯度，针对熔点不同的合金在制备过程中梯度降温；钴和镍可以和合金基体中的锡发生反应，生成了Co₂Sn、Ni₃Sn₄化合物，从而抑制了具有界面脆性的FeSn、FeSn₂相的生成，锌在锡锑相中生成晶粒，弥散强化材料；锌还可以细化锡锑相的晶粒尺寸，强化复合材料整体的强度。

在本实施例的部分实施方式中，T₁温度为1000-1200℃；和/或T₂温度为550-630℃；所述T₃温度为440-460℃。本实施方式中，温度设定的具体数值根据金属的熔点来确定，将金属原料中熔点较高的铜、镍和钴混合熔炼，因而设定T₁的温度为1000-1200℃；其次加入锡和锑，两者混合熔炼的温度T₂设定为550-630℃；最后加入锌，锌的熔点为420℃左右，设定T₃的温度为440-450℃，使得锌完全溶解，搅拌均匀冷却即可得到巴氏合金。在巴氏合金冷却到300℃左右的温度时，锌可以在锡锑相中生成晶粒，弥散强化材料。

在本实施例的部分实施方式中，步骤S10具体包括：

S11：获取第一金属原料，在第一金属原料的表面铺设覆盖剂；

S12：在T₁温度下，采用感应熔炼的方式对第一金属原料进行熔炼。

在上述实施方式中，首先将第一金属原料放入熔炼容器中，并且覆盖一层覆盖剂，隔绝空气避免金属氧化；其中，熔炼容器一般选用高纯石墨坩埚，覆盖剂一般选用银钎剂和木炭粉。采用感应熔炼的方式，熔化升温快，加热均匀并且操作工艺简单，可以满足本实施方式中的工艺需求；在具体的实施过程中，熔炼的时间为3分钟左右。

在本实施例的具体实施方式中，步骤S30包括：

S31：将第三金属原料压入第二金属溶液底部；

S32：在T₃温度下保温直至第三金属原料全部熔化；搅拌均匀，得到第三金属溶液；

S33：在第三金属溶液中加入精炼剂并且静置精炼，冷却得到巴氏合金。

在本实施例的具体实施方式中，精炼剂为氯化锌；或者精炼剂为氯化锌和脱水氯化铵。

在本实施例的具体实施方式中，在T₃温度下保温的保温时间为12-18分钟。

在本实施例的具体实施方式中，静置精炼的时间为1-2分钟。

在本实施方式中，第三金属原料为锌粒或者锌片，采用石英盅罩将锌粒压入第三金属溶液的底部，具体位置为第三金属溶液底部上方的2厘米左右的位置，并且在T₃温度下保温12-18分钟，从而使锌熔入合金中；保温结束后采用石磨棒搅拌均匀，使得体系内的各组分充分扩散，然后加入精炼剂，静置精炼1-2分钟，去除杂质。进行冷却的操作时，将精炼结束后的第三金属溶液倒入200℃预热的石墨坩埚中，空冷至室温。在本实施方式中，锌可以固溶于Cu₆Sn₅化合物中，并能细化方块状SnSb相尺寸，强化材料整体强度。

本发明实施例提供的巴氏合金可以作为轴瓦材料；也可以加工成丝、片、箔、粉等形状，作为钎料进行钎焊；焊接的母材包括：不锈钢，碳钢、灰铸铁、镁合金、铝合金、铜合金等。

实施例1

本实施例提供一种锡基巴氏合金，按照质量份包括：81.5份锡、10份锑、6.5份铜、0.9份镍、1份钴、0.1份锌。

实施例2

本实施例提供一种锡基巴氏合金，按照质量份包括：81.3份锡、10份锑、6.5份铜、0.9份镍、1份钴、0.3份锌。

实施例3

本实施例提供一种锡基巴氏合金，按照质量份包括：81.1份锡、10份锑、6.5份铜、0.9份镍、1份钴、0.5份锌。

实施例4

本实施例提供一种锡基巴氏合金，按照质量份包括：80.6份锡、10份锑、6.5份铜、0.9份镍、1份钴、1份锌。

实施例5

本实施例提供一种锡基巴氏合金的制备方法，包括以下步骤，

S11：将铜、镍、钴放置在石墨坩埚中，表面铺设银钎剂及木炭粉；

S12：调整熔炼温度为1100℃，采用感应熔炼的方式，熔炼3分钟得到第一金属溶液；

S20：在第一金属溶液中加入锡和锑，在温度为600℃的条件下熔炼至全部熔化，得到第二金属溶液；

S31：将锌压入第二金属溶液底部；

S32：在温度为450℃的条件下保温15分钟，直至第三金属原料全部熔化；搅拌均匀，得到第三金属溶液；

S33：在第三金属溶液中加入精炼剂并且静置精炼1分钟，然后倒入200℃预热的石墨坩埚中，空冷至室温，得到巴氏合金。

在本实施例中，各成分的配比如下：锑，9质量份至12质量份；铜，5质量份至7质量份；镍，0.5质量份至1.5质量份；钴，0.5质量份至1.5质量份；锌，0.05质量份至2质量份；锡，76质量份至84.95质量份；其中，各成分的质量份相加为100。

根据需要制备的巴氏合金的设定成分进行配比，即可制备得到如实施例1-4提供的巴氏合金。

实施例6

本实施例提供一种锡基巴氏合金，按照质量份包括：84.95份锡、9份锑、5份铜、0.5份镍、0.5份钴、0.05份锌。

本实施例还提供一种锡基巴氏合金的制备方法，根据上述质量份配比原料，还包括以下步骤：

S11：将铜、镍、钴放置在石墨坩埚中，表面铺设银钎剂及木炭粉；

S12：调整熔炼温度为1000℃，采用感应熔炼的方式，熔炼3分钟得到第一金属溶液；

S20：在第一金属溶液中加入锡和锑，在温度为550℃的条件下熔炼至全部熔化，得到第二金属溶液；

S31：将锌压入第二金属溶液底部；

S32：在温度为440℃的条件下保温18分钟，直至第三金属原料全部熔化；搅拌均匀，得到第三金属溶液；

S33：在第三金属溶液中加入精炼剂并且静置精炼2分钟，然后倒入200℃预热的石墨坩埚中，空冷至室温，得到巴氏合金。

实施例7

本实施例提供一种锡基巴氏合金，按照质量份包括：76份锡、12份锑、7份铜、1.5份镍、1.5份钴、2份锌。

本实施例还提供一种锡基巴氏合金的制备方法，根据上述质量份配比原料，还包括以下步骤：

S11：将铜、镍、钴放置在石墨坩埚中，表面铺设银钎剂及木炭粉；

S12：调整熔炼温度为1200℃，采用感应熔炼的方式，熔炼3分钟得到第一金属溶液；

S20：在第一金属溶液中加入锡和锑，在温度为630℃的条件下熔炼至全部熔化，得到第二金属溶液；

S31：将锌压入第二金属溶液底部；

S32：在温度为460℃的条件下保温12分钟，直至第三金属原料全部熔化；搅拌均匀，得到第三金属溶液；

S33：在第三金属溶液中加入精炼剂并且静置精炼2分钟，然后倒入200℃预热的石墨坩埚中，空冷至室温，得到巴氏合金。

根据国标GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸实验》对实施例1-4提供的巴氏合金的抗拉强度进行测试，拉伸速率2mm/min；对比例为ZchSnSb12-6，其试验结果如表1所示。

表1 实施例1-4及对比例的巴氏合金抗拉强度对比

从表1可以看出，本发明的锡基巴氏合金的抗拉强度在100MPa以上，相比于ZChSnSb12-6(80.7),自身抗拉强度提高了25%以上。

采用挂锡-浇铸的方式将实施例1-4提供的巴氏合金浇铸至钢基体表面，随后参照国标GB/T12948-1991机加工成界面连接强度标准式样，界面结合强度如表2所示，对比例为ZchSnSb12-6。

表2 实施例1-4及对比例轴瓦结合强度对比

从表2可以看出本发明的锡基巴氏合金界面结合强度相比于ZChSnSb12-6有大幅度提升，是ZChSnSb12-6的1.3倍以上。

参见图1-5，进一步对本发明提供的锡基巴氏合金的金相进行对比，其中，图1为图1为对比例ZchSnSb12-6的光镜组织图；图2为本发明实施例3的光镜组织图；图3为本发明实施例4的光镜组织图。对比图1-3的金相组织可以看出加入Zn元素后，组织中的块状SnSb相含量随着Zn元素含量增加，含量不断减低且尺寸明显减少。图4为本发明实施例4的电镜组织图，图5为本发明实施例4的点扫描图；从图4和图5中可以看出，锌元素主要分布在Cu₆Sn₅相中。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种锡基巴氏合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：获取第一金属原料，在T₁温度下，熔炼至所述第一金属原料全部熔化，得到第一金属溶液；

S20：在所述第一金属溶液中加入第二金属原料，在T₂温度下熔炼至所述第二金属原料全部熔化，得到第二金属溶液；

S30：在所述第二金属溶液中加入第三金属原料，在T₃温度下熔炼至所述第三金属原料全部熔化，搅匀冷却得到所述巴氏合金；

其中，T₁＞T₂＞T₃；

所述第一金属原料包括：铜，5质量份至7质量份；镍，0.5质量份至1.5质量份；钴，0.5质量份至1.5质量份；

所述第二金属原料包括：锡，76质量份至84.95质量份；锑，9质量份至12质量份；

所述第三金属原料包括：锌，0.05质量份至2质量份。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

所述第一金属原料包括：铜，5质量份至7质量份；镍，0.8质量份至1.2质量份；钴，0.8质量份1.2质量份；和/或

所述第二金属原料包括：锡，77.6质量份至84.3质量份；锑，9质量份至12质量份；和/或

所述第三金属原料包括：锌，0.1质量份至1质量份。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

所述巴氏合金的所述钴和所述锡形成Co₂Sn化合物；和/或

所述巴氏合金的所述镍和所述锡形成Ni₃Sn₄化合物。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

所述T₁温度为1000-1200℃；和/或

所述T₂温度为550-630℃；和/或

所述T₃温度为440-460℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S10：获取第一金属原料，在T₁温度下，熔炼至所述第一金属原料全部熔化，得到第一金属溶液；包括：

S11：获取所述第一金属原料，在所述第一金属原料的表面铺设覆盖剂；

S12：在T₁温度下，采用感应熔炼的方式对所述第一金属原料进行熔炼。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S30：在所述第二金属溶液中加入第三金属原料，在T₃温度下熔炼至所述第三金属原料全部熔化，搅匀冷却得到所述巴氏合金；包括：

S31：将所述第三金属原料压入所述第二金属溶液底部；

S32：在T₃温度下保温直至所述第三金属原料全部熔化；搅拌均匀，得到第三金属溶液；

S33：在所述第三金属溶液中加入精炼剂并且静置精炼，冷却得到所述巴氏合金。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述精炼剂为氯化锌。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述在T₃温度下保温的保温时间为12-18分钟。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述静置精炼的时间为1-2分钟。

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