CN114250460A - 一种锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于双金属复合材料制造技术领域，涉及一种锡镍青铜‑碳钢复合双金属轴承套的制造方法，包括如下步骤：按照设计配方配制以CuSnNi三元合金为基础，另外加入适量的Zn、Co、Bi、Mn等固溶强化合金元素为配方的锡镍青铜合金，经真空熔炼后采用惰性气体雾化法先制备出相应配方的合金粉；从中优选出粒径范围在8‑45微米范围内的粉末；采用超音速冷气动力喷涂技术，使用高纯工业氮气作为喷涂介质气体，将该合金粉末喷涂在碳钢轴套的基材上，随后对铜合金‑钢双金属件进行真空退火，再对双金属轴套进行机加工使其尺寸符合设计要求，即可获得润滑性能、耐磨性能和耐蚀性能良好的双金属轴套材料。

Description

一种锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法
技术领域
本发明属于双金属复合材料制造技术领域，尤其涉及一种锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法。
背景技术
双金属轴承材料中的耐磨铜合金有很多种类，其中铜基材料承担的主要功能是在工作载荷的条件下确保其耐磨性能，并具备良好的自润滑效果。其中应用于高载荷、大功率发动机、内燃机、矿山机械、等行业用的轴承，不仅要求材料本身具有高强度、优异的耐磨减摩性能，还要求轴承材料能适应苛刻的工况环境，具有抗应力腐蚀、抗化学腐蚀、无油状态下仍具有良好的抗黏着能力。符合这一要求的铜合金，早期主要采用铅青铜合金材料，但是铅青铜中的铅元素不符合环保要求，且铅青铜在耐有机酸腐蚀方面也有所欠缺，因此寻找更环保、性能更出色的材料配方成为近年来的热门研究方向。其中锡镍青铜由于其出色的综合机械性能，在耐磨减摩铜合金材料中脱颖而出。与铅青铜相比，它不仅有着更高强度和硬度，屈服强度比铅青铜高5-6倍，同时还具有良好的抗应力腐蚀和抗化学腐蚀能力，在工况条件苛刻的轴承中，如轧辗机械用轴承、车辆用轴承、风电叶片轴承、内燃机双金属轴瓦等领域，具有广泛的应用场景。
目前，锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承多采用离心铸造法制造和激光熔覆工艺来来实现双金属制造。其中离心铸造法是传统工艺，其优点是应用历史较长，工艺相对成熟，缺点是离心铸造用在生产有开口的异形件时有一定局限性；此外离心铸造加工余量大，铜合金材料浪费较多；还有就是铸件易产生偏析，对产品性能有一定影响。激光熔覆是利用高能量密度的激光束，将铜合金丝材或粉末快速熔化后涂覆在钢材表面上，实现两种材质的冶金结合，其优点是界面结合强度较好，但激光熔覆局部能量较高，材料中温度梯度大，容易在涂层中产生熔覆层裂纹、气孔等缺陷。
本发明不仅提供了一组耐磨减摩性能优秀的锡镍青铜合金配方，制备出对应的球形铜合金粉末材料，并且将超音速冷气动力喷涂这一工艺技术引入到双金属轴承材料的制造流程中，利用非活性工业气体作为喷涂动力介质，将铜合金粉末颗粒加速到超音速后，均匀地撞向钢质轴瓦或轴套基材，使铜合金粉末发生剧烈塑性变形+冷焊合，在钢基材表面上沉积为一层厚度可控的铜合金致密涂层，完成铜合金层和他钢套的复合。采用该技术获得的锡镍青铜冷喷涂层与钢套基体之间为稳定可靠的冶金级结合，且生成的涂层均匀致密，晶粒均匀细致，无成分偏析，无裂纹，气孔等缺陷，具备较高承载能力和抗疲劳强度，且具有良好的耐磨性和减摩效果。该工艺最突出的特点是，由于冷喷涂工艺过程是在较低温度下完成的（室温~550℃范围），铜合金材料仅发生塑性变形及冷焊合，而没有“熔化-凝固”这一结晶过程，避免了采用离心铸造和激光熔覆过程中铜合金中可能产生的偏析、缩孔、缩松、富锡相逸出、气泡等缺陷，产品的稳定性和可靠性更高。
本发明所述的锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法，不仅包含耐磨减摩铜合金材料的配方设计，而且包含用超音速冷气动力喷涂这一制造双金属轴承材料的工艺方法，该方法不仅能制造出的铜合金涂层微观组织均匀，晶粒细小、内部无裂纹、气孔，与钢基材形成良好冶金结合，同时粉末利用率高达95%以上。工艺过程中涂层厚度能够精确控制，整个工艺过程易实现全自动控制，具有低能耗、高效率、无污染、低成本的工业化优势，具有较好的商业应用前景。
发明内容
本发明旨在针对现有的铜基双金属轴承的具体需求，提供一种锡镍青铜-碳钢复合双金属耐磨减摩滑动轴承套的制造方法，包括如下步骤：按照设计配方配制锡镍青铜合金，经真空熔炼后采用惰性气体雾化法先制备出相应配方的合金粉；从中优选出合适粒径范围的铜合金粉末；将该铜合金粉末输入超音速冷气动力喷涂设备的送粉系统，启动超音速冷气动力喷涂流程，采用非活性工业气体作为介质气体，将铜合金粉末颗粒加速到超音速，撞向预先准备好的钢质轴瓦或轴套基材上，使铜合金粉发生剧烈塑性变形+冷焊合，与钢基材表面形成冶金级结合，并逐渐沉积为一层厚度可精确控制的铜合金致密涂层，成为铜合金-钢双金属复合材料；然后对双金属部件进行真空退火，去除冷喷涂工艺过程中产生的应力；再对双金属件进行机加工，即可获得锡镍青铜-碳钢复合双金属工件。采用该技术获得的锡镍青铜冷喷涂层与钢套基体之间为稳定可靠的冶金级结合，且生成的涂层均匀致密，无成分偏析，无裂纹气孔等缺陷，具备较高承载能力和抗疲劳强度，且具有良好的耐磨性和减摩效果；由于冷喷涂工艺过程是在较低温度下完成的（室温~550℃范围），铜合金材料仅发生塑性变形及冷焊合，而避免了离心铸造及激光熔覆工艺中的“熔化-凝固”这一过程可能带来的成分偏析、缩孔、缩松、富锡相逸出、气泡等缺陷，因而产品的稳定性更好。
该技术克服了采用离心铸造、激光熔覆等传统技术制造双金属工件时工件处于高热环境对双金属材料力学性能造成的劣化，如导致其拉伸屈服强度、承载疲劳极限等性能下降的工艺弱点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法，括如下步骤：
步骤一、按照预先设计的锡镍青铜合金成份配比，将涉及到的各组元金属原料称重后，将其熔炼成合金，采用惰性气体雾化法将熔融合金液雾化成为球形粉末，从中筛分出符合粒径要求的铜合金粉末；
步骤二、将步骤一获得的铜合金粉末输入冷喷涂系统的送粉系统，采用非活性气体作为喷涂介质，按照冷喷涂工艺标准进行冷喷涂流程，将铜合金粉末喷涂到预先备好的钢材轴套材料上，获得一定厚度的涂层；
步骤三、将步骤二获得的双金属胚件进行真空退火处理，以消除喷涂时产生的内部应力；
步骤四、对步骤三得到的铜合金-钢双金属胚件进行机加工，获得精准尺寸的双金属轴瓦、轴套工件。
作为本发明一种锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法的改进，步骤一所述的锡镍青铜典型配方为：CuSn2-15wt%Ni0.5-15%。
以上锡镍青铜合金粉末的制备工艺为：将纯Cu锭以及其余合金组份按照设计配方进行称量，投入中频感应炉的石墨坩埚内进行真空感应熔炼，然后用气雾化法制成铜合金球形粉末。真空感应熔炼时的熔体温度为1050～1200℃；雾化制粉工艺所用的气体为高纯氮气，雾化气压为2.5～4.5Mpa。步骤一所获得的铜合金粉为球形粉，铜合金粉末的含氧量小于300ppm；从铜合金粉末中挑选出的尺寸符合冷喷涂工艺要求的粉末，系指粒径范围为8～45微米的粉末。
作为本发明一种锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法的改进，步骤二所述的超音速冷喷涂系统包括送粉系统、高压气源、气体加热器、气体调节控制系统和喷枪。喷枪采用拉瓦尔喷枪，喷涂介质气体为高纯氮气或高纯氩气。冷喷涂时，气体工作温度为室温～550℃，冷喷涂气压为1.5～3.5Mpa，粉末输送量为0.1～400g/min；工作时，由机械臂夹紧喷枪进行精确定位，并按照设计的运动轨迹一边喷涂一边移动；碳钢衬底工件则夹持于机床的三爪卡盘上实现轴向转动和水平给进。最终在钢基底上形成一层厚度可控的耐磨减摩铝青铜合金涂层。涂层厚度可根据实际需要进行调控，厚度设计应尽量减少后续加工余量。涂层厚度一般控制在1-３mm范围内。
作为本发明一种锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法的改进，步骤三所述的消除应力退火温度设定为500～550℃，退火时间为0.5～2.5小时。
作为本发明一种锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法的改进，步骤三退火后得到的双金属胚件须进行常规切磨抛等机加工，以获得精确尺寸的双金属轴瓦、轴套零件单元，进入后续加工流程。
具体实施方式
以下结合具体实施例来对本发明及有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
本实施例提供了一种配方为CuSn12Ni2Zn0.5的铜合金-钢复合双金属轴瓦、轴套的材料及其制造方法，包括以下步骤：
步骤一、先将Cu、Sn、Ni 、Zn等配方原料按照Sn:11.5~13wt%、Ni:1.5~2.5wt%、Zn:0.4~0.8wt%进行称量，将几种金属投入中频感应炉的石墨坩埚内进行真空感应熔炼，然后采用气雾化工艺制成CuSn12Ni2Zn0.5合金球形粉末，雾化介质为高纯氮气。真空感应熔炼的温度为950℃，采用超音速气雾化喷嘴，雾化气体压力3.7 Mpa。
步骤二、将步骤一获得的CuSn12Ni2Zn0.5合金球形粉末进行标准筛分，选出325～600目范围内的粉末，该粉末D50为20μm左右。
步骤三、将步骤二筛选出的粒径合格的CuSn12Ni2Zn0.5粉末输入冷喷涂系统的送粉系统，冷喷涂气体采用高纯氮气。冷喷涂气压为2.6Mpa，粉末输送量为250g/min，喷涂时粉末预热温度为450-500℃。喷涂工作时，送粉系统上的混合粉末被喷枪喷出的气流加速后高速撞向钢基板，粉体颗粒发生大塑性变形后沉积钢基板上。冷喷涂的喷枪安装在机械臂上，喷枪采用缩放型拉瓦尔喷枪，按照设计好的轨迹一边喷涂一边移动，最终在基板上获得一层3mm厚的铜合金涂层。
步骤四、将步骤三获得的复合涂层工件进行真空退火处理，以消除胚料内部应力。退火温度为600℃，退火时间为1h，退火完成后随炉冷却。
采用该工艺获得双金属涂层，结合强度高达10-130Mpa，超声波探伤检测双金属界面无异常，界面结合良好。
实施例2
本实施例提供了一种配方为CuSn10Ni3.5Zn1的铜合金-钢复合双金属轴瓦、轴套的材料及其制造方法，包括以下步骤：
步骤一、先将Cu、Sn、Ni 、Zn等配方原料按照Sn:8.5~11wt%、Ni:2.5~4.5wt%、Zn:0.5~1.5wt%进行称量，将几种金属投入中频感应炉的石墨坩埚内进行真空感应熔炼，然后采用气雾化工艺制成CuSn10Ni3.5Zn1合金球形粉末，雾化介质为高纯氮气。真空感应熔炼的温度为1050℃，采用超音速气雾化喷嘴，雾化气体压力2.6-3.2 Mpa。
步骤二、将步骤一获得的CuSn10Ni3.5Zn1合金球形粉末进行标准筛分，选出400～600目范围内的粉末，该粉末D50为18μm左右。
步骤三、将步骤二筛选出的粒径合格的CuSn10Ni3.5Zn1粉末输入冷喷涂系统的送粉系统，冷喷涂气体采用高纯氮气。冷喷涂气压为2.1-2.6Mpa，粉末输送量为220-250g/min，喷涂时粉末预热温度为500-550℃。喷涂工作时，粉末被喷枪喷出的气流加速后高速撞向钢基板并沉积在钢基材上。喷枪采用缩放型拉瓦尔喷枪，冷喷涂的喷枪安装在机械臂上，按照设计好的轨迹一边喷涂一边移动，最终在基板上获得一层3mm厚的铜合金涂层。
步骤四、将步骤三获得的复合涂层工件进行真空退火处理，以消除胚料内部应力。退火温度为620-600℃，退火时间为1h，退火完成后随炉冷却。
步骤五、将经由步骤四退火处理后的复合工件进行机加工，直至尺寸符合要求，零件进入下一工艺制造流程。
实施例3
本实施例提供了一种配方为CuSn9Ni2Bi2的铜合金-钢复合双金属轴瓦、轴套的材料及其制造方法，包括以下步骤：
步骤一、先将Cu、Sn、Ni 、Bi等配方原料按照Sn:8.5~10.5wt%、Ni:1.5~2.5wt%、Bi:1.5~2.5wt%进行称量，将几种金属投入中频感应炉的石墨坩埚内进行真空感应熔炼，然后采用气雾化工艺制成CuSn9Ni2Bi2合金球形粉末，雾化介质为高纯氮气。真空感应熔炼的温度为950-1050℃，采用超音速气雾化喷嘴，雾化气体压力2.8-3.5 Mpa。
步骤二、将步骤一获得的CuSn9Ni2Bi2合金球形粉末进行气流分级，选出粒径范围为8-20μm内的粉末。
步骤三、将步骤二筛选出的粒径合格的CuSn9Ni2Bi2粉末输入冷喷涂系统的送粉系统，冷喷涂气体采用高纯氮气。冷喷涂气压为2.7-2.9Mpa，粉末输送量为150-160g/min，喷涂时粉末预热温度为500-550℃。喷涂工作时，粉末被喷枪喷出的气流加速后高速撞向钢基板并沉积在钢基材上。喷枪采用缩放型拉瓦尔喷枪，冷喷涂的喷枪安装在机械臂上，按照设计好的轨迹一边喷涂一边移动，最终在基板上获得一层2mm厚的铜合金涂层，所获得涂层表面平滑细腻。
步骤四、将步骤三获得的复合涂层工件进行真空退火处理，以消除胚料内部应力。退火温度为550-570℃，退火时间为1h，退火完成后随炉冷却。
采用该工艺获得双金属涂层，结合强度为130-145Mpa，超声波探伤检测双金属界面无异常，界面结合良好。
实施例4
本实施例提供了一种配方为CuSn2Ni9的铜合金-钢复合双金属轴瓦、轴套的材料及其制造方法，包括以下步骤：
步骤一、先将Cu、Sn、Ni等配方原料按照Sn:1.5~3wt%、Ni:8.5~10wt%进行称量，将几种金属投入中频感应炉的石墨坩埚内进行真空感应熔炼，然后采用气雾化工艺制成CuSn10Ni3.5Zn1合金球形粉末，雾化介质为高纯氮气。真空感应熔炼的温度为1100℃，采用超音速气雾化喷嘴，雾化气体压力4.5 Mpa。
步骤二、将步骤一获得的CuSn10Ni3.5Zn1合金球形粉末进行标准筛分，选出400～600目范围内的粉末，该粉末D50为17μm左右。
步骤三、将步骤二筛选出的粒径合格的CuSn10Ni3.5Zn1粉末输入冷喷涂系统的送粉系统，冷喷涂气体采用高纯氮气。冷喷涂气压为2.5-2.8Mpa，粉末输送量为160-180g/min，喷涂时粉末预热温度为550℃。喷涂工作时，粉末被喷枪喷出的气流加速后高速撞向钢基板并沉积在钢基材上。喷枪采用缩放型拉瓦尔喷枪，冷喷涂的喷枪安装在机械臂上，按照设计好的轨迹一边喷涂一边移动，最终在基板上获得一层3mm厚的铜合金涂层。
步骤四、将步骤三获得的复合涂层工件进行真空退火处理，以消除胚料内部应力。退火温度为580-600℃，退火时间为1h，退火完成后随炉冷却。
步骤五、将经由步骤四退火处理后的复合工件进行机加工，直至尺寸符合要求，零件进入下一工艺制造流程。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的配方范围内相关合金元素配比变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (6)

1.一种锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法，特征在于，不仅包含减摩耐磨铜合金材料的配方设计以及粉末的制备方法，还包括后续的双金属轴承的制造工艺；
其至少包括如下步骤：
步骤一、按照预先设计的锡镍青铜成份配比，将涉及到的各组元金属原料称重后，将其熔炼成合金，采用惰性气体雾化法将熔融合金液雾化成为球形粉末，从中筛分出符合粒径要求的铜合金粉末；
步骤二、将步骤一获得的铜合金粉末输入高压冷气动力喷涂系统的送粉系统，采用高纯工业氮气作为介质气体，按照标准工艺进行冷气动力喷涂，将铜合金粉末喷涂到预先备好的优质碳钢轴瓦基材零件上，获得一定厚度的涂层；
步骤三、将步骤二获得的双金属件进行真空退火处理，以消除喷涂时产生的内部应力；
步骤四、对步骤三得到的铜合金钢复合双金属件进行机加工，获得精准尺寸的双金属轴轴套工件。
2.根据权利要求1所述的锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法，其特征在于：步骤一所述的铜合金为锡镍青铜，其典型配方为：CuSn2-15wt%Ni0.5-15%；在此基础上，还可根据需要在配方中加入适量的Zn、Co、Bi、Mn等固溶强化合金元素，以获得更好的综合性能；铜合金粉末的制备工艺为：将纯Cu锭以及其余合金组份原料称量后投入中频感应炉的石墨坩埚内进行真空感应熔炼，然后用气雾化法制成铜合金球形粉末；真空感应熔炼温度为950～1150℃；雾化制粉工艺采用常规超音速气体雾化法，所用的气体为4N级氮气，雾化气压为2.2～4.8Mpa。
3.根据权利要求1所述的锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法，其特征在于：步骤一所获得的铜合金粉为球形粉，该粉末松装密度为4.2-4.5g/cm3，铜合金粉末的含氧量小于300ppm；从铜合金粉末中挑选出的尺寸符合冷喷涂工艺要求的粉末，系指粒径范围为8～45微米的粉末。
4.根据权利要求1所述的根据权利要求1所述的锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法，其特征在于：步骤二所述的超音速冷气动力喷涂工艺，喷枪采用拉瓦尔喷枪，喷涂介质气体为高纯氮气；冷喷涂时，气体工作温度为室温～650℃，冷喷涂气压为2.5～4.5Mpa，粉末输送量为0.1～400g/min；工作时，由机械臂夹紧喷枪进行精确定位，并按照设计的运动轨迹一边喷涂一边移动；碳钢衬底工件则夹持于机床的三爪卡盘上实现轴向转动和水平给进；
最终在钢基底上形成一层厚度可控的耐磨减摩铝青铜合金涂层；涂层厚度可根据实际需要进行调控，厚度设计应尽量减少后续加工余量；涂层厚度一般控制在1-３mm范围内。
5.根据权利要求1所述的根据权利要求1所述的锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法，其特征在于，步骤三所述的消除应力退火温度设定为500～650℃，退火时间为0.5～2.5小时。
6.根据权利要求1所述的根据权利要求1所述的锡镍青铜-碳钢复合双金属轴承套的制造方法，其特征在于，对步骤三退火后得到的双金属轴套可进行机加工，以获得精确尺寸的轴套零件单元，进入后续的零件加工装配流程。
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