CN115007967A - 一种高性能轴瓦双金属材料的增材制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能轴瓦双金属材料的增材制备方法及其应用。属于金属合金材料技术领域。由钢背和铜层组成，在铜层平面上存在A、B两种不同成分区域；本发明将铜层划分为A、B两种不同的功能区，兼顾了材料的承载性和顺应性，且可以根据使用工况的不同来调整A、B两区的占比，来调节材料对工况的适应性；制备步骤：使用CMT焊接机器人在钢背表面进行电弧沉积增材制备减磨层，依次将A、B两种不同成分的焊丝按照平行间隔的排布在钢背进行电弧沉积，制备所述轴瓦材料。本发明生产效率高，且能够显著提高双金属复合材料的力学性能和摩擦学性能，制备的高性能轴瓦双金属材料可以很好地应用于不同工况的内燃机轴瓦中。
Description
技术领域
本发明金属材料技术领域，涉及一种高性能轴瓦双金属材料(铜/钢双金属材料)的增材制备方法及其应用。
背景技术
轴瓦是对轴进行支承，并在轴转动过程中保护轴磨损的重要结构件，对轴瓦材料提出了承载和减摩等多方面要求。然而，承载性要求基材硬度高，抗变形能力强，这与材料的顺应性、嵌入性等产生矛盾。
通常，轴瓦材料由双层或多层组成，靠近轴承接触面的材料一般选用摩擦性能好的锡基、铝基材料，铜基材料摩擦性能最好的还是含Pb材料。然而，由于环保问题，这种承载性和顺应性兼具的材料应用受到限制，而无铅的单一成分铜合金并不能取代含Pb的青铜合金。为此，本发明设计了一种通过增材制造工艺制备的高性能轴瓦双金属材料，其特征在于铜层中包含平行间隔的A、B两种不同成分区域，其中A部分区域为含Ni的强化区，B部分区域为含Bi的减摩区，从而兼顾了材料的承载性和顺应性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种高性能轴瓦双金属材料(铜/钢双金属材料)的增材制备方法及其应用，该方法特征在于将铜层分为含Ni的强化区和含Bi的减摩区两个区域，从而兼顾了材料的承载性和顺应性。
本发明的技术方案是：本发明所述的一种高性能轴瓦双金属材料，包括钢背及安设在钢背上的铜层，在所述铜层平面上存在平行间隔的A、B两种不同成分区域；
其中，A部分区域为含Ni的强化区，B部分区域为含Bi的减摩区。
进一步的，所述A区域的体积在铜层中的占比为30～60％，其余为B区域的体积。
进一步的，所述A区域中所含的药芯焊丝包括Ni、Sn、Al及Cu；
其中，上述各药芯焊丝的体积比是：Ni 1-6％、Sn 5-8％、Al 0.3-0.4％，其余为Cu；
所述B区域中所含的药芯焊丝包括Bi、Sn及Cu；
其中，上述各药芯焊丝的体积比是：Bi 10-20％、Sn 3-6％，其余为Cu。
进一步的，一种高性能轴瓦双金属材料的增材制备方法，其特征在于，其具体的操作步骤如下：
步骤(1)、制备A、B两种成分区域的药芯焊丝；
步骤(2)、将钢背进行表面清洗，并进行除油、除锈及烘干等过程；
步骤(3)、采用焊接机器人通过CMT冷金属过渡技术在钢背上电弧沉积A成分区域的药芯焊丝；
步骤(4)、随后，将B成分区域的药芯焊丝通过电弧沉积的方式填充到钢背上除电弧沉积的A成分区域的药芯焊丝外、剩余的间隙中，从而最终制得轴瓦双金属材料。
进一步的，步骤(3)中，在所述CMT冷金属过渡技术中，所使用的CMT焊的焊道宽度为2～5mm。
进一步的，在所述步骤(3)中，在钢背上电弧沉积A成分区域的药芯焊丝的方式是：设置焊接机器人的焊枪与钢背呈90°垂直，设定电弧沉积的电流为60～100A、电压为7～20V，焊枪喷嘴与钢背的相对移动速度为15～20cm/min，平行间隔1～5mm电弧沉积A成分区域的药芯焊丝。
进一步的，在所述步骤(4)中，将B成分区域的药芯焊丝填充到钢背上剩余间隙中的方式是：设置焊接机器人的焊枪与钢背呈90°垂直，设定电弧沉积的电流为75～120A、电压为7～20V，焊枪喷嘴与钢背的相对移动速度为10～20cm/min，由此最终制得高性能的轴瓦双金属材料。
进一步的，在最终制得轴瓦双金属材料中，所述钢背为低碳钢，其厚度为1～3mm；
所述铜层的厚度为0.6～1.0mm。
进一步的，所述的增材制备方法制备的一种高性能轴瓦双金属材料在不同工况的内燃机轴瓦中的应用。
本发明的发明原理：无铅铜合金轴承材料一般选用Sn、Ni、Bi、Al作为合金元素整体添加进入Cu中，目的是强化基体的同时，兼顾材料的摩擦学特性。然而，Bi在铜合金中以游离态存在，自身容易脱落，不仅削弱了其它强化元素的作用，而且容易失去在顺应性和抗咬合方面的作用。本发明提供一种高性能轴瓦用铜/钢双金属材料，其特征在于铜层平面上存在平行间隔的A、B两种不同成分区域，其中A区域为含Ni的强化区，B区域为含Bi的减摩区。这种在工作面上局部分布Bi元素的方式首先是顺应性很好，尤其是在轴承跑合的初期。如图1所示，在合金层中，表层的B区域大，Bi含量高，有利于轴承进入顺应状态。通过大量实验发现，这种微观结构下，当B区Cu基体中不含Ni且少量含有Sn(3-6％)等基体强化元素时，游离态的Bi相从基体中脱离的现象并不明显，这与许多文献资料提供的结果并不相似。即当基体强度较低时，Bi的脱离倾向降低，这有利于保持Bi的减摩抗磨作用，因此B区域中Bi的含量可选择更高的范围，达到10-20％，此时其干摩擦系数相对5％Bi合金可降低30％。
本发明的有益效果是：本发明的特点是：本发明可以通过A、B区域的体积占比来调节材料对工况的适应性。当工况比压大、承载高、温度高时，A区域的最大体积占比可达到60％，稳定满足90MPa以上的承载工况要求；当存在启停平凡，工况不稳定等情况，可增大B区域的体积占比，最大达到70％，此时依然能够保证承载75MPa以上工况的稳定使用要求。与其它无铅铜合金轴承相区别的是，A部分区域的体积在铜层中的占比为30～60％时，本发明提供的双金属材料不仅承载性能好，其工况适应性更好，大幅度降低了抱轴等恶劣损伤的风险。
附图说明
图1是本发明的操作流程图；
图2是本发明中轴瓦双金属材料的横截面结构示意图；
图3是本发明中轴瓦双金属材料的横截面实施例图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
实施例1
实施目的：制备总厚度2.6-3.0mm、长度200mm、宽度60mm、铜合金层厚度0.6-1.0mm的无铅铜基双金属复合材料，铜层中A区占比为50％-60％。
实施步骤：
(1)、制备两种药芯焊丝A：Ni 1-6％，Sn 5-8％，Al 0.3-0.4％，其余为Cu以及药芯焊丝B：Bi 10-20％，Sn 3-6％，其余为Cu；
(2)、采用厚1-3mm、长200mm和宽70mm的Q235优质碳素钢板(钢背)，清洗表面氧化物和油污；
(3)、将钢背装夹固定后，通过焊接机器人在钢背上电弧沉积A成分合金层，焊接机器人的焊枪与钢背呈90°垂直，设定电弧沉积的电流为60～100A、电压为7～20V，焊枪喷嘴与钢背的相对移动速度为15～20cm/min，每两道沉积层之间平行间隔3～5mm；
(4)、将B成分焊丝通过电弧沉积的方式填充到两道A成分沉积层间隙中，设定电弧沉积的电流为75～120A、电压为7～20V，焊枪喷嘴与钢背的相对移动速度为10～20cm/min；
(5)、采用高纯氩气作为保护气，气流量为15-20L/min，防止在电弧沉积过程中合金表面发生氧化。
经检测，本实施例制备的铜钢双金属轴瓦材料的铜层厚度为0.6-1.0mm，满足后续加工要求；铜钢双金属轴瓦材料的承载性能为91.56MPa；定载荷50N，线速度为0.837m/s,1h条件下的干摩擦系数为0.137；说明本发明制备的高性能轴瓦双金属材料能够满足高载荷的工况下使用。
实施例2
实施目的：制备总厚度2.6-3.0mm、长度200mm、宽度60mm、铜合金层厚度0.6-1.0mm的无铅铜基双金属复合材料，铜层中A区占比为30％-40％。
实施步骤：
(1)、制备两种药芯焊丝A：Ni 1-6％，Sn 5-8％，Al 0.3-0.4％，其余为Cu以及药芯焊丝B：Bi 10-20％，Sn 3-6％，其余为Cu；
(2)、采用厚1-3mm、长200mm和宽70mm的Q235优质碳素钢板(钢背)，清洗表面氧化物和油污；
(3)、将钢背装夹固定后，通过焊接机器人在钢背上电弧沉积A成分合金层，焊接机器人的焊枪与钢背呈90°垂直，设定电弧沉积的电流为60～100A、电压为7～20V，焊枪喷嘴与钢基底的相对移动速度为15～20cm/min，每两道沉积层之间平行间隔1～3mm；
(4)、将B成分焊丝通过电弧沉积的方式填充到两道A成分沉积层间隙中，设定电弧沉积的电流为75～120A、电压为7～20V，焊枪喷嘴与钢背的相对移动速度为10～20cm/min；
(5)、采用高纯氩气作为保护气，气流量为15-20L/min，防止在电弧沉积过程中合金表面发生氧化。
经检测，本实施例制备的铜钢双金属轴瓦材料的铜层厚度为0.6-1.0mm，满足后续加工要求；铜钢双金属轴瓦材料的承载性能为75.38MPa；定载荷50N，线速度为0.837m/s,1h条件下的干摩擦系数为0.108；说明本发明制备的高性能轴瓦双金属材料能够满足工况不稳定的复杂情况下使用。
最后，应当理解的是，本发明中所述实施例仅用以说明本发明实施例的原则；其他的变形也可能属于本发明的范围；因此，作为示例而非限制，本发明实施例的替代配置可视为与本发明的教导一致；相应地，本发明的实施例不限于本发明明确介绍和描述的实施例。
Claims (9)
1.一种高性能轴瓦双金属材料，其特征在于，包括钢背及安设在钢背上的铜层，在所述铜层平面上安设有平行间隔的A、B两种不同成分区域；
其中，A区域为含Ni的强化区，B区域为含Bi的减摩区。
2.根据权利要求1所述的一种高性能轴瓦双金属材料，其特征在于，
所述A区域的体积在铜层中的占比为30～60％，其余为B区域的体积。
3.根据权利要求1所述的一种高性能轴瓦双金属材料，其特征在于，
所述A区域中所含的药芯焊丝包括Ni、Sn、Al及Cu；
其中，上述各药芯焊丝的体积比是：Ni 1-6％、Sn 5-8％、Al 0.3-0.4％，其余为Cu；
所述B区域中所含的药芯焊丝包括Bi、Sn及Cu；
其中，上述各药芯焊丝的体积比是：Bi 10-20％、Sn 3-6％，其余为Cu。
4.根据权利要求1-3所述的一种高性能轴瓦双金属材料的增材制备方法，其特征在于，其具体的操作步骤如下：
步骤(1)、制备A、B两种成分区域的药芯焊丝；
步骤(2)、将钢背进行表面清洗，并进行除油、除锈及烘干；
步骤(3)、采用焊接机器人通过CMT冷金属过渡技术在钢背上电弧沉积A成分区域的药芯焊丝；
步骤(4)、随后，将B成分区域的药芯焊丝通过电弧沉积的方式填充到钢背上除电弧沉积的A成分区域的药芯焊丝外、剩余的间隙中，从而最终制得轴瓦双金属材料。
5.根据权利要求4所述的一种高性能轴瓦双金属材料的增材制备方法，其特征在于，步骤(3)中，在所述CMT冷金属过渡技术中，所使用的CMT焊的焊道宽度为2～5mm。
6.根据权利要求4所述的一种高性能轴瓦双金属材料的增材制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，在钢背上电弧沉积A成分区域的药芯焊丝的方式是：设置焊接机器人的焊枪与钢背呈90°垂直，设定电弧沉积的电流为60～100A、电压为7～20V，焊枪喷嘴与钢背的相对移动速度为15～20cm/min，平行间隔1～5mm电弧沉积A成分区域的药芯焊丝。
7.根据权利要求4所述的一种高性能轴瓦双金属材料的增材制备方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，将B成分区域的药芯焊丝填充到钢背上剩余间隙中的方式是：设置焊接机器人的焊枪与钢背呈90°垂直，设定电弧沉积的电流为75～120A、电压为7～20V，焊枪喷嘴与钢背的相对移动速度为10～20cm/min，由此最终制得高性能的轴瓦双金属材料。
8.根据权利要求4所述的一种高性能轴瓦双金属材料的增材制备方法，其特征在于，
在最终制得轴瓦双金属材料中，所述钢背为低碳钢，其厚度为1～3mm；
所述铜层的厚度为0.6～1.0mm。
9.如权利要求4所述的增材制备方法制备的一种高性能轴瓦双金属材料在不同工况的内燃机轴瓦中的应用。
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