CN115652137A - 一种锡基巴氏合金及其制备方法、轴瓦 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锡基巴氏合金及其制备方法、轴瓦;其中,锡基巴氏合金包括:锑,8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;锡和改性金属;其中,锑、铜、镍、锡和改性金属的质量份之和为100份。本发明在锡基巴氏合金中添加少量改性金属,能够提升巴氏合金的熔点,并且生成新的强化相,细化合金组织;提升巴氏合金的服役温度、强度、界面强度。
Description
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及其制备方法、轴瓦。
背景技术
锡基巴氏合金是以锡为基础,加入锑和铜元素组成的合金;具备良好的塑性和热导性、摩擦系数和膨胀系数小等优点;但是疲劳强度较低,服役温度较低,适用于制备大型、重型设备的轴承、轴瓦,例如大功率的高速蒸汽机、汽轮机和高速大型机床的主轴轴承。锡基巴氏合金因质地软,硬度、强度低,并且价格高昂,通常需要巴氏合金与基体材料(例如钢壳、铸铁和青铜材料)制成的轴瓦结合使用。目前巴氏合金主要是通过重力浇铸、离心浇铸、TIG/MIG堆焊、激光熔覆、电弧喷涂等方式完成巴氏合金与基体的结合,制成双金属轴承、轴瓦使用。
但是,在实际施工过程中,锡基巴氏合金的强度不足。
发明内容
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。
本发明提供一种锡基巴氏合金,包括:锑,8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;锡和改性金属;其中,锑、铜、镍、锡和改性金属的质量份之和为100份。
在本实施例中,通过在锡基巴氏合金中添加少量改性金属,能够提升巴氏合金的熔点,并且生成新的强化相,细化合金组织;提升巴氏合金的服役温度、强度、界面强度。
进一步地,改性金属为铁和铬;其中,铁的质量份为0.5份至1.5份;铬的质量份为0.5份至1.5份。
在本实施例中,通过添加少量高熔点元素镍、铁、铬,能够提升巴氏合金的熔点,并且生成新的强化相,细化合金组织;提升巴氏合金的高温强度、界面强度。一方面,镍元素可以和巴氏合金中的锡元素反应生成Ni3Sn,也可以和巴氏合金中原有的Cu6Sn5发生反应变成强度更高的(CuNix)6Sn5化合物,从而提高巴氏合金的强度。另一方面,铁元素和铬元素可以在巴氏合金中生成FeCr化合物,该化合物的熔点较高,在巴氏合金凝固过程中率先析出,作为合金中的异质形核质点,有助于细化组织;并且形成的FeCr化合物,弥散分布在合金中,起到强化作用,增加合金的强度。
进一步地,改性金属为钴,钴的质量份为0.8份至1.5份。
通过向普通巴氏合金中添加钴、镍,抑制了巴氏合金中SnSb相以及Cu6Sn5相的长大,SnSb相的大小在40μm左右。抑制生长以后的SnSb相及Cu6Sn5相的体积细小,均匀弥散的分布在基体中,通过阻止位错等的运动,从而达到对巴氏合金的强化。
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:
S11:熔炼第一金属原料,得到第一金属溶液;第一金属原料包括铜、镍、铁、铬;
S12:在第一金属溶液中加入锑和第一锡材,得到第二金属溶液;
S13:熔化第二锡材,得到锡液;将第二金属溶液和锡液混合熔炼,得到第三金属溶液;
S14:第三金属溶液冷却得到巴氏合金;
其中,第一锡材和第二锡材的质量比为1:(1-3)。
在本实施例中,上述熔炼方式的好处在于,首先针对熔点调整原料的添加顺序,防止材料烧损;其次,分两次加入锡,在步骤S20中,锡可以和金属反应,例如锑和锡会形成SnSb,铜和锡会形成Cu6Sn5,镍和锡会形成Ni3Sn,同时镍还可以和Cu6Sn5反应形成(CuNix)6Sn5化合物。进一步地,在S30中,将第二金属溶液和锡液混合熔炼,具体为,将第二金属溶液加入锡液中并且不断搅拌;这样操作有利于金相组织的细化,使得各个化合物在体系中的分布更加均匀,最终制备得到的巴氏合金的晶粒得到细化。
进一步地,S11:熔炼第一金属原料,得到第一金属溶液;包括:
S21:熔化铜得到铜液;
S22:对铜液进行脱氧处理,得到脱氧的铜液;
S23:在脱氧的铜液中加入镍、铁和铬,熔炼得到第一金属溶液。
在本实施方式中,具体的操作步骤如下:首先将铜放置在预热好的熔炼容器中,并且覆盖覆盖剂,减少铜的氧化;当铜完全熔化后,进一步进行脱氧处理,减少溶液中的氧化物;最后加入镍、铁和铬进行熔炼即可得到第一金属溶液。在实施过程中,一般采用感应加热的方法对金属进行熔炼,操作简单且温度易控;熔炼容器一般选用高纯度的石墨坩埚;覆盖剂优选木炭、银钎剂;在加入镍、铁和铬的时候,需要分批加入,并且不断搅拌,使各成分均匀分布。在本实施例的部分实施方式中,脱氧处理包括:加入铜磷对铜液进行脱氧处理;其中,铜磷加入的质量为铜液质量的0.1-0.3%;并且在第一金属溶液的温度为1150-1250℃时,进行脱氧处理。
进一步地,第二金属溶液的温度维持在850-900℃;和/或锡液的温度维持在380-420℃;和/或第三金属溶液的温度维持在550-600℃。
在本实施方式中,熔炼过程中的金属溶液均有温度要求,第二金属溶液的温度控制在850-900℃的范围内保温,并且锡液的温度控制在400℃左右,具体可以是380-420℃的范围内。将第二金属溶液和锡液混合,混合的过程中需要不停搅拌,得到第三金属溶液;当第三金属溶液的温度为550-600℃时保温10-15分钟,然后再进行后续的操作。
在本实施例的部分实施方式中,S14:第三金属溶液冷却得到巴氏合金;包括:使用精炼剂对第三金属溶液进行精炼除杂,得到液体合金;将液体合金冷却得到巴氏合金。
在本实施方式中,第三金属溶液中可能存在金属氧化物或其他的杂质,为了保证巴氏合金的纯度及相关性能,需要进行精炼除杂,具体为:在第三金属溶液中加入精炼剂,保温1-3分钟,当第三金属溶液的温度降低到550℃左右时,去除表面残渣,得到液体合金;将液体合金倒入预热到150℃左右的石墨模具中,空冷至室温即可得到巴氏合金。
在本实施例的部分实施方式中,精炼剂为氯化锌和/或氯化铵。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;氯化铵优选脱水氯化铵。
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;焊接的母材包括但不限于:不锈钢,碳钢、灰铸铁、镁合金、铝合金、铜合金等。
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:
S31:混合熔炼第二金属原料,得到第四金属溶液;第二金属原料包括第三锡材、铜、镍、钴、锑;
S32:向第四金属溶液中加入第四锡材,熔炼得到锡基巴氏合金;
其中,第三锡材与第四锡材的质量份比为1:(1-3)。
在本实施例中,巴氏合金的制备方法包括如下,按照配比称取相应质量份的锑、铜、镍、钴、第三锡材、第四锡材,可以选择各材料的铸锭,也可以选择易于切割的粉末状材料。将第三锡材、铜、镍、钴、锑放入反应器中,加热熔化,得到第四金属溶液,再向第四金属溶液中加入第四锡材,制备得到巴氏合金,将锡分成第三锡材和第四锡材两次加入反应器中,是为了防止其他材料烧损。由于锡的熔点在232℃、镍的熔点在1453℃、钴的熔点在1495℃,但是在1400℃左右时锡容易烧损,生成氧化物等杂质,因此不采用直接熔融钴、镍材料的方式,而是采用先将部分锡熔化,然后使铜、镍、钴、锑熔于锡熔液的方式熔融各金属材料。在铜、镍、钴、锑熔于锡熔液的过程中,由于锑和锡会形成SnSb,铜和锡会形成Cu6Sn5,钴、镍会固溶在Cu6Sn5中,因此降低了铜、钴、镍的熔化温度。待锑、铜、钴、镍熔于锡熔液后,再向其中加入剩下的锡,是为了防止锡材加热过程中的大量损耗。第三锡材与第四锡材的质量比为1:(1-3),是由于当第三锡材的质量份占总的锡的含量为25%至50%时,第三锡材的用量已经足够铜、镍、钴、锑熔于锡熔液。
进一步的,S31:混合熔炼第二金属原料的熔炼温度为1000℃至1200℃。
在本实施例中,由于锡的熔点在232℃、镍的熔点在1453℃、钴的熔点在1495℃,但是在1400℃左右时锡容易烧损,生成氧化物等杂质,所以将反应器的温度控制在1000℃至1200℃,通过铜、镍、钴、锑熔于第三锡材的方式使铜、镍、钴、锑全部熔融,既可以熔融金属,还能够防止锡料烧损。
进一步地,S32包括:调整第四金属溶液的温度为650℃-700℃,加入第四锡材,得到第五金属溶液;降低第五金属溶液的温度至580℃-600℃,捞渣处理,得到锡基巴氏合金。
在本实施例中,为了减少锡料的损耗,将第四金属溶液的温度降低至650℃至700℃后再向第四金属溶液中加入第四锡材。一方面可以防止锡料烧损、减少氧化物生成,另一方面可便于第四锡材和第四金属溶液混合。捞渣处理主要是用于除去金属熔液表面的覆盖剂、金属氧化物等杂质,在进行捞渣处理前将第五金属溶液的温度降低到580℃至600℃,是为了便于捞渣步骤的进行。
本发明还提供一种轴瓦,轴瓦使用如权利要求本发明提供的锡基巴氏合金制备得到。本发明提供的轴瓦具备上述任一项实施例的有益效果,因此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例1提供巴氏合金的光学金相图。
图2为本发明实施例5提供巴氏合金的光学金相图。
图3为对比例巴氏合金的光学金相图。
图4为本发明实施例1提供巴氏合金的SEM金相图。
图5为本发明实施例5提供巴氏合金的SEM金相图。
图6为对比例巴氏合金的SEM金相图。
图7为本发明实施例提供的巴氏合金EDS能谱采集图像区域。
图8为图7中区域2的能谱图。
图9为图7中区域5的能谱图。
图10为图7中区域7的能谱图。
图11为图7中区域9的能谱图。
图12为图7中区域10的能谱图。
图13为本发明部分实施例巴氏合金的组织金相图。
图14为本发明部分实施例提供的轴瓦结合面的SEM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。
相关技术中的巴氏合金强度、轴瓦结合强度较低,合金的耐热冲击性差,导致轴瓦过早发生失效,难以满足大型、重型机械设备对于提速、增重的要求。目前离心铸造工艺生产的轴瓦结合强度仅为30-40MPa,而采用TIG/MIG堆焊、激光熔覆、电弧喷涂等先进制造工艺可以提高巴氏合金轴瓦结合强度,但由于高锑巴氏合金焊丝生产困难,在涂覆过程中,巴氏合金易发生氧化,并且生产效率较低,难以推广应用。
因此,本发明提供一种锡基巴氏合金,包括:锑,8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;锡和改性金属;其中,锑、铜、镍、锡和改性金属的质量份之和为100份。
在本实施例中,通过在锡基巴氏合金中添加少量改性金属,能够提升巴氏合金的熔点,并且生成新的强化相,细化合金组织;提升巴氏合金的服役温度、强度、界面强度。
进一步地,改性金属为铁和铬;其中,铁的质量份为0.5份至1.5份;铬的质量份为0.5份至1.5份。
在本实施例中,锡基巴氏合金包括:锑,8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;铁,0.1质量份至1.5质量份;铬,0.1质量份至1.5质量份;锡,76.5质量份至86.3质量份。其中,各成分的质量份之和为100。
在本实施例的一个具体实施方式中,巴氏合金按照质量份包括:锑,10质量份至11质量份;铜,5质量份至7质量份;镍,0.7质量份至1.1质量份;铁,0.4质量份至1.2质量份;铬,0.4质量份至1.2质量份;锡,78.5质量份至83.5质量份。其中,各成分的质量份之和为100。
在本实施例中,通过添加少量高熔点元素镍、铁、铬,能够提升巴氏合金的熔点,并且生成新的强化相,细化合金组织;提升巴氏合金的高温强度、界面强度。一方面,镍元素可以和巴氏合金中的锡元素反应生成Ni3Sn,也可以和巴氏合金中原有的Cu6Sn5发生反应变成强度更高的(CuNix)6Sn5化合物,从而提高巴氏合金的强度。另一方面,铁元素和铬元素可以在巴氏合金中生成FeCr化合物,该化合物的熔点较高,在巴氏合金凝固过程中率先析出,作为合金中的异质形核质点,有助于细化组织;并且形成的FeCr化合物,弥散分布在合金中,起到强化作用,增加合金的强度。镍、铁、铬的熔点较高,因而提高了锡基巴氏合金的熔点及其再结晶温度,进而使锡基巴氏合金的使用温度提升,可以有效避免轴瓦启动和制动过程中,产生轴瓦与轴之间的半干摩擦引起温度升高使轴瓦烧损,提高轴瓦的使用寿命。再一方面,镍、铁、铬可以有效抑制钢基体与巴氏合金界面间铁锡化合物的生成,如Fe3Sn、Fe3Sn2、FeSn、FeSn2,这些化合物均是脆硬相,从而提高界面结合强度。本实施例还适当降低巴氏合金中的锑元素含量,合金中SnSb相减少,适当减少了合金中的脆硬相,防止合金中有过多的脆硬相导致合金脆性增加,强度降低。同时,本实施例通过对成分的优化,使得巴氏合金的晶粒得到细化。
在本实施例的一个具体实施方式中,巴氏合金的铁和铬的质量比为0.5-1.5。
在本实施方式中,铁和铬加入的质量比需要控制在0.5-1.5的范围内,可以在原有的合金配比中最大程度优化合金的强度,取得较好的效果,当铁或铬中任一元素的占比过高时,巴氏合金的抗拉强度会有所降低。铁元素和铬元素在巴氏合金中生成一种FeCr合金硬质颗粒点,起到弥散强化的作用;此外由于这种相的熔点较高,在巴氏合金凝固时率先析出,可以作为其他相得形核质点,细化组织,来提高合金的强度。
进一步地,改性金属为钴,钴的质量份为0.8份至1.5份。
在本实施例中,锡基巴氏合金包括:锑,10质量份至12质量份;铜,6质量份至7质量份;镍,0.7质量份至1.1质量份;钴,0.8质量份至1.5质量份;锡,78.4质量份至82.5质量份。通过向普通巴氏合金中添加钴、镍,抑制了巴氏合金中SnSb相以及Cu6Sn5相的长大,SnSb相的大小在40μm左右。抑制生长以后的SnSb相及Cu6Sn5相的体积细小,均匀弥散的分布在基体中,通过阻止位错等的运动,从而达到对巴氏合金的强化。
在本实施例的部分实施方式中,锡基巴氏合金包括:锑,10质量份至11质量份;铜,6质量份至7质量份;镍,0.8质量份至1质量份;钴,1质量份至1.3质量份;锡,79.7质量份至82.2质量份。
与现有技术相比,采用该技术方案所达到的技术效果:保证巴氏合金的铸造性能。尽管向巴氏合金中添加钴、镍能够起到抑制SnSb相以及Cu6Sn5相的长大的作用,但是钴、镍的添加应当在适宜的范围内,当向巴氏合金中添加太多的钴、镍时,会影响巴氏合金熔液的流动性,不利于浇铸等工序的进行。将钴的添加量控制在1质量份至1.3质量份、镍的添加量控制在0.8质量份至1质量份,不仅能够更好的抑制SnSb相以及Cu6Sn5相的长大,还能良好的保持巴氏合金熔液的流动性,利于后续铸造、浇铸等工序的进行。
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:
S11:熔炼第一金属原料,得到第一金属溶液;第一金属原料包括铜、镍、铁、铬;
S12:在第一金属溶液中加入锑和第一锡材,得到第二金属溶液;
S13:熔化第二锡材,得到锡液;将第二金属溶液和锡液混合熔炼,得到第三金属溶液;
S14:第三金属溶液冷却得到巴氏合金;
其中,第一锡材和第二锡材的质量比为1:(1-3)。
在本实施例中,首先根据成分配比获取金属原料,其具体的组成如下:锑,8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;铁,0.1质量份至1.5质量份;铬,0.1质量份至1.5质量份;锡,76.5质量份至86.3质量份;各成分的质量份之和为100。其中,各个金属原料优选纯度大于99.99%的金属单质;金属单质的形态不做限定,可以是块状、片状、粉状或者是颗粒状。作为优选,熔炼过程中,铁和铬的添加方式可以在纯铁、纯铬、铁铬中间合金中进行组合。需注意的是,在原料添加的过程中,不论铁和铬以何种方式加入,二者的质量比在0.5-1.5的范围内为宜。在熔炼的过程中,首先将熔点较高的铜、镍、铁、铬进行熔炼,得到第一金属溶液,然后加入锑和第一锡材得到第二金属溶液;同时将第二锡材熔化成锡液,混合锡液和第二金属溶液,冷却即可得到巴氏合金。上述熔炼方式的好处在于,首先针对熔点调整原料的添加顺序,防止材料烧损;其次,分两次加入锡,在步骤S20中,锡可以和金属反应,例如锑和锡会形成SnSb,铜和锡会形成Cu6Sn5,镍和锡会形成Ni3Sn,同时镍还可以和Cu6Sn5反应形成(CuNix)6Sn5化合物。进一步地,在S30中,将第二金属溶液和锡液混合熔炼,具体为,将第二金属溶液加入锡液中并且不断搅拌;这样操作有利于金相组织的细化,使得各个化合物在体系中的分布更加均匀,最终制备得到的巴氏合金的晶粒得到细化。
在本实施例的部分实施方式中,第一锡材和第二锡材的质量比为1:(1-3)。在本实施方式中,将纯锡分为第一锡材和第二锡材,分批次熔炼,第一锡材的质量小于第二锡材,具体来说,第一锡材和第二锡材的质量比为1:(1-3);作为优选,第一锡材和第二锡材的质量比为1:2。
进一步地,S11:熔炼第一金属原料,得到第一金属溶液;包括:
S21:熔化铜得到铜液;
S22:对铜液进行脱氧处理,得到脱氧的铜液;
S23:在脱氧的铜液中加入镍、铁和铬,熔炼得到第一金属溶液。
在本实施方式中,具体的操作步骤如下:首先将铜放置在预热好的熔炼容器中,并且覆盖覆盖剂,减少铜的氧化;当铜完全熔化后,进一步进行脱氧处理,减少溶液中的氧化物;最后加入镍、铁和铬进行熔炼即可得到第一金属溶液。在实施过程中,一般采用感应加热的方法对金属进行熔炼,操作简单且温度易控;熔炼容器一般选用高纯度的石墨坩埚;覆盖剂优选木炭、银钎剂;在加入镍、铁和铬的时候,需要分批加入,并且不断搅拌,使各成分均匀分布。在本实施例的部分实施方式中,脱氧处理包括:加入铜磷对铜液进行脱氧处理;其中,铜磷加入的质量为铜液质量的0.1-0.3%;并且在第一金属溶液的温度为1150-1250℃时,进行脱氧处理。
进一步地,第二金属溶液的温度维持在850-900℃;和/或锡液的温度维持在380-420℃;和/或第三金属溶液的温度维持在550-600℃。
在本实施方式中,熔炼过程中的金属溶液均有温度要求,第二金属溶液的温度控制在850-900℃的范围内保温,并且锡液的温度控制在400℃左右,具体可以是380-420℃的范围内。将第二金属溶液和锡液混合,混合的过程中需要不停搅拌,得到第三金属溶液;当第三金属溶液的温度为550-600℃时保温10-15分钟,然后再进行后续的操作。
在本实施例的部分实施方式中,S14:第三金属溶液冷却得到巴氏合金;包括:使用精炼剂对第三金属溶液进行精炼除杂,得到液体合金;将液体合金冷却得到巴氏合金。
在本实施方式中,第三金属溶液中可能存在金属氧化物或其他的杂质,为了保证巴氏合金的纯度及相关性能,需要进行精炼除杂,具体为:在第三金属溶液中加入精炼剂,保温1-3分钟,当第三金属溶液的温度降低到550℃左右时,去除表面残渣,得到液体合金;将液体合金倒入预热到150℃左右的石墨模具中,空冷至室温即可得到巴氏合金。
在本实施例的部分实施方式中,精炼剂为氯化锌和/或氯化铵。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;氯化铵优选脱水氯化铵。
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。
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:
S31:混合熔炼第二金属原料,得到第四金属溶液;第二金属原料包括第三锡材、铜、镍、钴、锑;
S32:向第四金属溶液中加入第四锡材,熔炼得到锡基巴氏合金;
其中,第三锡材与第四锡材的质量份比为1:(1-3)。
在本实施例中,巴氏合金的制备方法包括如下,按照配比称取相应质量份的锑、铜、镍、钴、第三锡材、第四锡材,可以选择各材料的铸锭,也可以选择易于切割的粉末状材料。将第三锡材、铜、镍、钴、锑放入反应器中,加热熔化,得到第四金属溶液,再向第四金属溶液中加入第四锡材,制备得到巴氏合金,将锡分成第三锡材和第四锡材两次加入反应器中,是为了防止其他材料烧损。由于锡的熔点在232℃、镍的熔点在1453℃、钴的熔点在1495℃,但是在1400℃左右时锡容易烧损,生成氧化物等杂质,因此不采用直接熔融钴、镍材料的方式,而是采用先将部分锡熔化,然后使铜、镍、钴、锑熔于锡熔液的方式熔融各金属材料。在铜、镍、钴、锑熔于锡熔液的过程中,由于锑和锡会形成SnSb,铜和锡会形成Cu6Sn5,钴、镍会固溶在Cu6Sn5中,因此降低了铜、钴、镍的熔化温度。待锑、铜、钴、镍熔于锡熔液后,再向其中加入剩下的锡,是为了防止锡材加热过程中的大量损耗。第三锡材与第四锡材的质量比为1:(1-3),是由于当第三锡材的质量份占总的锡的含量为25%至50%时,第三锡材的用量已经足够铜、镍、钴、锑熔于锡熔液。
在本实施例的部分实施方式中,第三锡材与第四锡材的质量比为1:1.5。在第三锡材的用量占锡总量的40%时,即可以保证快速、高效的使铜、镍、钴、锑熔于锡熔液,还能尽可能的减小第三锡材的用量,使60%的锡在最后较低的温度下的情况下熔融,能够极大的减少锡的损耗。
进一步的,S31:混合熔炼第二金属原料的熔炼温度为1000℃至1200℃。
在本实施例中,由于锡的熔点在232℃、镍的熔点在1453℃、钴的熔点在1495℃,但是在1400℃左右时锡容易烧损,生成氧化物等杂质,所以将反应器的温度控制在1000℃至1200℃,通过铜、镍、钴、锑熔于第三锡材的方式使铜、镍、钴、锑全部熔融,既可以熔融金属,还能够防止锡料烧损。
进一步地,S32包括:调整第四金属溶液的温度为650℃-700℃,加入第四锡材,得到第五金属溶液;
降低第五金属溶液的温度至580℃-600℃,捞渣处理,得到锡基巴氏合金。
为了减少锡料的损耗,将第四金属溶液的温度降低至650℃至700℃后再向第四金属溶液中加入第四锡材。一方面可以防止锡料烧损、减少氧化物生成,另一方面可便于第四锡材和第四金属溶液混合。捞渣处理主要是用于除去金属熔液表面的覆盖剂、金属氧化物等杂质,在进行捞渣处理前将第五金属溶液的温度降低到580℃至600℃,是为了便于捞渣步骤的进行。
在本发明的一个实例中,制备方法包括:
S113:按照配比准备锑、铜、镍、钴、第三锡材、第四锡材;
S123:取第三锡、铜、镍、钴、锑放入反应器中,升温反应器到1000℃至1200℃,使铜、镍、钴、锑熔于第三锡材,得到第四金属溶液;
S133:向第四金属溶液中加入覆盖剂,降低第四金属溶液的温度到650℃至700℃,向第四金属溶液中加入第四锡材,得到第五金属溶液,搅拌第五金属溶液,降低第五金属溶液的温度到580℃至600℃,对第五金属溶液进行捞渣处理,得到巴氏合金;
其中,第三锡材与第四锡材的质量比为1:1.5。
首先准备制备巴氏合金需要的材料,其次使铜、镍、钴、锑熔于第三锡材得到第四金属溶液,最后向第四金属溶液中加入剩余的锡材料,形成完整的巴氏合金配料熔液,然后制得巴氏合金。向第四金属溶液中加入覆盖剂,是为了减弱金属熔液的氧化。通过本方法制备的巴氏合金具有高抗拉强度、高结合强度、低脱壳率等特点。
本发明还提供一种轴瓦,轴瓦使用如权利要求本发明提供的锡基巴氏合金制备得到。本发明提供的轴瓦具备上述任一项实施例的有益效果,因此不再赘述。
本发明还提供一种轴瓦的制备方法,用于制备上述轴瓦,制备方法包括:
S210:对钢壳进行预处理,得到第一钢壳;
S220:对浇铸工具进行预热,预热温度为270℃至300℃;
S230:对第一钢壳进行浇铸,冷却成型,得到轴瓦;
其中,S230中对第一钢壳进行浇铸,为使用上述巴氏合金进行浇铸,或者,为使用上述制备方法制备得到的巴氏合金进行浇铸。
与现有技术相比,采用该技术方案所达到的技术效果:用于制备上诉轴瓦,强化轴瓦。采用本方法制备的轴瓦,会在巴氏合金与第一钢壳之间存在一层约1μm厚的过渡层,过渡层与第一钢壳结合良好。同时,在过渡层与巴氏合金层之间生长着犬牙交错的Cu6Sn5相,Cu6Sn5相被钴、镍元素强化,强化后的Cu6Sn5相进一步强化巴氏合金与过渡层的结合强度,从而在宏观上体现为提高了轴瓦的界面结合强度。在270℃至300℃条件下对浇铸工具先行进行预热,能够提升浇铸的效果。浇铸时,将第一钢壳快速装入离心机中进行浇铸,使得巴氏合金均匀的浇铸在第一钢壳的表面。
在本发明的一个实例中,S210中对钢壳进行预处理包括:
S211:对钢壳进行除锈;
S212:对钢壳进行预热,预热温度为260℃至280℃;
S213:对钢壳进行搪锡,搪锡温度为290℃至310℃,得到第一钢壳。
与现有技术相比,采用该技术方案所达到的技术效果:提升轴瓦的结合强度,降低轴瓦的脱壳率。对钢壳进行除锈和预热可以使得巴氏合金与钢壳更好的结合。对钢壳的表面进行搪锡,锡在钢壳界面处形成FeSn2、FeSn,便于后续浇铸巴氏合金形成较好的界面结合。
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:
锑,11质量份;铜,5.5质量份;镍,0.9质量份;铁,0.45质量份;铬,0.55质量份;锡,81.6质量份。
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:
锑,11质量份;铜,5.5质量份;镍,0.9质量份;铁,0.9质量份;铬,1.1质量份;锡,80.6质量份。
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:
锑,11质量份;铜,5.5质量份;镍,0.9质量份;铁,1.35质量份;铬,1.65质量份;锡,79.6质量份。
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:
锑,10质量份;铜,5.5质量份;镍,0.9质量份;铁,0.45质量份;铬,0.55质量份;锡,82.6质量份。
实施例5
本实施例提供一种锡基巴氏合金,按照质量份包括:
锑,10质量份;铜,5.5质量份;镍,0.9质量份;铁,0.9质量份;铬,1.1质量份;锡,81.6质量份。
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:
锑,10质量份;铜,5.5质量份;镍,0.9质量份;铁,1.35质量份;铬,1.65质量份;锡,80.6质量份。
实施例7
本实施例提供一种巴氏合金的制备方法,包括以下步骤:
1.将铜放置在预热好的石墨坩埚中,并且覆盖木炭、银钎剂,采用感应加热的方式进行熔炼得到铜液,
2.当铜液的温度为1200℃时,加入铜磷进行脱氧处理,得到脱氧的铜液;铜磷的加入量为铜液质量的0.2%;
3.在脱氧的铜液中加入镍、铁和铬,并且不断搅拌,熔炼得到第一金属溶液;
4.在第一金属溶液中加入锑和第一锡材,并且不断搅拌,得到第二金属溶液,并且在880℃的温度下保温待用;
5.将第二锡材放置在石墨坩埚中熔化,得到锡液,在400℃条件下保温待用;
将第二金属溶液倒入锡液中并且不断搅拌,得到第三金属溶液,当第三金属溶液的温度为580℃时保温10分钟;
6.在第三金属溶液中加入氯化锌和氯化铵的混合物进行精炼,当第三金属溶液的温度降低到550℃左右时,去除表面残渣,得到液体合金;
7.将液体合金倒入预热到150℃左右的石墨模具中,空冷至室温即可得到巴氏合金。
本实施例中,锡分为第一锡材和第二锡材,其比例为1:2。
按照成分配比获取原料,使用本实施例提供的制备方法即可得到如实施例1-6任一项提供的巴氏合金。
实施例8
1.将铜放置在预热好的石墨坩埚中,并且覆盖木炭、银钎剂,采用感应加热的方式进行熔炼得到铜液,
2.当铜液的温度为1150℃时,加入铜磷进行脱氧处理,得到脱氧的铜液;铜磷的加入量为铜液质量的0.1%;
3.在脱氧的铜液中加入镍、铁和铬,并且不断搅拌,熔炼得到第一金属溶液;
4.在第一金属溶液中加入锑和第一锡材,并且不断搅拌,得到第二金属溶液,并且在850℃的温度下保温待用;
5.将第二锡材放置在石墨坩埚中熔化,得到锡液,在380℃条件下保温待用;
将第二金属溶液倒入锡液中并且不断搅拌,得到第三金属溶液,当第三金属溶液的温度为550℃时保温10分钟;
6.在第三金属溶液中加入氯化锌和氯化铵的混合物进行精炼,当第三金属溶液的温度降低到550℃左右时,去除表面残渣,得到液体合金;
7.将液体合金倒入预热到150℃左右的石墨模具中,空冷至室温即可得到巴氏合金。
本实施例中,锡分为第一锡材和第二锡材,其比例为1:1。
实施例9
1.将铜放置在预热好的石墨坩埚中,并且覆盖木炭、银钎剂,采用感应加热的方式进行熔炼得到铜液,
2.当铜液的温度为1250℃时,加入铜磷进行脱氧处理,得到脱氧的铜液;铜磷的加入量为铜液质量的0.3%;
3.在脱氧的铜液中加入镍、铁和铬,并且不断搅拌,熔炼得到第一金属溶液;
4.在第一金属溶液中加入锑和第一锡材,并且不断搅拌,得到第二金属溶液,并且在900℃的温度下保温待用;
5.将第二锡材放置在石墨坩埚中熔化,得到锡液,在420℃条件下保温待用;
将第二金属溶液倒入锡液中并且不断搅拌,得到第三金属溶液,当第三金属溶液的温度为600℃时保温15分钟;
6.在第三金属溶液中加入氯化锌和氯化铵的混合物进行精炼,当第三金属溶液的温度降低到550℃左右时,去除表面残渣,得到液体合金;
7.将液体合金倒入预热到150℃左右的石墨模具中,空冷至室温即可得到巴氏合金。
本实施例中,锡分为第一锡材和第二锡材,其比例为1:3。
对实施例1-6提供的巴氏合金进行力学性能测试,对比例选用ZChSn12Sb6,采用MTS E45.105万能力学试验机进行抗拉强度测试,测试方法参照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸实验》。试验结果如表1所示。
表1实施例及对比例合金强度对比
从表1可以看出,本发明的高强高锑锡基巴氏合金的抗拉强度在103MPa以上,相比于ZChSn12Sb6(78.68),自身力学性能提高了约38%。
采用搪锡-重力浇铸方式,将锡基巴氏合金浇铸在搪锡后的低碳钢基体表面,待试样降低到室温时,将试验试样加工成标准的结合强度试样。巴氏合金的结合强度测试试验根据国际标准《ISO 4386-2-2012-10 Plain bearings.Metallic multilayer plainbearings》得到的结合强度如表2所示;
表2实施例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ZChSn12Sb6有大幅度提升,提升了约30%。
参见图1至图6,对比实施例1、实施例5以及对比例,从光学显微组织照片中可以发现,由于巴氏合金中Sb元素含量的降低,实施例1和实施例5相比较ZSnSb12Cu6的显微组织中的白色方块SnSb相明显减少,SnSb相是巴氏合金中的脆性相,使巴氏合金的变形能力增加,避免合金因为发生脆断,导致强度降低。
参见图7至图12,EDS能谱采集区域元素分布含量如表3所示;从EDS能谱数据中发现,图像中黑色区域为FeCr化合物,其中铁元素和铬元素富集;灰色区域中有明显的镍元素富集,增强相由Cu6Sn5变为(CuNix)6Sn5。从元素分布含量说明,本发明所述的添加微量高熔点元素铁、铬和镍均成功添加到锡基巴氏合金当中,并与合金元素发生反应,生成新相,起到增加合金的熔点,提升合金的强度的作用。
表3 EDS能谱采集区域元素分布含量
实施例10
本实施例提供一种巴氏合金,包括:10质量份的锑、6质量份的铜、0.7质量份的镍、0.8质量份的钴、82.5质量份的锡余量。
上述巴氏合金的制备方法如下:
1.总质量确定后,按照质量份的配比准备10质量份的锑材、6质量份的铜材、0.7质量份的镍材、0.8质量份的钴材、33质量份的第三锡材、49.5质量份的第四锡材;
2.先将33质量份的第三锡材放入坩埚中,将10质量份的锑材、6质量份的铜材、0.7质量份的镍材、0.8质量份的钴材放入坩埚中,开始加热,坩埚加热至1000℃~1200℃,保温5min,使锑、铜、镍、钴熔于锡熔液,同时加入覆盖剂,减弱金属熔液的氧化;
3.随后将坩埚温度降至650℃~700℃,加入49.5质量份的第四锡材,搅拌、保温10min后静置2min,开始降温捞渣除去金属熔液表面的覆盖剂、金属氧化物等杂质,巴氏合金熔液温度处于580℃~600℃,表面捞渣完毕即完成巴氏合金的制备。
实施例11:
本实施例提供一种巴氏合金,包括:10.5质量份的锑、6.5质量份的铜、0.8质量份的镍、0.9质量份的钴、81.3质量份的锡余量。
上述巴氏合金的制备方法如下:
1.总质量确定后,按照质量份的配比准备10.5质量份的锑材、6.5质量份的铜材、0.8质量份的镍材、0.9质量份的钴材、32.52质量份的第三锡材、48.78质量份的第四锡材;
2.先将32.52质量份的第三锡材放入坩埚中,将10.5质量份的锑材、6.5质量份的铜材、0.8质量份的镍材、0.9质量份的钴材放入坩埚中,开始加热,坩埚加热至1000℃~1200℃,保温5min,使锑、铜、镍、钴熔于锡熔液,同时加入覆盖剂,用钎剂及木炭粉作为覆盖剂,减弱金属熔液的氧化;
3.随后将坩埚温度降至650℃~700℃,加入48.78质量份的第四锡材,搅拌、保温10min后静置2min,开始降温捞渣除去金属熔液表面的覆盖剂、金属氧化物等杂质,巴氏合金熔液温度处于580℃~600℃,表面捞渣完毕即完成巴氏合金的制备。
实施例12:
本实施例提供一种巴氏合金,包括:10.5质量份的锑、6.5质量份的铜、0.9质量份的镍、1质量份的钴、81.1质量份的锡余量。
上述巴氏合金的制备方法如下:
1.总质量确定后,按照质量份的配比准备10.5质量份的锑材、6.5质量份的铜材、0.9质量份的镍材、1质量份的钴材、32.44质量份的第三锡材、48.66质量份的第四锡材;
2.先将32.44质量份的第三锡材放入坩埚中,将10.5质量份的锑材、6.5质量份的铜材、0.9质量份的镍材、1质量份的钴材放入坩埚中,开始加热,坩埚加热至1000℃~1200℃,保温5min,使锑、铜、镍、钴熔于锡熔液,同时加入覆盖剂,减弱金属熔液的氧化;
3.随后将坩埚温度降至650℃~700℃,加入48.66质量份的第四锡材,搅拌、保温10min后静置2min,开始降温捞渣除去金属熔液表面的覆盖剂、金属氧化物等杂质,巴氏合金熔液温度处于580℃~600℃,表面捞渣完毕即完成巴氏合金的制备。
实施例13:
本实施例提供一种巴氏合金,包括:10.5质量份的锑、6.5质量份的铜、1质量份的镍、1.3质量份的钴、80.7质量份的锡余量。
上述巴氏合金的制备方法如下:
1.总质量确定后,按照质量份的配比准备10.5质量份的锑材、6.5质量份的铜材、1质量份的镍材、1.3质量份的钴材、32.28质量份的第三锡材、48.42质量份的第四锡材;
2.先将32.28质量份的第三锡材放入坩埚中,将10.5质量份的锑材、6.5质量份的铜材、1质量份的镍材、1.3质量份的钴材放入坩埚中,开始加热,坩埚加热至1000℃~1200℃,保温5min,使锑、铜、镍、钴熔于锡熔液,同时加入覆盖剂,减弱金属熔液的氧化;
3.随后将坩埚温度降至650℃~700℃,加入48.42质量份的第四锡材,搅拌、保温10min后静置2min,开始降温捞渣除去金属熔液表面的覆盖剂、金属氧化物等杂质,巴氏合金熔液温度处于580℃~600℃,表面捞渣完毕即完成巴氏合金的制备。
实施例14:
本实施例提供一种巴氏合金,包括:11质量份的锑、6.5质量份的铜、1质量份的镍、1.5质量份的钴、80质量份的锡余量。
上述巴氏合金的制备方法如下:
1.总质量确定后,按照质量份的配比准备11质量份的锑材、6.5质量份的铜材、1质量份的镍材、1.5质量份的钴材、32质量份的第三锡材、48质量份的第四锡材;
2.先将32质量份的第三锡材放入坩埚中,将11质量份的锑材、6.5质量份的铜材、1质量份的镍材、1.5质量份的钴材放入坩埚中,开始加热,坩埚加热至1000℃~1200℃,保温5min,使锑、铜、镍、钴熔于锡熔液,同时加入覆盖剂,减弱金属熔液的氧化;
3.随后将坩埚温度降至650℃~700℃,加入48质量份的第四锡材,搅拌、保温10min后静置2min,开始降温捞渣除去金属熔液表面的覆盖剂、金属氧化物等杂质,巴氏合金熔液温度处于580℃~600℃,表面捞渣完毕即完成巴氏合金的制备。
实施例15:
本实施例提供一种巴氏合金,包括:11质量份的锑、7质量份的铜、1.1质量份的镍、1.5质量份的钴、79.4质量份的锡余量。
上述巴氏合金的制备方法如下:
1.总质量确定后,按照质量份的配比准备11质量份的锑材、7质量份的铜材、1.1质量份的镍材、1.5质量份的钴材、31.76质量份的第三锡材、47.64质量份的第四锡材;
2.先将31.76质量份的第三锡材放入坩埚中,将11质量份的锑材、7质量份的铜材、1.1质量份的镍材、1.5质量份的钴材放入坩埚中,开始加热,坩埚加热至1000℃~1200℃,保温5min,使锑、铜、镍、钴熔于锡熔液,同时加入覆盖剂,减弱金属熔液的氧化;
3.随后将坩埚温度降至650℃~700℃,加入47.64质量份的第四锡材,搅拌、保温10min后静置2min,开始降温捞渣除去金属熔液表面的覆盖剂、金属氧化物等杂质,巴氏合金熔液温度处于580℃~600℃,表面捞渣完毕即完成巴氏合金的制备。
实施例16:
本实施例提供一种巴氏合金,包括:10.5质量份的锑、6.5质量份的铜、0.9质量份的镍、1质量份的钴、81.1质量份的锡余量。
上述巴氏合金的制备方法如下:
1.总质量确定后,按照质量份的配比准备10.5质量份的锑材、6.5质量份的铜材、0.9质量份的镍材、1质量份的钴材、32.44质量份的第三锡材、48.66质量份的第四锡材;
2.先将32.44质量份的第三锡材放入坩埚中,将10.5质量份的锑材、6.5质量份的铜材、0.9质量份的镍材、1质量份的钴材放入坩埚中,开始加热,坩埚加热至1000℃~1200℃,保温5min,使锑、铜、镍、钴熔于锡熔液,同时加入覆盖剂,减弱金属熔液的氧化;
3.随后将坩埚温度降至650℃~700℃,加入48.66质量份的第四锡材,搅拌、保温10min后静置2min,开始降温捞渣除去金属熔液表面的覆盖剂、金属氧化物等杂质,巴氏合金熔液温度处于580℃~600℃,表面捞渣完毕即完成巴氏合金的制备。
对实施例10至实施例16的巴氏合金进行力学性能测试。采用MTSE45.105万能力学试验机进行巴氏合金材料抗拉强度测试,测试方法参照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸实验》,应变速率为1.2×10-4s-1。巴氏合金的结合强度根据国标GB/T12948-1991滑动轴承双金属结合强度破坏性实验方法。测试结果如表4所示:
表4
实施例 | 抗拉强度/MPa | 结合强度/MPa |
实施例10 | 110 | 59 |
实施例11 | 109 | 60 |
实施例12 | 107 | 57 |
实施例13 | 106 | 58 |
实施例14 | 111 | 60 |
实施例15 | 112 | 60 |
实施例16 | 108 | 59 |
从表4的检测结果可以看出,钴、镍的添加强化了巴氏合金的强度及结合强度。
上述实施例10至实施例16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17:
本实施例提供一种轴瓦的制备方法:
1.对钢壳进行盐酸除锈;
2.将钢壳预热至260℃~280℃;
3.将钢壳浸入锡池里进行搪锡,搪锡温度控制在290℃~310℃;
4.所有浇铸工具均预热,温度介于270℃~300℃;
5.将钢壳快速装入离心机中,进行浇铸;
6.浇铸完毕后进行保温,直至自然冷却
其中,步骤5中浇铸可使用实施例1-6或实施例10-16中的巴氏合金。
图13为上述轴瓦中巴氏合金的金相图,从图13中可以看出,SnSb相以及Cu6Sn5相的直径较小,SnSb相以及Cu6Sn5相细小且均匀弥散地分布在基体中,从而强化了轴瓦的强度。
图14为巴氏合金与钢壳的结合面的SEM图。从图14中可以看到,巴氏合金与钢壳之间存在一层约1μm的过渡层,过渡层与钢壳结合良好,未见孔洞等缺陷,钴、镍部分固溶在Cu6Sn5相中,对Cu6Sn5相具有强化作用。从图14中还可见过渡层与巴氏合金层之间生长着犬牙交错的Cu6Sn5相,这些强化后的Cu6Sn5相进一步强化了巴氏合金与过渡层的结合强度,从而宏观上体现为提高了轴瓦的界面结合强度。
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 (10)
1.一种锡基巴氏合金,其特征在于,包括:
锑,8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;
锡和改性金属;
其中,所述锑、所述铜、所述镍、所述锡和所述改性金属的质量份之和为100份。
2.根据权利要求1所述的锡基巴氏合金,其特征在于,
所述改性金属为铁和铬;
其中,所述铁的质量份为0.5份至1.5份;所述铬的质量份为0.5份至1.5份。
3.根据权利要求1所述的锡基巴氏合金,其特征在于,
所述改性金属为钴,所述钴的质量份为0.8份至1.5份。
4.一种如权利要求2所述的锡基巴氏合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S11:熔炼第一金属原料,得到第一金属溶液;所述第一金属原料包括铜、镍、铁、铬;
S12:在所述第一金属溶液中加入锑和第一锡材,得到第二金属溶液;
S13:熔化第二锡材,得到锡液;将所述第二金属溶液和所述锡液混合熔炼,得到第三金属溶液;
S14:所述第三金属溶液冷却得到所述巴氏合金;
其中,所述第一锡材和所述第二锡材的质量比为1:(1-3)。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述S11:熔炼第一金属原料,得到第一金属溶液;包括:
S21:熔化所述铜得到铜液;
S22:对所述铜液进行脱氧处理,得到脱氧的铜液;
S23:在所述脱氧的铜液中加入镍、铁和铬,熔炼得到所述第一金属溶液。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,
所述第二金属溶液的温度维持在850-900℃;和/或
所述锡液的温度维持在380-420℃;和/或
所述第三金属溶液的温度维持在550-600℃。
7.一种如权利要求3所述的锡基巴氏合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S31:混合熔炼第二金属原料,得到第四金属溶液;所述第二金属原料包括第三锡材、铜、镍、钴、锑;
S32:向所述第四金属溶液中加入第四锡材,熔炼得到所述锡基巴氏合金;
其中,所述第三锡材与所述第四锡材的质量份比为1:(1-3)。
8.根据权利要求7所述制备方法,其特征在于,所述S31:混合熔炼第二金属原料的熔炼温度为1000℃至1200℃。
9.根据权利要求7所述制备方法,其特征在于,所述S32包括:
调整所述第四金属溶液的温度为650℃-700℃,加入所述第四锡材,得到第五金属溶液;
降低所述第五金属溶液的温度至580℃-600℃,捞渣处理,得到所述巴氏合金。
10.一种轴瓦,其特征在于,所述轴瓦使用如权利要求1所述的锡基巴氏合金制备得到。
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