CN115652137B - 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 (5)
1.一种锡基巴氏合金的制备方法，其特征在于，所述锡基巴氏合金为：
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；
所述改性金属为：铁，0.5质量份至1.5质量份；铬，0.5质量份至1.5质量份；
所述铁和所述铬的质量比为0.5-1.5；
所述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；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)。
2.根据权利要求1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。
3.根据权利要求1所述的制备方法，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℃。
4.一种锡基巴氏合金，其特征在于，所述锡基巴氏合金采用如权利要求1至3中任一项所述的制备方法得到。
5.一种轴瓦，其特征在于，所述轴瓦使用如权利要求4所述的锡基巴氏合金制备得到。
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