CN115679319A - 一种锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，包括以下步骤：步骤1，用砂纸打磨锡青铜轴瓦和电极，打磨至锡青铜轴瓦和电极的表面粗糙度为1～2μm；步骤2，在常温无水乙醇中用超声波清洗锡青铜轴瓦和电极，去除表面的油脂和杂质，清洗后将锡青铜轴瓦和电极吹干；步骤3，通过电火花合金化工艺在锡青铜轴瓦表面涂敷银，形成银涂层；步骤4，通过电火花合金化工艺在锡青铜轴瓦表面涂敷铜，在银涂层的基础上形成铜涂层；步骤5，通过电火花合金化工艺在锡青铜轴瓦表面涂敷巴氏合金，在铜涂层的基础上形成巴氏合金涂层。通过该技术获得的有涂层锡青铜轴瓦表面的摩擦系数低、减磨性能优异、抗疲劳性强。

Description

一种锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺

技术领域

本发明涉及电火花合金化技术领域，具体为一种锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺。

背景技术

轴瓦是滑动轴承中重要的零部件，存在于工业机械设备旋转部件中，它能支撑轴和轴上零件，保证轴的旋转精度，并减少轴与支撑零件之间的摩擦。

电火花合金化是利用电极材料与金属零部件表面的火花放电作用，把作为火花放电电极的导电材料熔渗于金属表面，形成表面合金化涂覆层的工艺方法，即是一种直接利用高密度电能对金属表面进行涂覆处理的技术。电火花涂覆能够有效地提高零部件表面的耐磨性、耐腐蚀性和耐热性等，而不影响基体内部的组织和性能，特别适用于工模具和大型机械零部件的局部处理，广泛应用于电气传动、航空航天、军工、汽车、涡轮机等行业。

工业机械设备旋转部件经常在重载、高速、高温的环境下工作，同时在工作中也会接触到腐蚀性液体，这些会加快旋转部件被腐蚀、被磨损的进程，通常工业机械设备的表面层承受的载荷最大，受外界环境影响最大，因此工业机械设备表面层的性能直接决定了零件的工作寿命和稳定性。

目前，铜基合金轴瓦由于其优异的力学性能和导热性，被广泛应用于工业机械设备。然而，通过对铜基合金轴瓦运行情况的分析表明，现有的青铜轴瓦的摩擦系数较大，易磨损轴径，其摩擦学特性成为其进一步应用的障碍。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，通过该方法制备的锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层具有表面综合性能好、减磨性能优异、抗疲劳性强、可靠性高、耐久性好的特点，解决现有铜基合金轴瓦摩擦系数较大，易磨损轴径的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，包括以下步骤：

步骤1，用砂纸打磨锡青铜轴瓦和电极，将锡青铜轴瓦和电极依次用砂纸进行打磨，打磨至锡青铜轴瓦和电极的表面粗糙度为1～2μm；

步骤2，清洗锡青铜轴瓦和电极的表面，在常温无水乙醇中用超声波清洗锡青铜轴瓦和电极，去除表面的油脂和杂质，清洗后将锡青铜轴瓦和电极吹干；

步骤3，合金化涂敷银，通过电火花合金化工艺在锡青铜轴瓦表面涂敷银，形成银涂层；

步骤4，合金化涂敷铜，通过电火花合金化工艺涂敷铜，在银涂层的基础上形成铜涂层；

步骤5，合金化涂敷巴氏合金，通过电火花合金化工艺涂敷巴氏合金，在铜涂层的基础上形成巴氏合金涂层，金属铜与锡基巴氏合金中的金属锡形成ε相Cu₆Sn₅。

优选的，步骤1中所述电极包括银电极、铜电极、巴氏合金电极。

优选的，所述银涂层为过渡涂层，银电极进行电火花合金化时电压为60～100V、电容为90～240μF、工作效率为2～4min/cm²、转速为2600r/min、放电频率为2500～3500Hz。

优选的，所述铜涂层为过渡涂层，铜电极进行电火花合金化时电压为60～100V、电容为90～240μF、工作效率为2～4min/cm²、转速为2600r/min、放电频率为3500～4500Hz。

优选的，所述巴氏合金电极进行电火花合金化时电压为20～30V、电容为90～150μF、效率为3～6min/cm²、转速为2600r/min、频率为4500～5500Hz。

优选的，所述锡青铜轴瓦中铜含量为89.10％，锡含量为9.38％，磷含量为0.72％，杂质含量为0.80％；所述银电极中银含量为99.99％，杂质含量为0.01％，且银电极直径为3mm，长度为100mm；所述铜电极中铜含量为99.99％，杂质含量为0.01％，且铜电极直径为3mm，长度为100mm；所述巴氏合金电极为锡基巴氏合金，所述锡基巴氏合金中锡含量为83.10％，锑含量为11.02％，铜含量为5.83％，杂质含量为0.05％，且巴氏合金电极直径为3mm，长度为100mm。

优选的，电火花合金化工艺中，所述银电极、铜电极、巴氏合金电极与锡青铜轴瓦表面保持40～50度的角度，左右摆动幅度为15～25mm，电极的移动速度为1～4mm/s。

优选的，电火花合金化工艺中，合金化过程是在室温下进行的，使用氩气作为保护气体，流速为0.2L/s。

优选的，所述银涂层厚度在30～80μm之间，所述铜涂层厚度在40～80μm之间，所述巴氏合金涂层在50～100μm之间，复合涂层厚度在120～260μm之间。

本发明具备以下有益效果：该锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，通过电火花合金化技术在锡青铜轴瓦表面涂敷包含银涂层、铜涂层、巴氏合金涂层的复合涂层，能够有效地降低锡青铜轴瓦表面的摩擦系数，获得表面综合性能好、减磨性能优异、抗疲劳性强、可靠性高、耐久性好的锡青铜轴瓦。

具体实施方式

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，包括打磨、清洗、电火花合金化涂层步骤，具体包括以下步骤：

步骤1，用砂纸打磨锡青铜轴瓦和电极，所述电极包括银电极、铜电极、巴氏合金电极，将锡青铜轴瓦和电极依次用型号为400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#的砂纸进行打磨，打磨至锡青铜轴瓦和电极的表面粗糙度为1～2μm；

步骤2，清洗锡青铜轴瓦和电极的表面，电火花合金化涂层之前，在常温无水乙醇中用超声波清洗锡青铜轴瓦和电极20min，去除表面的油脂和杂质，清洗后将锡青铜轴瓦和电极吹干；步骤3，合金化涂敷银，通过电火花合金化工艺在锡青铜轴瓦表面涂敷银，形成银涂层，所述银涂层为过渡涂层，银电极进行电火花合金化时电压为60V、电容为150μF、工作效率为3min/cm²、转速为2600r/min、放电频率为3000Hz；

步骤4，合金化涂敷铜，通过电火花合金化工艺在锡青铜轴瓦表面涂敷铜，在银涂层的基础上形成铜涂层，所述铜涂层为过渡涂层，铜电极进行电火花合金化时电压为60V、电容为150μF、工作效率为3min/cm²、转速为2600r/min、放电频率为4000Hz；

步骤5，合金化涂敷巴氏合金，通过电火花合金化工艺在锡青铜轴瓦表面涂敷巴氏合金，在铜涂层的基础上形成巴氏合金涂层，金属铜在锡基巴氏合金中与锡形成ε相Cu₆Sn₅，所述Cu₆Sn₅能提高涂层之间的结合力，巴氏合金电极进行电火花合金化时电压为30V、电容为90μF、效率为4min/cm²、转速为2600r/min、频率为5000Hz。

锡青铜轴瓦经上述步骤后得到表面有涂层的锡青铜轴瓦，所述涂层分为三层，第一层为银涂层、第二层为铜涂层、第三层为巴氏合金涂层，涂层硬度梯度减小，涂层表面裂纹少，所述银涂层厚度为50μm，所述铜涂层厚度为60μm，所述巴氏合金涂层为80μm，复合涂层厚度为190μm。

进一步的，所述锡青铜轴瓦中铜含量为89.10％，锡含量为9.38％，磷含量为0.72％，杂质含量为0.80％；所述银电极中银含量为99.99％，杂质含量为0.01％，且银电极直径为3mm，长度为100mm；所述铜电极中铜含量为99.99％，杂质含量为0.01％，且铜电极直径为3mm，长度为100mm；所述巴氏合金电极为锡基巴氏合金，所述锡基巴氏合金中锡含量为83.10％，锑含量为11.02％，铜含量为5.83％，杂质含量为0.05％，巴氏合金电极直径为3mm，长度为100mm。

进一步的，上述所述银电极、铜电极、巴氏合金电极与锡青铜轴瓦表面保持40度的角度，左右摆动幅度为15mm，电极的移动速度为2mm/s。

进一步的，所述合金化过程是在室温下进行的，使用纯度在99％以上的氩气作为保护气体，流速为0.2L/s，以防止涂层区域受到空气的影响。

工作原理：银和铜之间的润湿角较小，有利于加强涂层之间的冶金结合力，适合作为过渡涂层使用，铜在锡基巴氏合金中与锡形成ε相Cu₆Sn₅，金属间化合物Cu₆Sn₅能防止凝固过程中的比重偏析，能提高涂层之间的结合力，也适用于过渡层，因此，锡青铜轴瓦的表面先电火花合金化银涂层，再电火花合金化铜涂层，最后再电火花合金化巴氏合金涂层，涂层由三层构成，分别是银涂层、铜涂层、巴氏合金涂层，涂层硬度梯度减小，能减少材料表面的裂纹，降低摩擦系数。

实施例2

一种锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，包括打磨、清洗、电火花合金化涂层步骤，包括以下步骤：

步骤1，用砂纸打磨锡青铜轴瓦和电极，所述电极包括银电极、铜电极、巴氏合金电极，将锡青铜轴瓦和电极依次用型号为400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#的砂纸进行打磨，打磨至锡青铜轴瓦和电极的表面粗糙度为1～2μm；

步骤2，清洗锡青铜轴瓦和电极的表面，电火花合金化涂层之前，在常温无水乙醇中用超声波清洗锡青铜轴瓦和电极20min，去除表面的油脂和杂质，清洗后将锡青铜轴瓦和电极吹干；

步骤3，合金化涂敷银，通过电火花合金化工艺在锡青铜轴瓦表面涂敷银，形成银涂层，所述银涂层为过渡涂层，银电极进行电火花合金化时电压为100V、电容为90μF、工作效率为2min/cm²、转速为2600r/min、放电频率为3000Hz；

步骤4，合金化涂敷铜，通过电火花合金化工艺在锡青铜轴瓦表面涂敷铜，在银涂层的基础上形成铜涂层，所述铜涂层为过渡涂层，铜电极进行电火花合金化时电压为80V、电容为150μF、工作效率为2min/cm²、转速为2600r/min、放电频率为4500Hz；

步骤5，合金化涂敷巴氏合金，通过电火花合金化工艺在锡青铜轴瓦表面涂敷巴氏合金，在铜涂层的基础上形成巴氏合金涂层，金属铜在锡基巴氏合金中与锡形成ε相Cu₆Sn₅，所述Cu₆Sn₅能提高涂层之间的结合力，巴氏合金电极进行电火花合金化时电压为25V、电容为90μF、效率为5min/cm²、转速为2600r/min、频率为4500Hz。

锡青铜轴瓦经上述步骤后得到表面有涂层的锡青铜轴瓦，所述涂层分为三层，第一层为银涂层、第二层为铜涂层、第三层为巴氏合金涂层，涂层硬度梯度减小，涂层表面裂纹少，所述银涂层厚度为60μm，所述铜涂层厚度为60μm，所述巴氏合金涂层为90μm，复合涂层厚度为210μm。

进一步的，所述锡青铜轴瓦中铜含量为89.10％，锡含量为9.38％，磷含量为0.72％，杂质含量为0.80％；所述银电极中银含量为99.99％，杂质含量为0.01％，且银电极直径为3mm，长度为100mm；所述铜电极中铜含量为99.99％，杂质含量为0.01％，且铜电极直径为3mm，长度为100mm；所述巴氏合金电极为锡基巴氏合金，所述锡基巴氏合金中锡含量为83.10％，锑含量为11.02％，铜含量为5.83％，杂质含量为0.05％，且巴氏合金电极直径为3mm，长度为100mm。

进一步的，上述所述银电极、铜电极、巴氏合金电极与锡青铜轴瓦表面保持50度的角度，左右摆动幅度为15mm，电极的移动速度为4mm/s。

进一步的，所述合金化过程是在室温下进行的，使用纯度在99％以上的氩气作为保护气体，流速为0.2L/s，以防止涂层区域受到空气的影响。

实施例3

一种锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，包括打磨、清洗、电火花合金化涂层步骤，包括以下步骤：

步骤1，用砂纸打磨锡青铜轴瓦和电极，所述电极包括银电极、铜电极、巴氏合金电极，将锡青铜轴瓦和电极依次用型号为400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#的砂纸进行打磨，打磨至锡青铜轴瓦和电极的表面粗糙度为1～2μm；

步骤2，清洗锡青铜轴瓦和电极的表面，电火花合金化涂层之前，在常温无水乙醇中用超声波清洗锡青铜轴瓦和电极20min，去除表面的油脂和杂质，清洗后将锡青铜轴瓦和电极吹干；

步骤3，合金化涂敷银，通过电火花合金化工艺在锡青铜轴瓦表面涂敷银，形成银涂层，所述银涂层为过渡涂层，银电极进行电火花合金化时电压为80V、电容为150μF、工作效率为4min/cm²、转速为2600r/min、放电频率为3000Hz；

步骤4，合金化涂敷铜，通过电火花合金化工艺在锡青铜轴瓦表面涂敷铜，在银涂层的基础上形成铜涂层，所述铜涂层为过渡涂层，铜电极进行电火花合金化时电压为60V、电容为150μF、工作效率为4min/cm²、转速为2600r/min、放电频率为4500Hz；

步骤5，合金化涂敷巴氏合金，通过电火花合金化工艺在锡青铜轴瓦表面涂敷巴氏合金，在铜涂层的基础上形成巴氏合金涂层，金属铜在锡基巴氏合金中与锡形成ε相Cu₆Sn₅，所述Cu₆Sn₅能提高涂层之间的结合力，巴氏合金电极进行电火花合金化时电压为20V、电容为150μF、效率为6min/cm²、转速为2600r/min、频率为4500Hz。

锡青铜轴瓦经上述步骤后得到表面有涂层的锡青铜轴瓦，所述涂层分为三层，第一层为银涂层、第二层为铜涂层、第三层为巴氏合金涂层，涂层硬度梯度减小，涂层表面裂纹少，所述银涂层厚度为70μm，所述铜涂层厚度为70μm，所述巴氏合金涂层为90μm，复合涂层厚度为230μm。

进一步的，所述锡青铜轴瓦中铜含量为89.10％，锡含量为9.38％，磷含量为0.72％，杂质含量为0.80％；所述银电极中银含量为99.99％，杂质含量为0.01％，且银电极直径为3mm，长度为100mm；所述铜电极中铜含量为99.99％，杂质含量为0.01％，且铜电极直径为3mm，长度为100mm；所述巴氏合金电极为锡基巴氏合金，所述锡基巴氏合金中锡含量为83.10％，锑含量为11.02％，铜含量为5.83％，杂质含量为0.05％，且巴氏合金电极直径为3mm，长度为100mm。

进一步的，上述所述银电极、铜电极、巴氏合金电极与锡青铜轴瓦表面保持45度的角度，左右摆动幅度为20mm，电极的移动速度为3mm/s。

进一步的，所述合金化过程是在室温下进行的，使用纯度在99％以上的氩气作为保护气体，流速为0.2L/s，以防止涂层区域受到空气的影响。

对比例

对比例通过以未经涂层的锡青铜轴瓦为对照组，对比验证实施例1中有涂层锡青铜轴瓦的性能，通过测量维氏硬度、摩擦磨损试验、试运行试验，检验锡青铜轴瓦的表面硬度、摩擦系数、运行稳定性和耐久性。

用维氏硬度仪测定了涂层横截面的显微硬度分布。用压头在压力为0.098N、保持时间为12s的条件下，在不同位置测量了软减摩涂层的显微硬度。软减摩涂层表面到基体的显微硬度变化呈明显的梯度分布，可依次分为锡基巴氏合金涂层区、铜过渡区、银过渡区和基体四部分。软减摩涂层表面沉积的材料为锡基巴氏合金，涂层相对较软，显微硬度为29HV_0.01。铜过渡区涂层显微硬度为157HV_0.01。Ag过渡区涂层显微硬度约为95HV_0.01。随后，复合涂层的硬度逐渐增加并过渡到基体上，基体的显微硬度为161HV_0.01。软减摩涂层的显微硬度逐渐由表面向基体过度，有利于提高金属之间的结合强度和减少裂纹。从软减摩涂层表面到基体，其硬度先增大后减小，最后增大。复合涂层的硬度比锡青铜基体的硬度低82％。

采用摩擦磨损试验机对轴瓦表面的摩擦性能进行了研究。检测了轴瓦在25℃干摩擦条件下球板往复运行的摩擦数据。相应的摩擦副由直径为8毫米的轴承钢(GCr15)球制成。滑动速度为20mm/s，压力加载速度为10mm/min，摩擦接触距离为6mm。施加压力依次为5N、10N和15N，每次测试时间为600秒。在5N的载荷下，初始600秒的摩擦系数平均值约为0.4。在接下来的600秒内，在10N的载荷下，摩擦系数约为0.24。然后在15N的载荷下，在最后的600秒，摩擦系数大约是0.18。而相同条件下无涂层的锡青铜轴瓦的摩擦系数大约是0.32.对干摩擦下涂层的摩擦学性能的研究表明，采用软减摩材料沉积的涂层具有较低的摩擦阻力。该减摩涂层的表面摩擦系数约为锡青铜轴瓦的56％。对于电火花合金化涂层，摩擦开始时摩擦系数较大，这主要受表面粗糙度的影响。因此，在5N载荷的初始600秒内，受表面粗糙度的影响，摩擦系数约为0.4。由于硬度较高的GCr15使硬度较低的软减摩涂层产生塑性变形。随着摩擦膜的形成，软减摩涂层-GCr15摩擦副的摩擦轨迹出现在表面。与其它常见摩擦副相似，稳态摩擦系数不再受摩擦副表面粗糙度的影响。经过第一个磨合阶段，在10N的载荷下，软减摩涂层的摩擦系数在接下来的600秒内呈现出相对稳定的状态，平均值约为0.24。之后在15N的载荷下，摩擦系数下降到0.18。经过磨合阶段，软减摩涂层的摩擦系数逐渐趋于稳定。

加工完成的轴瓦在加注润滑油后，轻载10N，转速700r/min运转试验共进行3小时，随时检测轴瓦外部温度。轻载运转试验结束后，以30N的负载，转速700r/min，进行8小时的试运行试验，并随时检查轴瓦外部温度。根据试运行试验数据分析，无减摩涂层的锡青铜轴瓦运行稳定，轴瓦外部温度增加12℃；有减摩涂层的锡青铜轴瓦运行稳定，轴瓦外部温度仅增加8℃。试运行后，发现无减摩涂层轴瓦表面出现烧灼变黑的现象，表面磨损严重；有减摩涂层轴瓦表面没有出现烧灼现象，划痕不明显，磨损轻微。从整体来看，有涂层滑动轴承轴瓦的温升较小，运行稳定可靠，耐久性好。

根据试验得出结论：本发明实施例中涂层锡青铜轴瓦相较于未涂层锡青铜轴瓦，摩擦系数更小且抗疲劳性强，耐久性强。

综上所述，该锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，通过在锡青铜轴瓦表面涂层解决了现有的青铜轴瓦的摩擦系数较大，易磨损轴径的问题。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，能理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下能对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，用砂纸打磨锡青铜轴瓦和电极，将锡青铜轴瓦和电极依次用砂纸进行打磨，打磨至锡青铜轴瓦和电极的表面粗糙度为1～2μm；

步骤2，清洗锡青铜轴瓦和电极的表面，在常温无水乙醇中用超声波清洗锡青铜轴瓦和电极，去除表面的油脂和杂质，清洗后将锡青铜轴瓦和电极吹干；

步骤3，合金化涂敷银，通过电火花合金化工艺在锡青铜轴瓦表面涂敷银，形成银涂层；

步骤4，合金化涂敷铜，通过电火花合金化工艺涂敷铜，在银涂层的基础上形成铜涂层；

步骤5，合金化涂敷巴氏合金，通过电火花合金化工艺涂敷巴氏合金，在铜涂层的基础上形成巴氏合金涂层，金属铜与锡基巴氏合金中的金属锡形成ε相Cu₆Sn₅。

2.如权利要求1所述锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，其特征在于：步骤1中所述电极包括银电极、铜电极、巴氏合金电极。

3.如权利要求1所述锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，其特征在于：所述银涂层为过渡涂层，银电极进行电火花合金化时电压为60～100V、电容为90～240μF、工作效率为2～4min/cm²、转速为2600r/min、放电频率为2500～3500Hz。

4.如权利要求1所述锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，其特征在于：所述铜涂层为过渡涂层，铜电极进行电火花合金化时电压为60～100V、电容为90～240μF、工作效率为2～4min/cm²、转速为2600r/min、放电频率为3500～4500Hz。

5.如权利要求1所述锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，其特征在于：所述巴氏合金电极进行电火花合金化时电压为20～30V、电容为90～150μF、效率为3～6min/cm²、转速为2600r/min、频率为4500～5500Hz。

6.如权利要求1所述锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，其特征在于：所述锡青铜轴瓦中铜含量为89.10％，锡含量为9.38％，磷含量为0.72％，余量为杂质；所述银电极中银含量为99.99％，余量为杂质，且银电极直径为3mm，长度为100mm；所述铜电极中铜含量为99.99％，余量为杂质，且铜电极直径为3mm，长度为100mm；所述巴氏合金电极为锡基巴氏合金，所述锡基巴氏合金中锡含量为83.10％，锑含量为11.02％，铜含量为5.83％，余量为杂质，且巴氏合金电极直径为3mm，长度为100mm。

7.如权利要求1所述锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，其特征在于：电火花合金化工艺中，所述银电极、铜电极、巴氏合金电极与锡青铜轴瓦表面保持40～50度的角度，左右摆动幅度为15～25mm，电极的移动速度为1～4mm/s。

8.如权利要求1所述锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，其特征在于：电火花合金化工艺中，合金化过程是在室温下进行的，使用氩气作为保护气体，流速为0.2L/s。

9.如权利要求1所述锡青铜轴瓦表面电火花合金化软减摩涂层工艺，其特征在于：所述银涂层厚度在30～80μm之间，所述铜涂层厚度在40～80μm之间，所述巴氏合金涂层在50～100μm之间，复合涂层厚度在120～260μm之间。