專利名稱：半固態(tài)銅鉛軸承合金/鋼雙金屬軋制復(fù)合工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種銅鉛軸承合金/鋼雙金屬復(fù)合材料制備工藝，特別是涉及一種半 固態(tài)銅鉛軸承合金/鋼雙金屬軋制復(fù)合工藝。
技術(shù)背景銅鉛合金被廣泛的用來制造汽車、拖拉機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、高速大馬力柴油機(jī)軸承。因?yàn)殂U 在銅中的固溶度很小，在銅鉛組織中鉛以單獨(dú)的粒狀分布在銅基體中，軟的鉛質(zhì)點(diǎn)在摩擦 受力時(shí)起潤滑作用，使得銅鉛軸承具有摩擦系數(shù)小、對(duì)雜質(zhì)具有適形性和嵌塑性的特點(diǎn)， 而銅作為硬的基體，又使它具有高的承載能力。此外，銅鉛合金的導(dǎo)熱率高，它的機(jī)械性 能受溫度影響不顯著，耐熱性能優(yōu)良。銅鉛合金的機(jī)械性能較低，因此不宜單獨(dú)做軸承， 而只能鑲鑄于鋼套內(nèi)壁或鋼板上，做成雙金屬軸承使用。銅鉛合金在結(jié)晶過程中有兩個(gè)顯著特點(diǎn)其一為銅與鉛在固態(tài)下互不相溶，合金在完全凝固后的金相組織為Cu+Pb的機(jī)械混合物；其二為合金的凝固溫度范圍很寬，在結(jié)晶過程中由于銅與鉛的熔點(diǎn)相差懸殊及密度上的差異而易于產(chǎn)生密度偏析。鉛偏析是銅鉛合金的最主要的鑄造缺陷之一，它的存在會(huì)嚴(yán)重影響合金的性能，降低軸承的使用壽命。因此，減輕和防止鉛的偏析，是改善銅鉛合金金相組織，提高力學(xué)性能的重要環(huán)節(jié)。另外，銅鉛合金和鋼背的結(jié)合強(qiáng)度也是影響軸承性能的重要因素?！督饘俨牧辖鹣鄨D譜》第11章第3節(jié)銅基軸承合金中介紹，在目前工業(yè)生產(chǎn)中，制造銅鉛軸承合金/鋼雙金屬軸承的主要方法有臥式離心鑄造法、靜止?jié)沧⒎ê蜔Y(jié)法。臥式離心鑄造的過程是將裝有銅合金液的鋼套扣緊在離心鑄造機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸上旋轉(zhuǎn)，鋼套表面噴射冷水進(jìn)行冷卻， 一直到鋼套內(nèi)的銅合金全部凝固為止。鋼套內(nèi)的銅合金在離心力的作用下與鋼套結(jié)合在一起，形成雙金屬軸承。臥式離心鑄造生產(chǎn)過程中極難解決的問題就是鉛偏析，并且產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。靜止?jié)沧⒎ㄊ菍撎缀丸F芯裝配在一起，然后將銅鉛合金液倒入鋼套與鐵芯的間隙中，噴水冷卻到室溫，最后通過機(jī)加工將鐵芯除去，制成雙金屬軸承。靜止?jié)沧⒌你~鉛合金經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種鑄造缺陷，主要有鉛偏析、疏松、裂紋、氣孔、脫殼和粘接不良等。燒結(jié)銅鉛合金軸承，通常是將預(yù)制成的銅鉛合金粉末鋪在鋼背上， 在具有保護(hù)性和還原性氣氛的燒結(jié)爐中燒結(jié)成雙金屬板帶再加工制造而成的。這類雙金屬板主要存在的問題有鉛偏析，疏松，粘接不良，夾雜等缺陷。并且此方法對(duì)銅鉛合金粉末 的質(zhì)量要求很高。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有生產(chǎn)方法中的不足，提出一種半固態(tài)銅鉛軸承合金/鋼雙 金屬軋制復(fù)合工藝，以消除鉛偏析，提高銅鉛合金和鋼的結(jié)合強(qiáng)度，得到性能優(yōu)良的雙金 屬板。本發(fā)明是將熔煉好的銅鉛合金進(jìn)行機(jī)械攪拌，制成半固態(tài)漿料，然后澆注在預(yù)處理過的鋼板上，并使半固態(tài)的銅鉛合金與固態(tài)鋼板同時(shí)進(jìn)入軋機(jī)進(jìn)行軋制，在壓力作用下實(shí)現(xiàn)界面的冶金結(jié)合。然后對(duì)軋制復(fù)合的雙金屬板坯的鋼背迅速噴水冷卻，使合金中的鉛來不及聚集長大，從而得到鉛粒細(xì)小，分布均勻，結(jié)合良好的雙金屬板帶。本發(fā)明整個(gè)工藝過程包括鋼板預(yù)處理、半固態(tài)漿料制備、軋制復(fù)合和噴水冷卻四個(gè)步驟(參見圖1):1) 鋼板預(yù)處理鋼板表面通過機(jī)械打磨、堿洗和酸洗除去鋼板上的銹層和殘余油脂，然后將鋼板置于 溫度為80~100°C，質(zhì)量百分比濃度為15%~25%的硼砂(Na2B4Or10H2O)水溶液中煮l 5分鐘進(jìn)行浸鍍，取出后烘干，澆注前將浸鍍過硼砂的鋼板預(yù)熱，預(yù)熱溫度為400 80(TC， 預(yù)熱時(shí)間為10-25分鐘。硼砂可以防止鋼板預(yù)熱過程中的氧化，有利于提高界面結(jié)合強(qiáng)度。它還可以促進(jìn)銅與 鐵的互擴(kuò)散，使鋼板和合金結(jié)合牢固。2) 半固態(tài)漿料制備將銅鉛軸承合金進(jìn)行熔煉，獲得純凈的銅鉛軸承合金液，合金液溫度保持在 1150~1250°C。合金液熔煉好后，將合金液連同坩堝一起放入到保溫罩內(nèi)。用小電機(jī)帶動(dòng) 石墨棒對(duì)合金液進(jìn)行機(jī)械攪拌，當(dāng)銅鉛軸承合金液溫度降低到位于930 1050'C區(qū)間時(shí)，合金液中含有一定量的固相顆粒，呈半固態(tài)狀態(tài)。3) 軋制復(fù)合將半固態(tài)銅鉛軸承合金澆注在預(yù)熱的鋼板上，合金層厚度為2~10mm,然后將半固態(tài) 的銅鉛軸承合金與固態(tài)鋼板送入軋機(jī)進(jìn)行軋制復(fù)合，軋制速度為10~50mm/S。4) 噴水冷卻軋制完成后迅速對(duì)雙金屬板坯的鋼背進(jìn)行噴水冷卻，以保證冷卻方向自鋼背開始。冷 卻水溫度為室溫，冷卻速度為15~50°C/s，冷卻終止后保持雙金屬板坯余溫為100~200'C，4以減少由于激冷而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。所述的銅鉛軸承合金含鉛量(重量百分比)為10.0~30.0%。為了細(xì)化鉛的晶粒、改 善合金機(jī)械性能，可以在銅鉛軸承合金中加入硫、錫、鎳、錳、稀土等任一種第三種合金 元素。本發(fā)明采用機(jī)械攪拌方法獲得銅鉛軸承合金半固態(tài)漿料，有效地解決傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)銅 鉛軸承的鉛偏析問題；同時(shí)通過軋制變形，消除了疏松、裂紋和氣孔等鑄造缺陷，雙金屬 在壓力下復(fù)合，有利與促進(jìn)銅原子和鐵原子的互擴(kuò)散，提高了界面結(jié)合強(qiáng)度，其特點(diǎn)在于1) 采用半固態(tài)軋制復(fù)合方法有效防止了鉛偏析現(xiàn)象，軸承合金組織中鉛粒細(xì)小，呈 點(diǎn)塊狀，分布均勻，疏松、裂紋、氣孔等缺陷少，組織致密。2) 銅鉛軸承合金和鋼板在軋制力的作用下復(fù)合，有利于促進(jìn)銅原子和鐵原子互擴(kuò)散 的進(jìn)行，雙金屬界面粘結(jié)良好，結(jié)合強(qiáng)度高。半固態(tài)軋制，可以有效破碎粗大枝晶，得到 比傳統(tǒng)工藝晶粒更細(xì)小、機(jī)械性能更好的組織。圖2為本工藝制備的銅鉛合金的金相組織 圖，銅鉛軸承合金的主要組分重量百分比含量為22c/。Pb， l%Sn。從圖2中可知，黑色的 鉛絕大部分直徑在lO^im以下，并且以細(xì)小的點(diǎn)狀、粒狀均勻地分布在銅基體上。3) 易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。可以將銅鉛軸承合金半固態(tài)漿料澆注在連續(xù)移動(dòng)的鋼帶上， 隨后進(jìn)行軋制、噴水冷卻工藝，生產(chǎn)效率高。


圖1為鋼/銅鉛軸承合金雙金屬半固態(tài)軋制復(fù)合工藝框圖； 圖2為本工藝制備的銅鉛合金的金相組織圖具體實(shí)施方式
實(shí)例1:選用銅鉛軸承合金的牌號(hào)為CuPb22Sn，其主要組分重量百分比含量為22.0%Pb， 1.0%Sn，其余為Cu。鋼板選用普通低碳鋼板，含碳量0.2%，鋼板尺寸為長度150mm/寬 度100mm/厚度5mm。制備雙金屬板坯的具體工藝如下1)鋼板預(yù)處理首先，用鋼絲刷打磨鋼板表面，去掉表面污垢。打磨好后，把鋼板放到8(TC的 10。/oNaOH溶液中浸泡5分鐘去除油脂，取出時(shí)搖動(dòng)，然后用6CTC熱水去掉殘余堿質(zhì)。再 將其放入10o/。HCl溶液中除銹，時(shí)間8分鐘，鋼板表面呈光亮的銀白色。用清水將鋼板表 面殘留的酸液沖洗千凈后，把鋼板置于90'C的硼砂水溶液(濃度為20%)中煮4分鐘進(jìn) 行浸鍍，取出后放入烘箱中烘干。鋼板表面呈油亮光澤，并且以均勻?yàn)闇?zhǔn)。澆注前采用箱式電阻爐對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度60(TC，預(yù)熱時(shí)間為15分鐘。預(yù)熱時(shí)，在電阻爐內(nèi) 放一些干燥的活性碳粉，待爐內(nèi)溫度升高到600'C后再放入鋼板。放入活性碳粉的目的是 減少鋼板的氧化。2) 半固態(tài)漿料制備首先將石墨鉗堝加熱至暗紅色，溫度約為50(TC，然后加入紫銅，放入干燥的石墨粉 作為覆蓋劑。升溫熔煉，熔煉溫度達(dá)到1200'C左右時(shí)，加入預(yù)熱的鉛，充分?jǐn)嚢璐倨浜?金化。靜置十分鐘后，用1#鋅脫氧(加入量為銅液總重量的0.7%)，鋅塊用石墨鐘罩壓 入銅液底部并輕輕擺動(dòng)，使銅液徹底沸騰起來，讓銅液中的氧化鋅、氧化銅等雜質(zhì)很快從 銅液中上浮，凈化銅液。脫氧后，加入預(yù)熱的錫。用撇渣勺清渣干凈，合金液溫度保持在 1200'C。合金液熔煉好后，將合金液連同坩堝一起放入到做好的保溫罩內(nèi)。用小電機(jī)帶動(dòng) 石墨棒對(duì)合金液進(jìn)行機(jī)械攪拌，當(dāng)銅鉛合金液的溫度降低至985'C，低于銅鉛合金液相線 溫度，合金液中含有一定量的固相顆粒，呈半固態(tài)狀態(tài)。3) 軋制復(fù)合鋼板預(yù)熱到60(TC后，從箱式電阻爐中取出，將制備的銅鉛軸承合金半固態(tài)漿料澆注 在鋼板上，銅鉛合金層厚度為5mm。將半固態(tài)的銅鉛合金與固態(tài)鋼板送入軋機(jī)進(jìn)行軋制 復(fù)合。軋制速度為50mm/s。軋制后鋼板厚度基本保持不變，銅鉛合金層厚度為3mm。4) 噴水冷卻軋制完成后迅速對(duì)雙金屬板坯的鋼背進(jìn)行噴水冷卻，以保證冷卻方向自鋼背開始。水 溫為室溫，冷速為30'C/s，當(dāng)雙金屬板坯溫度降到150'C時(shí)停止噴水，在空氣中冷卻。力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，在以上工藝參數(shù)下制備的銅鉛軸承合金/鋼雙金屬板坯的界面剪 切強(qiáng)度都在60MPa以上。軋制復(fù)合的雙金屬板比未軋制過的界面剪切強(qiáng)度提高了 10MPa 左右。實(shí)例2:所選用的銅鉛軸承合金和鋼板的成分、尺寸同實(shí)例l，制備雙金屬板坯的具體工藝如下1) 過程同實(shí)例l,但鋼板預(yù)熱溫度為50(TC。2) 過程同實(shí)例l,但制備的半固態(tài)銅鉛軸承合金漿料溫度為97(TC。3) 鋼板預(yù)熱到50(TC后，從箱式電阻爐中取出，將制備的銅鉛合金半固態(tài)漿料澆注 在鋼板上，銅鉛合金層厚度為8mm。將半固態(tài)的銅鉛合金與固態(tài)鋼板送入軋機(jī)進(jìn)行軋制 復(fù)合。軋制速度為30mm/s。軋制后鋼板厚度基本保持不變，銅鉛合金層厚度為4mm。4)軋制完成后迅速對(duì)雙金屬板坯的鋼背進(jìn)行噴水冷卻，以保證冷卻方向自鋼背開始。 水溫為室溫，冷速為2(TC/s，當(dāng)雙金屬板坯溫度降到15(TC時(shí)停止噴水，在空氣中冷卻。力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，在以上工藝參數(shù)下制備的銅鉛軸承合金/鋼雙金屬板坯的界面剪 切強(qiáng)度也都在60MPa以上。
權(quán)利要求
1、一種半固態(tài)銅鉛軸承合金/鋼雙金屬軋制復(fù)合工藝，其特征在于，將熔煉好的銅鉛軸承合金進(jìn)行機(jī)械攪拌，制成半固態(tài)漿料，然后澆注在預(yù)處理過的鋼板上，再將半固態(tài)的銅鉛軸承合金與固態(tài)鋼板同時(shí)進(jìn)入軋機(jī)進(jìn)行軋制復(fù)合，對(duì)軋制復(fù)合的雙金屬板坯的鋼背進(jìn)行噴水冷卻，制成雙金屬復(fù)合板。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半固態(tài)銅鉛軸承合金/鋼雙金屬軋制復(fù)合工藝，其特征在于，銅鉛軸承合金中鉛的重量百分比含量為10.0 30. 0%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半固態(tài)銅鉛軸承合金/鋼雙金屬軋制復(fù)合工藝，其特征在于預(yù)處理過的鋼板是將鋼板表面通過機(jī)械打磨、堿洗和酸洗除去鋼板上的銹層和殘余油脂， 然后將鋼板置于溫度為8(M00'C,質(zhì)量百分比濃度為15%~25%的硼砂(Na2B4Or10H2O) 水溶液中煮1 5分鐘進(jìn)行浸鍍，取出后烘干，并在澆注前將浸鍍過硼砂的鋼板預(yù)熱，預(yù) 熱溫度為400~800°C。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半固態(tài)銅鉛軸承合金/鋼雙金屬軋制復(fù)合工藝，其特征在于， 當(dāng)機(jī)械攪拌銅鉛軸承合金液，溫度降低到位于930 1050'C區(qū)間時(shí)，銅鉛軸承合金呈半固 態(tài)狀態(tài)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半固態(tài)銅鉛軸承合金/鋼雙金屬軋制復(fù)合工藝，其特征在于， 軋制復(fù)合是將半固態(tài)銅鉛軸承合金澆注在預(yù)熱的鋼板上，合金層厚度為2~10mm，然后將 半固態(tài)的銅鉛軸承合金與固態(tài)鋼板送入軋機(jī)進(jìn)行軋制復(fù)合，軋制速度為10~50mm/s。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半固態(tài)銅鉛軸承合金/鋼雙金屬軋制復(fù)合工藝，其特征在于， 噴水冷卻是對(duì)軋制復(fù)合的雙金屬板坯的鋼背進(jìn)行噴水冷卻，冷卻水溫度為室溫，冷卻速度 為15~50°C/s，冷卻終止后保持雙金屬板坯余溫為100 2(KTC。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半固態(tài)銅鉛軸承合金/鋼雙金屬軋制復(fù)合工藝。銅鉛軸承合金中鉛的重量百分比含量為10.0～30.0％。為了細(xì)化鉛的晶粒、改善合金機(jī)械性能，銅鉛合金中可以加入硫、錫、鎳、錳、稀土等第三種合金元素。此工藝包括鋼板預(yù)處理、半固態(tài)漿料制備、軋制復(fù)合和噴水冷卻四個(gè)步驟，具體工藝是將熔煉好的銅鉛軸承合金在930～1050℃的溫度區(qū)間進(jìn)行機(jī)械攪拌，制成半固態(tài)漿料，然后澆注在預(yù)處理過的鋼板上，并使半固態(tài)的銅鉛軸承合金與固態(tài)鋼板同時(shí)進(jìn)入軋機(jī)進(jìn)行軋制，最后噴水冷卻，制成雙金屬復(fù)合板。本發(fā)明有效地解決了傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)銅鉛軸承的鉛偏析問題，得到了鉛粒細(xì)小、分布均勻的金相組織。力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，此工藝制備的銅鉛軸承合金/鋼雙金屬板坯的界面剪切強(qiáng)度都在60MPa以上，提高了10MPa左右。
文檔編號(hào)B21B45/02GK101244430SQ20081010252
公開日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2008年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月24日
發(fā)明者崔建利, 康永林, 帆 張, 楊柳青, 濤 陶 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)