一种钢‑耐磨铜合金层状轴瓦材料、其制备装置及制备方法与流程

本发明涉及合金材料制备技术，尤其涉及一种钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料、其制备装置及制备方法。

背景技术：

随着汽车等各种机动车辆发动机向高速、重载、高功率等快速发展，其对轴瓦材料要求越来越苛刻，技术要求越来越高。

目前，广泛应用的轴瓦材料为铜铅锡合金/钢轴瓦材料，其主要制备方法有静止浇注法、离心浇注法、颗粒感应离心浇注法、粉末冶金烧结轧制复合等方法。但是其均存在自身弱点，例如静止浇注法存在着铸造缺陷及pb元素偏析等问题，离心浇注法和颗粒感应离心浇注法pb元素偏析严重，质量稳定性较差，采用粉末冶金烧结轧制复合法得到轴瓦材料组织致密度低，界面结合较差。因此，探求一种新型制备钢/耐磨铜合金层状轴瓦材料的装置与方法具有重要的应用价值和工程意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有轴瓦材料制备方法存在铸造缺陷及pb元素偏析的问题，提出一种钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料的制备方法，该方法能精确控制钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料中pb元素含量，减少pb元素偏析。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、制备耐磨铜合金粉末；

步骤2、对钢基底材料进行清洗，去除油污及氧化物，获得清洁表面；

步骤3、将一定厚度耐磨铜合金粉末覆盖在经高频感应加热的钢基底上；在保护气氛下采用激光加热熔化耐磨铜合金粉及一定厚度的钢基底，同时在耐磨铜合金粉与钢基底的熔池上方施加脉冲电磁场，熔池内产生强制对流，促使合金凝固组织均匀细化，耐磨铜合金粉和钢基底二者发生熔合，实现冶金结合；

步骤4、采用在线高频加热正火方式消除内应力，防止开裂与变形，制备得到钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料。

进一步地，所述钢为碳素钢或碳素合金钢。

进一步地，步骤1制备耐磨铜合金粉末包括以下步骤：先通过电磁搅拌熔炼出成分均匀的耐磨铜合金熔体，然后通入高纯氩气雾化成粉，制备得到耐磨铜合金粉末。

进一步地，步骤3中保护气氛为氩气。

进一步地，步骤3中所述高频感应加热的频高频感应率为10000‐20000hz，功率为10‐30kw。采用高频感应加热钢基底，能防止制备轴瓦材料过程中发生变形。

进一步地，步骤3中激光的功率为300‐800w/mm²。

进一步地，步骤3中脉冲电磁场的峰值磁感应强度为500mt，脉冲电磁场能产生脉冲电磁压力梯度，促使涂覆层组织致密均匀，脉冲电磁场的输入电流如图1所示，可以看到脉冲电流是半个正弦波，脉宽为2ms，电流的急剧变化可以产生脉冲电磁场。

进一步地，步骤3中一定厚度耐磨铜合金粉末的厚度为1‐3mm，合金粉末粒度为100‐300目，粒度过小送粉连续性差，粒度过大合金成分不均匀。

进一步地，步骤3中一定厚度的钢基底为0.2‐0.5mm。

本发明的另一个目的还公开了一种钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料的制备装置，包括：基底传送通道、高频感应加热器线圈、激光发生器、脉冲磁场发生器线圈和高频感应正火线圈，所述基底传送通道依次穿设在高频感应加热器线圈和脉冲磁场发生器线圈内，所述高频感应加热器线圈与脉冲磁场发生器线圈间的基底传送通道上方设置有脉冲磁场发生器线圈，所述脉冲磁场发生器线圈上方设置有激光发生器，所述激光发生器的激光束打在脉冲磁场发生器线圈下方的基底传送通道上，所述脉冲磁场发生器线圈与高频感应加热器线圈间的基底传送通道上设置有耐磨铜合金粉末施加装置和保护气施加装置。

本发明的另一个目的还公开了一种钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料，采用上述钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料的制备方法制备而成。

通常加热条件下合金熔体内只有由于温度梯度导致的自然对流，所形成凝固组织具有取向性及定向性，导致合金溶质元素偏析，恶化合金力学性能。当对合金凝固过程中熔池施加脉冲电磁场时，熔体中将会产生洛伦兹力，其具体表达式(1)为：

f＝(1/μ)(▽×b)×b(1)

由于电磁场集肤效应会导致洛伦兹力不均匀，因此将在熔体中不同位置引入压力梯度，其表达式(2)为：

p＝b²/2μ(2)

此外，由于电磁场的应用会在合金表面形成涡流，涡流深度与频率有关，频率越高，深度越小，其表达式(3)为

δ＝(πfμσ)^-1/2(3)

此外，所感应产生涡流会产生焦耳热，其表达式(4)为：

其中：b为磁感应强度，μm为磁导率，ω为角速度，σ为熔体电导率，f为频率。根据公式1和2在熔池上方施加电磁场可以向熔体施加一个竖直方向的挤压力，并引起熔池中心向两边发散的强制对流，均匀熔池温度场与溶质成分，细化凝固组织。电磁感应加热还会减少层状轴瓦材料制备过程中所产生的内应力，减少复合材料的变形程度。此外，在线高频感应正火时，由于钢的相对磁导率为8000，铜的相对磁导率仅为1，因此在同样的感应频率时(例如10000hz)，钢和铜所产生的电磁焦耳热是不一样的，由公式(4)可知，单位质量的钢所产生的焦耳热比铜大的多，所以在线感应加热正火过程中钢的温度升高很快，而铜比较慢，保证了钢可以很好的消除因淬火效应引起的硬度增加而且铜也不会发生熔化，从而制备出优良的层状轴瓦复合材料。

本发明在保护气氛下采用激光加热熔化耐磨铜合金粉以及经过高频感应预热的一定厚度的钢基体，并配合使用脉冲电磁场在熔池内产生强制对流，使二者发生熔合，实现冶金结合，随后采用在线高频加热正火方式消除内应力，制备出高品质钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料。本发明通过耐磨铜合金粉末/碳素(合金)钢基底快速熔化凝固形成冶金结合，制备出高品质钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料。本发明与现有技术相比较具有以下优点：

1)本发明钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料制备方法能精确控制钢基底和耐磨铜合金厚度以及温度；耐磨铜合金的pb元素偏析可以得到有效控制；钢基底与耐磨铜合金粉末界面处实现冶金结合。

2)本发明钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料制备装置投入成本较低，使用操作简便，使用效果好。

3)本发明钢/耐磨铜合金层状轴瓦材料界面结合良好，耐磨性能优良。

附图说明

图1为脉冲电磁场的输入电流；

图2为本发明钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料的制备方法原理示意图。

1高频感应加热器线圈，2钢基底，3耐磨铜合金粉末，4熔池，5高频感应正火线圈，6保护气体，7脉冲磁场发生器线圈，8激光发生器，9层状轴瓦材料。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例1

本实施例公开了一种钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料的制备装置，其结构如图2所示包括：基底传送通道、高频感应加热器线圈1、激光发生器8、脉冲磁场发生器线圈7和高频感应正火线圈5，所述基底传送通道依次穿设在高频感应加热器线圈和脉冲磁场发生器线圈内，所述高频感应加热器线圈与脉冲磁场发生器线圈间的基底传送通道上方设置有脉冲磁场发生器线圈，所述脉冲磁场发生器线圈上方设置有激光发生器，所述激光发生器的激光束打在脉冲磁场发生器线圈下方的基底传送通道上，所述脉冲磁场发生器线圈与高频感应加热器线圈间的基底传送通道上设置有耐磨铜合金粉末施加装置和保护气施加装置。

采用上述装置制备碳素钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料包括以下步骤：

1)采用厚3mm和宽为100mm的10#优质碳素钢板为碳素钢基底2，采用naoh以及hcl清洗掉碳素钢基底表面氧化物及油污。

2)通过电磁搅拌熔炼出成分均匀的耐磨铜合金熔体，成分为24wt.％pb以及2wt.％sn，其余为cu，当熔体温度达到1200℃时，向其吹入高纯氩气雾化成粉，制备得到耐磨铜合金粉末3。

3)将1.5mm厚耐磨铜合金粉末3(粒度200目)覆盖在碳素钢基底2上，碳素钢基底2采用高频感应加热器线圈1加热，防止后续复合过程中板件发生变形，高频线圈频率12000hz，功率为15kw。靠近碳素钢基底边缘测得的磁感应强度b＝40mt，磁导率μ＝0.005h/m，电导率σ＝9.9×10⁶s/m，比热容c＝0.46×10³j/(kg·℃)，密度ρ＝7800kg/m³，可以算出渗透深度为2.5×10^-5m，3s可以使激光加热区温度升高至约600℃。

4)采用高纯ar气作为保护气体6，流量为15-20l/min，防止在后续放置及加热过程中合金表面发生氧化。

5)通过激光发生器8发射激光加热，其功率为300～800w/mm²，扫描速度180～600mm/min，熔化耐磨铜合金粉及一定厚度的碳素钢基底，采用无接触式红外测温仪测量熔化点温度为1600℃，使二者发生熔合。

6)在熔池4上方放置脉冲磁场发生器线圈，频率为1-30hz，脉宽为2ms，单脉冲输出功率为0.9kw，固有频率为500hz，可在熔池内形成3×10⁵n/m³的电磁挤压力，所产生的强制熔体对流速度在0-0.2m/s。

7)层状轴瓦材料经过高频感应正火线圈在线去应力正火，得到的碳素钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料9，线圈频率5000hz，功率为5kw，可以保持钢板温度在200-300℃，较好的去除层状复合材料中参与内应力。

8)制备得到的碳素钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料9经过精轧校平以及后续机加工具有较好的平整度，可以加工合格的轴瓦。

本实施例制备的碳素钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料界面结合良好，结合强度为≥180mpa。

实施例2

本实施例公开了一种钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料的制备方法，采用实施例1记载的钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料的制备装置。

碳素合金钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料的制备方法包括以下步骤：

1)采用厚3mm和宽为100mm的碳素合金钢板为碳素合金钢基底，采用naoh以及hcl清洗掉碳素合金钢基底表面氧化物及油污。

2)通过电磁搅拌熔炼出成分均匀的耐磨铜合金熔体，成分为24wt.％pb以及2wt.％sn，其余为cu，当熔体温度达到1200℃时，向其吹入高纯氩气雾化成粉，制备得到耐磨铜合金粉末3。

3)将1.5mm厚耐磨铜合金粉末3(粒度150目)覆盖在碳素合金钢基底上，碳素合金钢基底采用高频感应加热器线圈加热，防止后续复合过程中板件发生变形，高频线圈频率12000hz，功率为15kw。靠近碳素合金钢基底边缘测得的磁感应强度b＝40mt，磁导率μ＝0.005h/m，电导率σ＝9.9×10⁶s/m，比热容c＝0.46×10³j/(kg·℃)，密度ρ＝7800kg/m³，可以算出渗透深度为2.5×10^-5m，3s可以使激光加热区温度升高至约600℃。

4)采用高纯ar气作为保护气体，流量为15-20l/min，防止在后续放置及加热过程中合金表面发生氧化。

5)通过激光发生器发射激光加热，其功率为300～800w/mm²，扫描速度180～600mm/min，熔化耐磨铜合金粉及一定厚度的碳素合金钢基底，采用无接触式红外测温仪测量熔化点温度为1600℃，使二者发生熔合。

6)在熔池4上方放置脉冲磁场发生器线圈，频率为1-30hz，脉宽为2ms，单脉冲输出功率为0.9kw，固有频率为500hz，可在熔池内形成3×10⁵n/m³的电磁挤压力，所产生的强制熔体对流速度在0-0.2m/s。

7)层状轴瓦材料经过高频感应线圈在线去应力正火，得到的碳素合金钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料，线圈频率5000hz，功率为5kw，可以保持钢板温度在200-300℃，较好的去除层状复合材料中参与内应力。

8)制备得到的碳素合金钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料经过精轧校平以及后续机加工具有较好的平整度，可以加工合格的轴瓦。

本实施例制备得的碳素合金钢-耐磨铜合金层状轴瓦材料界面结合良好，结合强度为≥180mpa。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。