铜基轴承合金表面激光熔覆制备复合耐磨层的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料技术领域，特别涉及一种铜基轴承合金表面激光熔覆制备复合耐磨层的方法。
【背景技术】
[0002]铜基轴承合金，包括锡青铜、铅青铜、铝青铜和铍青铜等，因其具备优良的减摩性能、铸造性能和机械性能被广泛应用于各种重载滑动轴承上，如大型破碎机、船舶、载重汽车、重型内燃机、发电机等等，是机械行业重要的耗材之一。
[0003]但上述各种材料均存在一定的缺陷，如锡青铜和铅青铜作为最早应用的轴承合金，具有自润滑效果好，减摩性好等优点，但由于锡、铅属于低熔点金属，且硬度较低，故不适用于高温高冲击场合；同时铅青铜在生产中会造成较大的重金属污染，铍青铜综合性能好，导热性好，热处理后，强度均匀，耐磨耐腐蚀，铸造性好，适于制造各种耐磨零件以及在高速、高压和高温下工作的轴承、衬套，但铍青铜因其价格昂贵、铍毒的公害和成品率低而使该合金的生产和使用受到限制;铍青铜在熔炼、加工等工序中放出的BeO粉末对人体有很大的危害，环保设备也要进行巨大投资。铝青铜的结晶温度范围很小，流动性好，组织致密，但其线收缩率大，加工中易产生裂纹。
[0004]另外，因铜合金的价值较高，因此常被用于大型设备的关键性部位，一旦磨损失效后更换成本以及带来的停机费用都非常巨大，如何提高铜合金轴承的使用寿命，减少设备停机及更换次数成为一个亟待解决的行业问题。
【发明内容】
[0005]针对以上技术问题，本发明提供一种铜基轴承合金表面激光熔覆制备复合耐磨层的方法，通过设计耐磨层成分，经涂覆和激光熔覆，在铜基轴承合金制成Cu-TiC-C复合自润滑耐磨层，提高耐磨性能，延长使用寿命。
[0006]本发明的方法包括如下步骤:
1、铜基轴承合金表面预处理:去除铜基轴承合金表面的氧化层、油污和锈蚀;对铜基轴承合金表面进行喷丸毛化处理，至表面粗糙度为Ra3.2?Ra6.3，获得基体；
2、制备混合粉末:将钛粉、石墨和镍粉分别在110?150°C烘干去除水分，然后放入混料机中混合均匀，获得混合粉末;混合粉末按重量百分比含钛粉60?61%，石墨20?21%，其余为镍粉；
3、制备涂覆材料:将混合粉末与虫胶混合，然后加入无水乙醇调制成糊状，获得涂覆材料，其中混合粉末与虫胶的重量比为1: (0.1?0.3);
4、预置:将涂覆材料涂覆在基体表面形成预涂层，待预涂层干燥凝固后，打磨成厚度为
0.5 ± 0.02mm的待恪覆涂层；
5、激光扫描:对待熔覆涂层进行激光扫描，激光扫面时使用矩形光斑，连续输出，激光功率密度120?150W/mm2，扫描速度600?800mm/min，搭接率5?10%;扫面完成后在基体表面获得复合耐磨层；
6、后处理:将表面有复合耐磨层的基体用砂轮打磨抛光，去除表面氧化层;然后采用毫克能设备进行抛光处理，至粗糙度为Ral.6?Ral.7，以去除残余热应力。
[0007 ] 上述的铜基轴承合金选用锡青铜轴承合金、铅青铜轴承合金或招青铜轴承合金。
[0008]上述的钛粉、石墨和镍粉的粒度小于250目，其中钛粉纯度299.5%，石墨纯度299.5%，镍粉纯度 > 99.5%ο
[0009]上述的步骤2中，放入混料机中混合时间至少2小时，混料机的转数在400?500rpm。
[0010]上述方法中，当混合粉末放置超过I小时，需重新混合。
[0011]上述的复合耐磨层的厚度为0.09?0.12mm，表面硬度HV1000?HV1100。
[0012]本发明的方法采用激光工艺，可制备与基体形成冶金结合的特殊功能层，厚度可以根据需要控制在0.15?0.6mm范围，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能;将铜基轴承合金的表面喷丸毛化处理以避免铜合金对激光的强反射作用，同时方便粉末的预置。
[0013]本发明利用激光的高能量密度特点，通过激光能量的引入，促使Ti+C=TiC反应进行，并通过激光的连续照射，使前述反应可以连续进行，同时释放热量，并使基体表面局部熔化形成微熔池，由于Ni和Cu可无限固熔，熔化的Ni和工件表层熔化的铜合金形成一层强度较高的铜镍合金，并由于Ni比重较大，会富集于熔池底部，反应生成的TiC则因比重较轻，处于熔池的表面层，同时粉末配置中，石墨的比例超过反应所需的数量，一部分石墨与空气中的氧反应生成⑶2，起到防止氧化作用，剩余的石墨成分以游离态与TiC-Cu-Ni组分形成过饱和固熔组织在表面形成的功能层(复合耐磨层)，其上层含有TiC和游离态石墨(厚度
0.03?0.05mm，TiC体积占35?45%，游离态石墨体积占3~5%)，同时由于部分原铜合金内的锡、铅成分蒸发和冷却收缩的影响，在上层产生大量的微小空穴(占体积的12?17%)，剩余部分则为Cu-Ni固熔合金相，功能层的下层则主要是Cu-Ni固熔合金，随深度Ni成分逐渐增加，并与原铜合金形成牢固致密的冶金结合;在上述功能层的上层里，生成的TiC均匀分布，其显微硬度高，可以很好的起到耐磨作用，底部的N1-Cu合金相，既保证了表层与基体的牢固结合，同时还可以起到一定的缓冲作用和固定作用，避免表层收到局部冲击后导致局部划伤或脱落，其中的游离碳成分，在使用过程中随着磨损的增加被逐步磨耗，提供了较好的自润滑性能，而表层的空穴可以让润滑油能够均匀的分布与整个工作面，形成良好的润滑油膜，进一步减少对工作面的磨损，并大幅降低了摩擦系数。
[0014]本发明的方法获得的具有复合耐磨层的铜基轴承合金具有自润滑功能，耐磨性好，使用寿命长的特点。
【附图说明】
[0015]图1为本发明实施例1获得的具有复合耐磨层的铜基轴承合金电镜扫描图，图中，A为复合耐磨层上层，B为复合耐磨层下层，C为基体；
图2为本发明实施例1获得的具有复合耐磨层的铜基轴承合金的复合耐磨层上层低倍显微照片图；
图3为本发明实施例1获得的具有复合耐磨层的铜基轴承合金的复合耐磨层上层高倍显微照片图；图中D为游离态石墨； 图4为本发明实施例1获得的具有复合耐磨层的铜基轴承合金的复合耐磨层与基体结合处电镜扫描图，图中左侧为基体，右侧为过渡带；
图5为本发明实施例中的耐磨性能测试装置结构示意图；图中，1、固定板，2、润滑油加注管，3、钢环，4、试验样块，5、液压缸。
【具体实施方式】
[0016]本发明实施例中采用的钛粉、镍粉和石墨为市购产品；其中钛粉、石墨和镍粉的粒度小于250目，其中钛粉纯度? 99.5%，石墨纯度? 99.5%，镍粉纯度? 99.5%。
[0017]本发明实施例中采用的无水乙醇为市购试剂纯无水乙醇。
[0018]本发明实施例中采用的激光器为2000W固态光纤耦合激光器，工作时激光波长为1080nm。
[0019]本发明激光扫描过程中通入氩气保护。
[0020]本发明实施例中采用的混料机为圆锥混料机。
[0021]本发明步骤4和6中的打磨是采用的TWS6600角向磨光机配合400#或500 #砂布轮进行打磨。
[0022]本发明实施例中采用的毫克能设备型号为HK30C。
[0023]本发明实施例中复合耐磨层的上层为Cu-TiC-C层，厚度0.03?0.05mm，TiC体积占35-45%，游离态石墨体积占3?5%，空穴部分占Cu-TiC-C层总体积的12?17 %。
[0024]本发明实施例中进行电镜扫描米用的设备为PhenomPure扫描电镜，分析面积的软件为Phenom Pro Suite。
[0025]本发明实施例中耐磨性能测试的装置结构如图5所示，测试方法是将