专利名称：一种以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法
技术领域：
本发明提出一种制备钢-铜复合轴套的方法，尤其涉及一种采用亚音速火焰低温喷 涂方法在碳钢表面喷涂较厚的黄铜涂层，然后冷压成形、焊接再机械加工制成钢-铜复 合轴套的方法，属于材料科学与工程中的复层材料制备技术领域。
背景技术：
轴套在汽车、摩托车、运输机械、冲压设备等机械制造领域中是被大量应用的零部 件。常规轴套一般是用整块纯黄铜棒料整体车制而成，消耗了大量的铜材，成本高。也 有采用烧结方法制备的钢-铜复合轴套，但这种复合轴套的制造需要大型烧结设备，而 且工件加工中需旋转以保证复层均匀，工艺复杂，技术要求较高。
黄铜材料具有良好的润滑性和耐腐蚀性能。在碳钢零部件表面喷涂黄铜不仅可以大
大改善零件的润滑性、耐腐蚀性和耐磨性，提高使用寿命，同时还可以节约大量的铜材， 降低生产成本，实现以钢代铜的目的。目前在碳钢件表面喷涂铜涂层的方法有电弧喷涂、 等离子弧喷涂和火焰喷涂等，但是这几种方法得到的铜涂层厚度比较薄，不能得到较厚 的铜涂层，因此难以满足零部件具有自润滑性和耐磨性的要求；采用等离子弧喷涂，尽 管涂层与基体结合牢固，但由于等离子弧温度很高，易造成对表面组织的粗化，难以提 高其性能。火焰喷涂是应用较为成功的表面喷涂技术之一，它是以气体燃烧放出的热量 作为热源，将熔化的丝材或粉末利用气流雾化并喷射到基材表面形成涂层。但是，采用 常规的氧-乙炔火焰喷涂由于焰流速度慢难以在钢表面形成满足使用要求的较厚的铜涂 层。
为了实现在钢基体上有效喷涂较厚的铜涂层， 一个可行的途径是大幅度提高熔融粒 子的撞击速度。采用具有高温高压燃烧室和压縮喷嘴的亚音速喷枪，以它独特的螺旋式 混气和射吸式进气结构，使之能用常规的氧-乙炔火焰装置、极大限度的提高燃焰的燃 烧效率，使热能得到充分的利用，并能将熔融粒子的飞行速度提高到300m/s，甚至更高。 因此，采用高速喷涂并配合合理地粉末冶金，可以实现在钢表面复合较厚的铜涂层。
经检索，有关采用高速氧-乙炔火焰低温喷涂方法在碳钢表面喷涂较厚的黄铜涂层， 然后冷压成形、焊接再机械加工制成满足使用性能要求的钢-铜复合轴套的方法还未见 报道。
发明内容
针对目前现有的钢表面喷涂技术的不足，本发明的目的在于提供一种以喷涂冷压方 式制备钢-铜复合轴套的方法；具体是采用亚音速氧-乙炔火焰低温喷涂方法在碳钢表面 喷涂较厚的黄铜涂层，然后冷压成形、焊接再机械加工制成钢-铜复合轴套。
实验证实要想提高铜合金粒子在材料表面的沉积率，须采用高速喷涂方法、使铜
合金粒子在加速过程中获得较高的喷射速度，再加上髙速粒子碰撞时对基体或涂层表面 有强烈的喷丸效应，涂层内一般处于压应力状态，才有利于在碳钢表面沉积较厚的涂层。 因此，提高熔化的丝材或粉末粒子加速撞击基材表面的速度是形成较厚涂层的关键。鉴 于此，本发明技术方案的关键是采用以氧-乙炔作燃烧焰，以压縮空气作为送粉气、加 速气和冷却气的亚音速低温喷涂方法，采用具有螺旋式混气和射吸式进气结构的喷枪和
压縮一膨胀喷嘴，将雾化粒子流以250m/s-320m/s的速度喷向工件表面，形成打底层和 较厚的黄铜涂层；然后实施冷压成形、焊接再机械加工制成钢-铜复合轴套。
本发明所述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法，包括如下步骤
(1) 对待喷涂钢件表面实施净化和/或粗化处理，直至钢件表面无锈蚀和氧化层或 显露出光亮的金属表面止；
(2) 用氧一乙炔火焰对处理后的钢件表面进行低温预热，使其预热温度达10(TC
120°C;
(3) 采用氧一 乙炔亚音速火焰在预热后的钢件表面喷涂镍包铝合金粉末形成厚度 为0.05rran 0.15mm的打底层；其中喷涂工艺参数为氧气压力0. 15MPa 0. 85MPa，乙 炔压力0. 06MPa 0.12MPa，压縮空气送粉气的压力0. 3MPa 0. 6MPa，喷涂距离120mm 200mm，送粉量5g/min 25g/min，喷涂角度70° 85°;
(4) 采用氧一乙炔亚音速火焰在钢件表面打底层基础上喷涂铜合金形成厚度为 2mm 3mm的黄铜合金涂层；其中喷涂工艺参数为氧气压力0. 40MPa 0. 96MPa，乙炔 压力0. 06MPa 0.15MPa，压縮空气送粉气的压力0. 3MPa 0. 6MPa，喷涂距离100mm 200mm，送粉量35g/min 65g/min，喷涂角度70° 86°，喷涂方式连续重复喷涂2 5 次；
(5) 检测黄铜合金涂层的厚度和均匀度；取符合技术要求的钢-铜复层板，磨削其 铜合金涂层表面使之光洁，备用；
(6) 用25吨 50吨油压机以冷压方法按技术设计方向将步骤(5)的钢-铜复层板 压制成黄铜复层在内的、内径为设计要求的圆筒形复合轴套；
(7) 采用焊条电弧焊对步骤(6)的圆筒形复合轴套纵缝进行焊接，工艺参数为 焊接电流90A 130A，焊接电压24V 26V，焊接速度0. 4cm/min 0. 6cm/min;
(8) 采用机械加工方法使步骤(7)制得的圆筒形复合轴套达到设计的轴套长度、 内径和外径的尺寸要求，得钢-铜复合轴套成品。
上述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法中步骤(1)所述的净化处理方法 是采用喷砂或喷丸方法对钢件表面的锈蚀和氧化层进行彻底清理；粗化处理方法是用手 动砂轮对钢件表面进行打磨直至显露出光亮的金属表面。
其中所述的喷砂是用粒度为15 40目的金刚玉或硅砂；所述的喷丸是用直径为 0. 5mm 0. 8mm的铁丸。
上述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法中步骤(3)所述氧一乙炔亚音速 火焰由压力达0.88MPa的高压燃烧室和压縮一膨胀喷嘴的亚音速喷枪产生。采用这种喷 枪可达到对粉末粒子进行高速火焰喷涂的目的，熔融粒子的飞行速度可达到250m/s 320m/s。
上述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法中步骤(3)所述镍包铝合金粉末 的成分以重量百分比计为Ni 75% 80%、 Al 20% 25%，粉末粒度不小于300目。
上述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法中步骤(3)所述喷涂工艺参数优 选为氧气压力0. 35MPa 0. 75MPa，乙炔压力0. 08MPa 0. 12MPa，压縮空气送粉气的 压力0. 4MPa 0. 6MPa,喷涂距离130mm 180mm，送粉量15g/min 22g/min,喷涂角度 80° 85° 。
上述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法中步骤(4)所述铜合金为粒度不
小于300目的Cu-Zn-Mn合金粉末；合金粉末的成分以重量百分比计为Cu 63% 70%、 Zn 23%~30%， Mn 3% 7%;杂质含量重量百分比小于0. 8%。
上述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法中步骤(4)所述喷涂工艺参数优
选为氧气压力0. 6MPa 0. 8MPa，乙炔压力0. 08MPa 1. 2MPa，压縮空气送粉气的压力 0. 4MPa 0. 6MPa，喷涂距离150mm 180mm,送粉量40g/min 50g/min，喷涂角度76° 82。。
上述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法中步骤(7)所述焊条电弧焊采用 直径2. 5 3. 2mm的E4303焊条对轴套纵缝进行焊接，优选工艺参数为焊接电流95A 125A，焊接电压24A 25V，焊接速度0. 4cm/min 0. 6cm/min。
上述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法中步骤(8)所述的钢-铜复合轴 套还应在黄铜复层摩擦表面根据设计要求机加工出各种规则的油孔、油槽，以提高其自 润滑性能。
本发明的在碳钢表面低温喷涂黄铜、冷压成形和焊接制备钢-铜复合轴套的方法具 有喷涂速度快，效率高、涂层结合强度高、适于冷压成形等优点；应用本发明方法获得 的铜复层表面具有良好的自润滑性和耐磨性。这项技术可以制备较厚铜涂层的钢一铜复 层材料。采用该项技术制造汽车用钢一铜复合轴套，可大量节省铜材，达到以钢代铜的 目的。本发明所述的通过低温喷涂和冷压制备钢-铜复合轴套的方法，具有操作简便、 适用性强、喷涂效率高等优点；采用的亚音速火焰喷涂技术，比普通氧-乙炔火焰喷涂 的速度(40m/s左右)提高了5—6倍，比常压等离子弧喷涂提高了 1 2倍。此外，该 项发明所采用的设备费用和操作费用比等离子弧喷涂和超音速喷涂低的多，耗氧气量更 少，便于推广应用。
采用本发明所述的在钢表面高速火焰喷涂铜的工艺方法制备的试件，除了冷压成形 未见出现裂纹外，还通过将喷涂后的试样加热到500'C、 650'C和800'C,然后分别投入 冷水中进行试验，都没有出现喷涂层开裂现象。铜涂层经金相显微镜和表面硬度测定， 表明喷涂层质量良好，没有裂纹、气孔和夹杂等缺陷；铜涂层与打底层、打底层与钢基 体界面之间形成了紧密结合，结合强度达30MPa,钢基体的硬度大于45HRC，铜涂层硬 度大于80HB。
采用本发明制造的钢-铜复合轴套具有摩擦系数小，耐摩性能好，耐冲击的特性， 这种复合轴套适用于汽车零配件中速或中载及低速重载等场合；也可用于高精度冲压模 具、汽车制造模具等频繁工作的往复运动导套。应用本发明的技术可实现钢-铜复合轴 套的批量生产，有良好的应用前景。
具体实施例方式
实施例l:
长度为180mm、宽度为135咖、厚度为4mm的Q235优质低碳钢板，通过低温喷涂、 冷压和焊接制备钢-铜复合轴套的工艺步骤为
(1) 用手动砂轮对Q235钢板的任一面进行打磨，直至露出光亮的粗化金属表面； (因试板小，不必进行表面喷砂或喷丸的表面净化处理，直接用手动砂轮打磨即可)。
(2) 用氧一乙炔火焰对打磨后的Q235钢表面进行低温预热，预热温度为10(TC 120'C;
(3) 采用具有高压燃烧室和压縮一膨胀喷嘴的亚音速喷枪，用氧一乙炔亚音速火 焰在Q235钢表面喷涂镍包铝合金粉末(粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比 计为Ni 80%、 Al 20%)作为打底层；喷涂工艺参数为氧气压力0. 30MPa~0. 65MPa， 乙炔压力0.06MPa 0.09MPa，压縮空气送粉气的压力0.3MPa 0.5MPa，喷涂距离 130mm 160mra，送粉量10g/min 20g/min，喷涂角度80° 84°，打底层厚度控制在 0. 06mm 0.10ram;
(4) 采用亚音速喷枪，用氧一乙炔高速火焰在Q235钢表面打底层基础上喷涂铜合 金层(通过粒度不小于300目的Cu-Zn-Mn合金粉末喷涂而成，合金粉末的成分以重量 百分比计为Cu63% 70%、 Zn23% 30%， Mn 3% 7%;杂质含量重量百分比小于0. 8%。)； 喷涂工艺参数为氧气压力0. 50MPa 0. 80MPa,乙炔压力0. 08MPa 1. lOMPa,压縮空 气送粉气的压力0. 3MPa 0. 5MPa，喷涂距离140mm 180mm,送粉量30g/min 45g/min, 喷涂角度78° 83° ，可连续或断续进行喷涂，获得的喷涂层厚度2. lmm 2. 5mm;
(5) 检测铜涂层的厚度(要求厚度2mm以上)，并磨削铜涂层表面使之光洁；
(6) 通过25吨油压机用冷压方法，按宽度方向将经过喷涂的钢-铜复层板压制成 铜复层在内的内径为40mm的圆筒形复合轴套；
(7) 采用焊条电弧焊用直径2. 5nnn的E4303焊条对复合轴套纵缝进行焊接，工艺 参数为焊接电流95A 105A,焊接电压24V，焊接速度0. 4cm/min 0. 5cm/rain;
(8) 采用车削的方法达到轴套长度、内径和外径的尺寸要求，长度80mm、内径40rara、 外径45ram (其中钢基体厚度3. 5mm，铜复层厚度1. 5mm);该实施例板材可加工成2个复 合轴套；
(9) 在复合轴套内径的铜复层摩擦表面根据要求机加工出规则的油孔、油槽，以 提高其自润滑性能。
按本发明提出的通过喷涂、冷压和焊接的工艺方法制备的钢-铜复合轴套，经金相 显微镜分析和表面硬度测定，表明该复合轴套质量良好，喷涂界面处没有裂纹、气孔和 夹杂等缺陷；在碳钢表面获得的铜涂层的硬度大于80HB，钢基体的硬度大于45HRC;铜 涂层与打底层、打底层与碳钢基体界面之间形成了紧密结合，结合强度达30MPa，能满 足使用要求。
实施例2:
边长为265mm、厚度为6ram的Q345低合金钢正方形板，通过低温喷涂、冷压和焊接 方法制备钢-铜复合轴套的工艺步骤为
(1) 先用喷砂(或喷丸)方法对Q345低合金钢板进行表面净化处理，然后用手动 砂轮对Q345正方形钢板的任一面进行打磨，直至露出光亮的粗化金属表面；
(2) 用氧一乙炔火焰对手动砂轮打磨过的Q345钢表面进行低温预热，预热温度为 100。C 120'C;
(3) 采用亚音速喷枪，用氧一乙炔亚音速火焰在Q345钢表面喷涂镍包铝合金粉末 (粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比计为Ni 80%、 Al 20%)作为打底层；
喷涂工艺参数为氧气压力0. 45MPa 0. 75MPa,乙炔压力0. 08MPa 0. llMPa，压缩空 气送粉气的压力0.4MPa 0. 6MPa，喷涂距离130腿 160咖，送粉量15g/min 22g/min， 喷涂角度80° ~84° ，打底层厚度控制在0. 08咖 0. 13mm;
(4) 采用亚音速喷枪，用氧一乙炔高速火焰在Q345钢表面打底层基础上喷涂铜合 金层，该合金层通过粒度不小于300目的Cu-Zn-Mn合金粉末喷涂而成，合金粉末的成 分以重量百分比计为Cu 63% 70%、 Zn 23% 30%， Mn 3% 7%;杂质含量重量百分比 小于0.8%。)；喷涂工艺参数为氧气压力0.60MPa 0.90MPa,乙炔压力0.08MPa 1.1.5MPa，压縮空气送粉气的压力0.4MPa 0.6MPa，喷涂距离1450mra 190mm，送粉量 35g/min 50g/min，喷涂角度78° 84°，可连续或断续进行喷涂，获得的喷涂层厚度 2. 6ram 2. 9mnu
(5) 检测铜涂层的厚度(要求厚度2.5ram以上)，并磨削铜涂层表面使之光洁；
(6) 通过25吨油压机用冷压方法，将经过喷涂的钢-铜复层板压制成铜复层在内 的内径为80mra的圆筒形复合轴套；
(7) 采用焊条电弧焊用直径3. 2mm的E4303焊条对复合轴套纵缝进行焊接，工艺 参数为焊接电流100A 125A，焊接电压24V 25V，焊接速度0. 4cm/min 0. 6cm/min;
(8) 采用车削的方法达到轴套长度、内径和外径的尺寸要求，长度80mm、内径80mm、 外径88咖(其中钢基体厚度5.8mm,铜复层厚度2. 2ram);该实施例可加工成3个复合轴 套；
(9) 在复合轴套内径的铜复层摩擦表面根据要求机加工出规则的油孔、油槽，以 提高其自润滑性能。
经金相显微镜分析和表面硬度测定，该复合轴套质量良好，涂层界面处没有裂纹、 气孔和夹杂等缺陷；在低合金钢表面获得的铜涂层的硬度大于80HB，钢基体的硬度大于 46服C;铜涂层与打底层、打底层与低合金钢基体界面之间形成了紧密结合，结合强度 达30MPa，能满足使用要求。
本发明的实施，能够高效率在碳钢板表面喷涂较厚的铜涂层，并通过冷压成形和 焊接制备成钢-铜复合轴套，改善零件表面的自润滑性和耐磨性，提高使用寿命，代替 全铜件，节约大量的铜材。采用该项技术制备钢-铜复合轴套如进行批量生产，生产成 本可进一步降低，具有良好的应用前景。
权利要求
1.一种以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法，包括如下步骤(1)对待喷涂钢件表面实施净化和/或粗化处理，直至钢件表面无锈蚀和氧化层，显露出光亮的金属表面止；(2)用氧-乙炔火焰对处理后的钢件表面进行低温预热，使其预热温度达100℃～120℃；(3)采用氧-乙炔亚音速火焰在预热后的钢件表面喷涂镍包铝合金粉末形成厚度为0.05mm～0.15mm的打底层；其中喷涂工艺参数为氧气压力0.15MPa～0.85MPa，乙炔压力0.06MPa～0.12MPa，压缩空气送粉气的压力0.3MPa～0.6MPa，喷涂距离120mm～200mm，送粉量5g/min～25g/min，喷涂角度70°～85°；(4)采用氧-乙炔亚音速火焰在钢件表面打底层基础上喷涂铜合金形成厚度为2mm～3mm的黄铜合金涂层；其中喷涂工艺参数为氧气压力0.40MPa～0.96MPa，乙炔压力0.06MPa～0.15MPa，压缩空气送粉气的压力0.3MPa～0.6MPa，喷涂距离100mm～200mm，送粉量35g/min～65g/min，喷涂角度70°～86°，喷涂方式连续重复喷涂2～5次；(5)检测黄铜合金涂层的厚度和均匀度；取符合技术要求的钢-铜复层板，磨削其铜合金涂层表面使之光洁，备用；(6)用油压机以冷压方法按技术设计方向将步骤(5)的钢-铜复层板压制成黄铜复层在内的、内径为设计要求的圆筒形复合轴套；(7)采用焊条电弧焊对步骤(6)的圆筒形复合轴套纵缝进行焊接，工艺参数为焊接电流90A～130A，焊接电压24V～26V，焊接速度0.4cm/min～0.6cm/min；(8)采用机械加工方法使步骤(7)制得的圆筒形复合轴套达到设计的轴套长度、内径和外径的尺寸要求，得钢-铜复合轴套成品。
2. 如权利要求1所述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法，其特征是步骤(l) 所述的净化处理方法是采用喷砂或喷丸方法对钢件表面的锈蚀和氧化层进行彻底清理； 粗化处理方法是用手动砂轮对钢件表面进行打磨直至显露出光亮的金属表面。
3. 如权利要求2所述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法，其特征是所述的 喷砂是用粒度为15 40目的金刚玉或硅砂；所述的喷丸是用直径为0. 5mra 0. 8mm的铁 丸。
4. 如权利要求1所述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法，其特征是步骤(3) 所述镍包铝合金粉末的成分以重量百分比计为Ni 75% 80%、 Al 20% 25%，粉末粒度 不小于300目。
5. 如权利要求1所述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法，其特征是步骤(3) 所述喷涂工艺参数为氧气压力0. 35MPa 0. 75MPa,乙炔压力0. 08MPa 0.12MPa，压 縮空气送粉气的压力0.4MPa 0.6MPa，喷涂距离130mm 180ram,送粉量15g/min 22g/min，喷涂角度80°~85°。
6. 如权利要求1所述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法，其特征是步骤(4) 所述铜合金为粒度不小于300目的Cu-Zn-Mn合金粉末；合金粉末的成分以重量百分比 计为Cu 63% 70%、 Zn 23% 30%， Mn 3% 7%;杂质含量重量百分比小于0. 8%。
7. 如权利要求1所述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法，其特征是步骤(O所述喷涂工艺参数为氧气压力0. 6MPa 0. 8MPa，乙炔压力0. 08MPa L 2MPa，压縮空 气送粉气的压力0. 4MPa 0. 6MPa,喷涂距离150ram 180隱，送粉量40g/min 50g/min, 喷涂角度76° 82°。
8. 如权利要求1所述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法，其特征是步骤(7) 所述焊条电弧焊釆用直径2. 5 3. 2mm的E4303焊条对轴套纵缝进行焊接，工艺参数为 焊接电流95A 125A，焊接电压24A 25V，焊接速度0. 4cm/min 0. 6cm/min。
9. 如权利要求1所述以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法，其特征是步骤(S) 所述的钢-铜复合轴套应在黄铜复层摩擦表面根据设计要求机加工出各种规则的油孔、 油槽，以提高其自润滑性能。
全文摘要
本发明公开了一种以喷涂冷压方式制备钢-铜复合轴套的方法，包括对待喷涂钢件表面实施净化和/或粗化处理；采用氧-乙炔亚音速火焰在低温预热后的钢件表面喷涂镍包铝合金粉末形成打底层；在打底层基础上喷涂铜合金形成较厚的铜合金涂层；用油压机以冷压方法按技术设计方向将获得的钢-铜复层板压制成铜复层在内的、内径为设计要求的圆筒形复合轴套；焊接复合轴套纵缝；机械加工轴套等步骤。本发明方法具有喷涂速度快，效率高、涂层结合强度高、适于冷压成形、成本低等优点，应用本发明的技术可实现钢-铜复合轴套的批量生产，有良好的应用前景。
文档编号F16C33/14GK101178094SQ20071011514
公开日2008年5月14日 申请日期2007年12月6日 优先权日2007年12月6日
发明者夏春智, 李亚江, 娟 王 申请人:山东大学