一种硅青铜-钢双金属复合材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明是涉及一种娃青铜-钢双金属复合材料及其制备方法和应用，属于双金属复合材料技术领域。
【背景技术】
[0002]衬套的作用是为了减少轴、孔或者滑动轴承的磨损，通常使用耐磨材料，以延长本体的使用寿命。目前，用于发动机连杆衬套的材料为铅青铜，其原因在于铅青铜具有一定的承载能力，铅作为软相独立存在，使其具有抗擦伤和耐磨损能力。但铅元素有毒，铅青铜加工过程中会产生对人体有害含铅废料，其次随着发动机运转后的磨损及腐蚀作用进入机油和自然环境中对水造成污染；随着人类社会对环境保护越来越重视，世界各国逐步禁止发动机连杆衬套材料使用含铅的铜基合金。另外，金属锡非常昂贵，铅青铜中一般含锡达3-10%，因此，寻找价格低廉的新组元代替锡组元可显著降低发动机连杆衬套材料的成本。
[0003]与铅青铜相比，硅青铜具有更高强度、硬度和机械承载能力，具有更优良的耐磨性能。且硅青铜中不含金属铅，符合环保要求；不含价格昂贵的金属锡，生产成本较低。但目前未见由硅青铜与钢形成的双金属复合材料及其应用的相关报道。
[0004]另外，关于铜合金-钢双金属复合材料的制备方法，目前有连续铸造法和粉末冶金法两种，连续铸造法的主要工序如下:钢带预处理一钢带卷边一浇铸一切边一铣面一轧制一剪边一卷带一成品；而粉末冶金法的主要工序如下:钢带预处理一制粉一铺粉一烧结一轧制一剪边一卷带一成品。由此可见，与连续铸造法相比，粉末冶金法少了钢带卷边、浇铸、切边、铣面等工序，粉末冶金法相对于连续浇铸法具有设备投资较少、成品率较高和生产成本较低等优点，非常适合工业化生产要求。
[0005]然而，由于硅青铜粉表面覆盖一层致密氧化膜，属于难烧结粉，采用粉末冶金法生产硅青铜-钢双金属复合材料具有一定困难，至今未见相关技术报道。
【发明内容】
[0006]针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种硅青铜-钢双金属复合材料及其制备方法和应用。
[0007]为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下:
[0008]一种硅青铜-钢双金属复合材料，是由碳含量小于等于0.25?丨％的碳素钢底层与娃青铜层复合而成；所述娃青铜的组成配方为:娃0.5?5.0wt%、镲0.5?5.0wt%、锌
0.1?0.5wt%、锰0.1?0.5wt%，铜88.5?98.3wt%，其它杂质含量总和不超过0.5wt%0
[0009]一种制备所述的硅青铜-钢双金属复合材料的方法，为粉末冶金法，包括如下步骤:
[0010]a)将硅青铜粉均匀地铺在经预处理后的碳素钢板的表面；
[0011]b)在还原性保护气氛下、于900?950°C进行初次烧结(简称初烧)，烧结时间为15?100分钟；
[0012]c)将初烧后的材料在冷轧机上进行初轧矫平；
[0013]d)在还原性保护气氛下、于950?1000°C进行再次烧结(简称复烧)，烧结时间为15?100分钟；
[0014]e)将复烧后的材料在冷轧机上进行精轧矫平。
[0015]作为优选方案，所述的硅青铜粉的粒径< 200 μπι。
[0016]作为优选方案，所述硅青铜粉的制备采用高压水雾法，包括:配料一熔炼一雾化一脱水干燥一筛分步骤。
[0017]作为进一步优选方案，其中的熔炼温度为1400?1600°C，雾化所用高压水的压力为 8 ?12MPa。
[0018]作为优选方案，所述的还原性保护气氛为氢气、氨分解气或氢气与氮气的混和气氛。
[0019]由于本发明所述的硅青铜-钢双金属复合材料的硅青铜层的硬度高于现有的铅青铜层，摩擦系数与铅青铜层相近，因此，本发明所述的硅青铜-钢双金属复合材料可用作连杆衬套材料。
[0020]与现有技术相比，本发明提供的硅青铜-钢双金属复合材料既不含重金属铅、符合环保的要求，又避免了价格昂贵的金属锡、降低了生产成本，且还具有高强度、硬度和机械承载能力及优良的耐磨性能，是一种理想的连杆衬套材料；另外，本发明所述材料的制备工艺简单，原材料价廉易得，易于规模化生产，具有显著的工业应用价值。
【具体实施方式】
[0021]下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地说明。
[0022]实施例1
[0023]实验目的:制备总厚度为2.5mm、宽度为120mm、硅青铜层厚度为0.5mm的硅青铜-钢双金属复合板材。
[0024]制备步骤:
[0025]a)对碳素钢板进行预处理:选用碳含量小于等于0.25wt%的碳素钢板(如SPCC牌)，将大张的钢板剪切成设计的2.5mm X 126mm X 625mm，进行除油除锈后，改轧至(2.0±0.01) mm X 106mm X 780mm，并校平，平面度< 0.5mm ;
[0026]b)制备硅青铜粉:采用高压水雾法制备硅青铜粉(粒径< 200 μπι)，工艺流程为:配料一熔炼一雾化一脱水干燥一筛分；其中:熔炼温度为1500°C，雾化所用高压水的压力为1MPa ;娃青铜粉的组成配方为:娃0.5wt%、镲0.5wt%、锌0.lwt%、猛0.lwt%，铜98.3wt%，其它杂质含量总和为0.5wt% ；
[0027]c)按硅青铜层厚度为0.5mm的设计要求，将硅青铜粉均匀地铺在经预处理后的碳素钢板的表面，铺粉厚度约为0.85mm ；
[0028]d)在还原性保护气氛(氨分解气)下、于900°C进行初次烧结(简称初烧)，烧结时间为20分钟；
[0029]e)将初烧后的材料在冷轧机上进行冷轧(初轧)，轧制至2.60mm的厚度，精度控制在 ±0.01mm ；
[0030]f)在还原性保护气氛下、于950°C进行再次烧结(简称复烧)，烧结时间为20分钟；
[0031]g)将复烧后的材料在冷轧机上进行轧制(精轧)，轧制后厚度为2.50±0.0lmm,即得到所要求的硅青铜-钢双金属复合板材。
[0032]经检测:所制备的硅青铜层的维氏硬度为91.2，摩擦系数为0.23;而现有的CuSnlOPblO层的维氏硬度为73.9，摩擦系数为0.21 ;说明所制备的硅青铜-钢双金属复合板材可用作连杆衬套材料。
[0033]实施例2
[0034]实验目的:制备总厚度为2.5mm、宽度为120mm、硅青铜层厚度为0.5mm的硅青铜-钢双金属复合板材。
[0035]制备步骤:
[0036]a)对碳素钢板进行预处理:选用碳含量小于等于0.25wt%的碳素钢板(如SPCC牌)，将大张的钢板剪切成设计的2.5mm X 126mm X 625mm，进行除油除锈后，改轧至(2.0±0.01) mm X 106mm X 780