1.本发明属于金属复合材料技术领域，尤其涉及一种铝青铜合金-钢复合双金属耐磨轴承材料制造方法。
背景技术：
2.铜基双金属轴承材料广泛应用于发电机、内燃机、工程机械、矿山机械、电器等行业的轴承、轴瓦、轴套等零件上。双金属中的铜基材料承担的主要功能是在工作载荷的条件下确保其耐磨性能，并具备良好的自润滑效果。在众多的耐磨铜合金中，青铜因为具有抗磁性、收缩系数小、焊接性能好、冲击时无火花等优良，在轴瓦、轴套、滑块等耐磨铜合金应用领域占据着重要的位置。在早期的铜基双金属轴承设计中，耐磨材料多采用铅青铜配方，但是铅青铜中的铅元素不符合环保要求，使该类产品的应用受到越来越多的限制。本发明采用的环保型自润滑耐磨铜合金设计，摒弃了pb元素，以cualmnfe四元系铝青铜配方为主，使铜合金在确保其高强度、高耐磨性以及自润滑功能的基础上，具有环境友好特性。
3.双金属轴承的制造工艺方面，将铜合金和钢基材这两种材料复合在一起的工艺技术，目前多采用粉末冶金法、离心铸造法、激光熔覆等方法来实现。这些工艺技术各有其优缺点，例如粉末冶金和离心铸造，其优点是技术成熟度高，成本相对低廉，但缺点是工艺流程长，且复合过程中的高温环境会造成钢套材料的性能劣化；而且界面处易出现氧化、发黑，导致铜合金与钢套之间结合效果不佳，影响其性能可靠性。激光熔覆是利用高能量密度的激光束，将铜合金丝材或粉末快速熔化并涂覆在钢材表面上，实现两种材料的冶金结合，其工艺优点是界面结合强度较好，但激光熔覆局部能量较高，材料中温度梯度大，容易产生熔覆层裂纹、气孔等常见缺陷。
4.本发明不仅采用环境友好的铝青铜等新型耐磨减摩铜合金配方，制备成相应的球形粉末材料，且将超音速冷气动力喷涂工艺技术引入到双金属轴承材料的制造流程中，利用非活性工业气体作为喷涂动力介质，将铜合金粉末颗粒加速到超音速后，均匀地撞向钢质轴瓦或轴套基材，使铜合金粉末发生剧烈塑性变形+冷焊合，在钢基材表面上沉积为一层厚度可控的铜合金致密涂层，完成铜合金层和他钢套的复合。采用该技术获得的铋青铜或镍青铜冷喷涂层与钢套基体之间为稳定可靠的冶金级结合，且生成的涂层均匀致密，晶粒均匀细致，无成分偏析，无裂纹，气孔等缺陷，具备较高承载能力和抗疲劳强度，且具有良好的耐磨性和减摩效果。由于冷喷涂工艺过程是在较低温度下完成的（室温~550℃范围），该方法克服了采用粉末冶金、离心铸造、激光熔覆等技术制造双金属工件时的高热环境对钢基材的力学性能造成的劣化，如导致其拉伸屈服强度、承载疲劳极限等性能下降的工艺弱点。
5.本发明所述的双金属轴瓦、轴套等器件的制备技术，不仅包含耐磨减摩铜合金材料的配方设计，而且包含超音速冷气动力喷涂这一制造双金属轴承材料的工艺方法，该方法不仅能制造出微观组织均匀细致、内部无裂纹、气孔，与钢基材形成良好冶金结合的铜合金涂层，同时粉末利用率高达95%以上，且涂层厚度能够精确控制，整个工艺过程易实现全
自动控制，具有低能耗、高效率、无污染、低成本的工业化优势，具有较好的商业应用前景。
技术实现要素：
6.本发明旨在针对现有的铜基双金属轴承制造技术的局限性，提供一种基于超音速冷气动力喷涂工艺复合的一种铝青铜合金-钢复合双金属耐磨轴承材料制造方法，包括如下步骤：按照设计配方配制铝青铜合金，经真空熔炼后采用惰性气体雾化法先制备出相应配方的合金粉；从中优选出符合冷喷涂工艺要求粒径范围的铜合金粉末；将该铜合金粉末输入超音速冷气动力喷涂设备的送粉系统，启动超音速冷气动力喷涂流程，采用非活性工业气体作为介质气体，将铜合金粉末颗粒加速到超音速，撞向预先准备好的钢质轴瓦或轴套基材上，使铜合金粉发生剧烈塑性变形+冷焊合，与钢基材表面形成冶金级结合，并逐渐沉积为一层厚度可精确控制的铜合金致密涂层，成为铜合金-钢双金属复合材料；然后对双金属部件进行真空退火，去除冷喷涂工艺过程中产生的应力；再对双金属件进行机加工，即可获得耐磨减摩铜合金-钢复合双金属轴瓦、轴套等工件。采用该技术获得的铝青铜冷喷涂层与钢套基体之间为稳定可靠的冶金级结合，且生成的涂层均匀致密，无成分偏析，无裂纹，气孔等缺陷，具备较高承载能力和抗疲劳强度，且具有良好的耐磨性和减摩效果；且冷喷涂工艺过程是在较低温度下完成的（室温~550℃范围内），该技术克服了采用粉末冶金、离心铸造、激光熔覆等传统技术制造双金属工件时的高热环境对钢基材力学性能造成的劣化，如导致其拉伸屈服强度、承载疲劳极限等性能下降的工艺弱点。
7.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种铝青铜合金-钢复合双金属耐磨轴承材料制造方法，包括如下步骤：步骤一、按照预先设计的铝青铜合金成份配比，将涉及到的各组元金属原料称重后，将其熔炼成合金，采用惰性气体雾化法将熔融合金液雾化成为球形粉末，从中筛分出符合粒径要求的铜合金粉末；步骤二、将步骤一获得的铜合金粉末输入冷喷涂系统的送粉系统，采用非活性气体作为喷涂介质，按照冷喷涂工艺标准进行冷喷涂流程，将铜合金粉末喷涂到预先备好的钢材轴瓦基材上，获得一定厚度的涂层；步骤三、将步骤二获得的双金属胚件进行真空退火处理，以消除喷涂时产生的内部应力；步骤四、对步骤三得到的铜合金-钢双金属胚件进行机加工，获得精准尺寸的双金属轴瓦、轴套工件。
8.作为本发明基于一种铝青铜合金-钢复合双金属耐磨轴承材料制造方法的改进，步骤一所述的铝青铜为环保型自润滑耐磨铜合金设计，不含铅元素，该材料配方以cualmnfe四元合金元素为主。
9.以上铝青铜合金粉末的制备工艺为：将纯cu锭以及其余合金组份按照设计配方进行称量，投入中频感应炉的石墨坩埚内进行真空感应熔炼，然后用气雾化法制成铜合金球形粉末。真空感应熔炼时的熔体过热度为150～250℃；雾化制粉工艺所用的气体为高纯氮气，雾化气压为2.5～4.5mpa。步骤一所获得的铜合金粉为球形粉，铜合金粉末的含氧量小于300ppm；从铜合金粉末中挑选出的尺寸符合冷喷涂工艺要求的粉末，系指粒径范围为7～45微米的粉末。
10.作为本发明基于一种铝青铜合金-钢复合双金属耐磨轴承材料制造方法的进，步骤二所述的超音速冷喷涂系统包括送粉系统、高压气源、气体加热器、气体调节控制系统和喷枪。喷枪采用拉瓦尔喷枪，喷涂介质气体为高纯氮气或高纯氩气。冷喷涂时，气体工作温度为室温～550℃，冷喷涂气压为1.5～3.5mpa，粉末输送量为0.1～400g/min；工作时，喷枪安装在机械臂上，有机械臂夹紧喷枪进行精确定位，并按照预先设计好的运动轨迹一边喷涂一边运动；钢衬底工件则夹持于机床的三爪卡盘上，按要求实现轴向转动和水平给进。最终在钢基底上形成一层厚度可控的耐磨减摩铜合金涂层。涂层厚度可根据实际需要进行调控，尽量减少后续加工余量。涂层厚度一般控制在1-３mm范围内。
11.作为本发明基于一种铝青铜合金-钢复合双金属耐磨轴承材料制造方法的改进，步骤三所述的消除应力退火温度设定为500～650℃，退火时间为0.5～2.5小时。
12.作为本发明一种铝青铜合金-钢复合双金属耐磨轴承材料制造方法的改进，步骤三退火后得到的双金属胚件须进行常规切磨抛等机加工，以获得精确尺寸的双金属轴瓦、轴套零件单元，进入后续加工流程。
具体实施方式
13.以下结合具体实施例来对本发明及有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
14.实施例1本实施例提供了一种配方为cual9mn2的铜合金-钢复合双金属轴瓦、轴套的材料及其制造方法，包括以下步骤：步骤一、先将cu、al、mn等配方原料按照al:8.0~10wt%、mn:1.5~2.5%进行称量，将几种金属投入中频感应炉的石墨坩埚内进行真空感应熔炼，然后采用气雾化工艺制成cual9mn2合金球形粉末，雾化介质为高纯氮气。真空感应熔炼的温度为950℃，采用超音速气雾化喷嘴，雾化气体压力3.7 mpa。
15.步骤二、将步骤一获得的cual9mn2合金球形粉末进行标准筛分，选出325～600目范围内的粉末，该粉末d50为20μm左右。
16.步骤三、将步骤二筛选出的粒径合格的cual9mn2粉末输入冷喷涂系统的送粉系统，冷喷涂气体采用高纯氮气。冷喷涂气压为2.6mpa，粉末输送量为250g/min，喷涂时粉末预热温度为450-500℃。喷涂工作时，送粉系统上的混合粉末被喷枪喷出的气流加速后高速撞向钢基板，粉体颗粒发生大塑性变形后沉积钢基板上。冷喷涂的喷枪安装在机械臂上，喷枪采用缩放型拉瓦尔喷枪，按照设计好的轨迹一边喷涂一边移动，最终在基板上获得一层2.5~3mm厚的铜合金涂层。
17.步骤四、将步骤三获得的复合涂层工件进行真空退火处理，以消除胚料内部应力。退火温度为600℃，退火时间为1h，退火完成后随炉冷却。
18.步骤五、将经由步骤四退火处理后的复合工件进行机加工，直至获得复合要求的零件，进入下一工艺制造流程。
19.该铜合金-钢复合双金属适合制造高强度耐蚀轴承，以及在250℃以下含油介质中工作的耐磨零件。
20.实施例2
本实施例提供了一种配方为cual
10
mn2fe5ni5的铜合金-钢复合双金属轴瓦、轴套的材料及其制造方法，包括以下步骤：步骤一、先将cu、al、mn、fe、ni等配方原料按照al:8.0~11wt%、mn:1.5~2.5wt%，fe:4.0~6.0wt%，ni:4.0~6.0wt%，cu余量，进行称量，将几种金属投入中频感应炉的石墨坩埚内进行真空感应熔炼，然后采用气雾化工艺制成cual
10
mn2fe5ni5合金球形粉末，雾化介质为高纯氮气。真空感应熔炼的温度为950℃，采用超音速气雾化喷嘴，雾化气体压力3.7 mpa。
21.步骤二、将步骤一获得的cual
10
mn2fe5ni5合金球形粉末进行标准筛分，选出325～600目范围内的粉末，该粉末d50为20μm左右。
22.步骤三、将步骤二筛选出的粒径合格的cual
10
mn2fe5ni5粉末输入冷喷涂系统的送粉系统，冷喷涂气体采用高纯氮气。冷喷涂气压为2.6~3.0mpa，粉末输送量为200~220g/min，喷涂时粉末预热温度为450-500℃。喷涂工作时，送粉系统上的混合粉末被喷枪喷出的气流加速后高速撞向钢基板，粉体颗粒发生大塑性变形后沉积钢基板上。冷喷涂的喷枪安装在机械臂上，喷枪采用缩放型拉瓦尔喷枪，按照设计好的轨迹一边喷涂一边移动，最终在基板上获得一层2.0~2.5mm厚的铜合金涂层。
23.步骤四、将步骤三获得的复合涂层工件进行真空退火处理，以消除胚料内部应力。退火温度为650℃，退火时间为1h，退火完成后随炉冷却。
24.步骤五、将经由步骤四退火处理后的复合工件进行机加工，直至获得复合要求的零件，进入下一工艺制造流程。
25.该铜合金-钢复合双金属适合制造高强度耐磨零件和400℃温度条件下工作的滑动摩擦零件。
26.实施例3本实施例提供了一种配方为cual9ni5fe1mn1的铜合金-钢复合双金属轴瓦、轴套的材料及其制造方法，包括以下步骤：步骤一、先将cu、al、mn、fe、ni等配方原料按照al:8.0~10wt%、mn:0.5~1.5wt%，fe:0.5~1.5wt%，ni:4.0~6.0wt%，cu余量，进行称量，将几种金属投入中频感应炉的石墨坩埚内进行真空感应熔炼，然后采用气雾化工艺制成cual9ni5fe1mn1合金球形粉末，雾化介质为高纯氮气。真空感应熔炼的温度为1050℃，采用超音速气雾化喷嘴，雾化气体压力4.2 mpa。
27.步骤二、将步骤一获得的cual9ni5fe1mn1合金球形粉末进行标准筛分，选出350～600目范围内的粉末，该粉末d50为18μm左右。
28.步骤三、将步骤二筛选出的粒径合格的cual9ni5fe1mn1粉末输入冷喷涂系统的送粉系统，冷喷涂气体采用高纯氮气。冷喷涂气压为2.6~3.0mpa，粉末输送量为180~200g/min，喷涂时粉末预热温度为500-550℃。喷涂工作时，送粉系统上的混合粉末被喷枪喷出的气流加速后高速撞向钢基板，粉体颗粒发生大塑性变形后沉积钢基板上。冷喷涂的喷枪安装在机械臂上，喷枪采用缩放型拉瓦尔喷枪，按照设计好的轨迹一边喷涂一边移动，最终在基板上获得一层2.0mm厚的铜合金涂层。
29.步骤四、将步骤三获得的复合涂层工件进行真空退火处理，以消除胚料内部应力。退火温度为650℃，退火时间为1h，退火完成后随炉冷却。
30.步骤五、将经由步骤四退火处理后的复合工件进行机加工，直至获得复合要求的零件，进入下一工艺制造流程。
31.该铜合金-钢复合双金属适合制造高温条件下工作的耐磨和各种轴承、衬套、飞轮等，可作为高锡青铜的替代材料。
32.实施例4本实施例提供了一种配方为cual7的铜合金-钢复合双金属材料及其制造方法，包括以下步骤：步骤一、先将cu、al、mn、fe、ni、si等配方原料按照al:6.0~8.5wt%、si:0.1wt%，mn:0.3wt%，ni:0.5wt%，fe:0.5wt%，cu余量，进行称量，将几种金属投入中频感应炉的石墨坩埚内进行真空感应熔炼，然后采用气雾化工艺制成cual7合金球形粉末，雾化介质为高纯氮气。真空感应熔炼的温度为1000℃，采用超音速气雾化喷嘴，雾化气体压力4.2 mpa。
33.步骤二、将步骤一获得的cual9ni5fe1mn1合金球形粉末进行标准筛分，选出250～600目范围内的粉末，该粉末d50为25μm左右。
34.步骤三、将步骤二筛选出的粒径合格的cual7粉末输入冷喷涂系统的送粉系统，冷喷涂气体采用高纯氮气。冷喷涂气压为2.6~3.0mpa，粉末输送量为250~280g/min，喷涂时粉末预热温度为400-450℃。喷涂工作时，送粉系统上的混合粉末被喷枪喷出的气流加速后高速撞向钢基板，粉体颗粒发生大塑性变形后沉积钢基板上。冷喷涂的喷枪安装在机械臂上，喷枪采用缩放型拉瓦尔喷枪，按照设计好的轨迹一边喷涂一边移动，最终在基板上获得一层2.5mm厚的铜合金涂层。
35.步骤四、将步骤三获得的复合涂层工件进行真空退火处理，以消除胚料内部应力。退火温度为550℃，退火时间为1h，退火完成后随炉冷却。
36.步骤五、将经由步骤四退火处理后的复合工件进行机加工，直至获得复合要求的零件，进入下一工艺制造流程。
37.该铜铝合金-钢复合材料适合制造一般载荷的摩擦件、摩擦轮等，可替代cusn6.5，具有更好的耐腐蚀性。
38.实施例5本实施例提供了一种配方为cual
11
fe6ni6mn
0.5
的铜合金-钢复合双金属轴瓦、轴套的材料及其制造方法，包括以下步骤：步骤一、先将cu、al、mn、fe、ni等配方原料按照al:10.0~11.5wt%、mn:0.5wt%，fe:5.0~6.5wt%，ni:5.0~6.5wt%，cu余量，进行称量，将几种金属投入中频感应炉的石墨坩埚内进行真空感应熔炼，然后采用气雾化工艺制成cual
11
fe6ni6mn
0.5
合金球形粉末，雾化介质为高纯氮气。真空感应熔炼的温度为1050℃，采用超音速气雾化喷嘴，雾化气体压力4.2-4.5mpa。
39.步骤二、将步骤一获得的cual
11
fe6ni6mn
0.5
合金球形粉末进行标准筛分，选出400～600目范围内的粉末，该粉末d50为18μm左右。
40.步骤三、将步骤二筛选出的粒径合格的cual
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fe6ni6mn
0.5
粉末输入冷喷涂系统的送粉系统，冷喷涂气体采用高纯氮气。冷喷涂气压为2.6~3.0mpa，粉末输送量为200~220g/min，喷涂时粉末预热温度为550-560℃。喷涂工作时，送粉系统上的混合粉末被喷枪喷出的气流加速后高速撞向钢基板，粉体颗粒发生大塑性变形后沉积钢基板上。冷喷涂的喷枪安装在机械臂上，喷枪采用缩放型拉瓦尔喷枪，按照设计好的轨迹一边喷涂一边移动，最终在基板上获得一层2.0~2.5mm厚的铜合金涂层。
41.步骤四、将步骤三获得的复合涂层工件进行真空退火处理，以消除胚料内部应力。退火温度为650℃，退火时间为1h，退火完成后随炉冷却。
42.步骤五、将经由步骤四退火处理后的复合工件进行机加工，直至获得复合要求的零件，进入下一工艺制造流程。
43.该铜合金-钢复合双金属适合制造高强度耐磨零件和500℃高温度条件下工作的无油滑动摩擦件。
44.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的配方范围内相关合金元素配比变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。