一种带增韧中间层的铜基轴瓦及其制备方法与流程

本发明涉及轴瓦技术领域，具体的涉及一种带增韧中间层的铜基轴瓦及其制备方法。

背景技术：

轴瓦是内燃机中的重要零部件之一，其性能与结构不仅影响内燃机的性能、工作可靠性和寿命，而且影响内燃机本身的结构设计，随着交通运输业的飞速发展，发动机日益向高速、大功率、低能耗、轻量化、高增压强化和环保化方向发展，对作为内燃机重要配件之一的轴瓦提出了更高的要求，如：疲劳强度高、耐磨性好、抗咬合性好、抗腐蚀性好、镶嵌性好、顺应性好且具有环保性等。目前，轴瓦材料主要有两种，一种是铝基合金材料，另一种是铜基合金材料，其中铝基合金材料具有中等疲劳强度和承载能力，良好的耐腐蚀性，较好的轴承表面性能，铜基合金材料具有很高的疲劳强度和承载能力，较好的轴承表面性能等特点。早期的轴瓦材料的轴承合金以巴士合金为主，是一种软基体上分布着硬颗粒相的低熔点合金，分锡基、铅基、镉基三个系列，其中锡基轴承合金更适合相对于低硬度轴转动的材料，与其它轴承材料相比，具有更好的适应性和嵌入性，广泛应用于高速、重载、高精度、大功率的机械设备中，是大中型电动机、汽轮机、水轮机、发电机、工业泵、鼓风机、压缩机、轧钢机、齿轮箱、磨煤机等机械设备的关键部件；锡基和铅基轴承合金质地软、强度低，不适合制造整体轴承，而是将它们浇注在青铜、钢壳或铸铁等轴瓦上，作为双金属轴瓦材料。

巴氏合金浇注工艺过程分为瓦胎的清洗、瓦态的保护、搪锡、合金熔炼、浇注5个工艺。针对钢基轴瓦，现有技术中一般是通过将钢壳浸入纯锡熔液中（锡和铁在300℃左右时容易生成铁锡化合物），利用锡对碳素钢和轴承合金都有较好的润湿性，特别是锡和轴承合金可以共溶，以纯锡为过渡层将轴承合金浇注在碳素钢表面。而对铜基轴瓦，因为锡基轴承合金和铜结合面发生反应易生成cu6sn5脆性相，因此锡基轴承合金与铜的结合强度较差（不高于30mpa），很难直接浇注在铜壳上面，通过增加锡过渡层仍不能牢固地结合在铜壳上面。

技术实现要素：

发明的目的是为了解决上述技术问题的不足，提供一种带增韧中间层的铜基轴瓦及其制备方法，通过设置增韧中间层，避免在锡基轴承合金和铜壳体结合面处发生反应生成cu6sn5脆性相，提高锡基轴承合金与铜壳体之间的结合强度。

本发明为解决上述技术问题的不足而采用的技术方案是：一种带增韧中间层的铜基轴瓦，包括由铜壳体、纯镍层和锡基轴承合金层形成的多层结构，所述铜壳体位于所述铜基轴瓦的外层，所述纯镍层设置在所述铜壳体的内壁上，并形成所述铜基轴瓦的增韧中间层，所述锡基轴承合金层设置在所述纯镍层上，并形成所述铜基轴瓦的内层，所述的锡基轴承合金层的内壁上设有均匀的凹槽。

优选的，所述的凹槽为梯形槽或者方形槽的一种。

一种带增韧中间层的铜基轴瓦的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备轴瓦的铜壳体及锡基轴承合金；

（2）对铜壳体表面进行脱脂处理、机械喷砂拉毛处理、碱液清洗去除表面油渍及氧化膜，然后用无水乙醇清洗干净，再用酸活化铜壳体表面；

（3）在处理过的铜壳体的内表面形成厚度为30μm~100μm的增韧中间层，所述的增韧中间层的组成为纯镍；

（4）在增韧中间层上浇铸锡基轴承合金层，并在锡基轴承合金层的内壁上设置均匀的凹槽，所述凹槽的深度为所述锡基轴承合金层厚度的1/5~1/3；

（5）将步骤（4）的轴瓦进行深冷处理，即可制得带增韧中间层的铜基轴瓦。

优选的，所述步骤（3）中增韧中间层的制备工艺为电镀法，将步骤（2）处理后的铜壳体的外表面用绝缘薄膜和胶带缠绕封闭，悬挂在工装架上，并放入镀镍槽中，不接触电镀槽的底部，添加电镀液，液面低于槽壁高5cm~10cm，且高于铜壳体5cm~10cm，将镍棒放置在铜壳体的中心位置进行电镀，电镀时间为30~40min，在铜壳体内表面形成厚度为30μm~100μm的纯镍增韧中间层。

优选的，所述步骤（3）中增韧中间层的制备工艺为超音速喷涂法，将步骤（2）处理后的铜壳体放在高温炉中，在120℃~130℃条件下预热30min~35min，取出铜壳体进行超音速喷涂，在铜壳体内表面形成厚度为30μm~100μm的纯镍增韧中间层。

优选的，所述步骤（3）中增韧中间层的制备工艺为等离子熔敷法，将步骤（2）处理后的铜壳体放在高温炉中，在500℃~550℃条件下预热30min~35min，然后取出作为熔池，同时将镍粉末材料送入等离子弧中，粉末在弧柱中预热，呈熔化或半熔化状态，被焰流喷射至作为熔池的铜壳体上，充分熔化后排出气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池逐渐凝固，在铜壳体上形成厚度为30μm~100μm的熔敷层，即为纯镍增韧中间层。

优选的，所述步骤（3）中增韧中间层的制备工艺为氩弧重熔法，将步骤（2）处理后的铜壳体放在高温炉中，在500℃~550℃条件下预热30min~35min，再使用氩弧焊机将镍条熔化平铺在预热后的铜壳体的内表面上，形成厚度为30μm~100μm的均匀熔化层，即为纯镍增韧中间层。

优选的，所述步骤（3）中增韧中间层的制备工艺为炉中钎焊法，先用丙酮清洗钎料，再将镍金属粉冷压成片状，组装在步骤（2）处理后的铜壳体的内表面，然后将组装后的铜壳体组装件放入真空钎焊炉中，在0.1pa~0.12pa的真空度下加热到1050℃~1080℃，保温20min~25min后随炉冷却，使镍金属粉在铜壳体内表面上形成厚度为30μm~100μm的纯镍增韧中间层。

优选的，所述步骤（5）中深冷处理过程为：将步骤（4）的轴瓦置于-170℃～-180℃的液氮中处理2h~3h，取出后升温至室温。

本发明的有益效果是：

本发明所述的一种带增韧中间层的铜基轴瓦，在进行锡基轴承合金的浇注前，在铜壳体上增设纯镍增韧中间层，避免锡基轴承合金与铜壳体的结合界面处生成cu6sn5脆性相，从而提高轴承合金结合界面的强度及韧性，本发明所述的一种带增韧中间层的铜基轴瓦，其锡基轴承合金与铜壳体的平均结合强度超过67mpa；

本发明所述的一种带增韧中间层的铜基轴瓦，在锡基轴承合金层的内壁上设有均匀的凹槽，由于凹槽的存在，有效地增大轴瓦承载面积，既提高了轴瓦内表面的弹张力，又有效地分解在轴瓦使用过程中气缸的爆破力；同时凹槽的存在轴瓦减缓了润滑油沿轴瓦轴向流动速度，有利于保持油膜压力，从而增强了轴瓦的承载力；

本发明所述的一种带增韧中间层的铜基轴瓦的制备方法，对轴瓦进行深冷处理，置于-170℃～-180℃的液氮中处理2h~3h，取出后升温至室温，该处理可以改变轴瓦材料的晶粒取向，使材料表面组织发生相变，细化晶粒，消除材料内部应力，改善轴瓦材料表面的组织结构，从而提高材料的硬度、强度、耐磨性和抗蚀性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定。

图1是带增韧中间层的铜基轴瓦的结构示意图；

图2内壁设梯形槽的锡基轴承合金层的局部结构示意图；

图3是内壁设方形槽的锡基轴承合金层的局部结构示意图；

附图标记：1、铜壳体，2、纯镍层，3、锡基轴承合金层，4、凹槽，401、梯形槽，402、方形槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。其具体的实施方式为：

一种带增韧中间层的铜基轴瓦，包括由铜壳体1、纯镍层2和锡基轴承合金层3形成的多层结构，所述铜壳体1位于所述铜基轴瓦的外层，所述纯镍层2设置在所述铜壳体1的内壁上，并形成所述铜基轴瓦的增韧中间层，所述锡基轴承合金层3设置在所述纯镍层2上，并形成所述铜基轴瓦的内层，所述的锡基轴承合金层3的内壁上设有均匀的凹槽4。

优选的，所述的凹槽4为梯形槽401或者方形槽402的一种。

一种带增韧中间层的铜基轴瓦的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备轴瓦的铜壳体及锡基轴承合金；

（2）对铜壳体表面进行脱脂处理、机械喷砂拉毛处理、碱液清洗去除表面油渍及氧化膜，然后用无水乙醇清洗干净，再用酸活化铜壳体表面；

（3）在处理过的铜壳体的内表面形成厚度为30μm~100μm的增韧中间层，所述的增韧中间层的组成为纯镍，在铜壳体上增设纯镍增韧中间层，避免锡基轴承合金与铜壳体的结合界面处生成cu6sn5脆性相，从而提高轴承合金结合界面的强度及韧性；

（4）在增韧中间层上浇铸锡基轴承合金层，并在锡基轴承合金层的内壁上设置均匀的凹槽，所述凹槽的深度为所述锡基轴承合金层厚度的1/5~1/3；在锡基轴承合金层的内壁上设有均匀的凹槽，由于凹槽的存在，有效地增大轴瓦承载面积，既提高了轴瓦内表面的弹张力，又有效地分解在轴瓦使用过程中气缸的爆破力；同时凹槽的存在轴瓦减缓了润滑油沿轴瓦轴向流动速度，有利于保持油膜压力，从而增强了轴瓦的承载力；

（5）将步骤（4）的轴瓦进行深冷处理，即可制得带增韧中间层的铜基轴瓦，对轴瓦进行深冷处理，置于-170℃～-180℃的液氮中处理2h~3h，取出后升温至室温，该处理可以改变轴瓦材料的晶粒取向，使材料表面组织发生相变，细化晶粒，消除材料内部应力，改善轴瓦材料表面的组织结构，从而提高材料的硬度、强度、耐磨性和抗蚀性。

优选的，所述步骤（3）中增韧中间层的制备工艺为电镀法，将步骤（2）处理后的铜壳体的外表面用绝缘薄膜和胶带缠绕封闭，悬挂在工装架上，并放入镀镍槽中，不接触电镀槽的底部，添加电镀液，液面低于槽壁高5cm~10cm，且高于铜壳体5cm~10cm，将镍棒放置在铜壳体的中心位置进行电镀，电镀时间为30min~40min，在铜壳体内表面形成厚度为30μm~100μm的纯镍增韧中间层。

优选的，所述步骤（3）中增韧中间层的制备工艺为超音速喷涂法，将步骤（2）处理后的铜壳体放在高温炉中，在120℃~130℃条件下预热30min~35min，取出铜壳体进行超音速喷涂，在铜壳体内表面形成厚度为30μm~100μm的纯镍增韧中间层。

优选的，所述步骤（3）中增韧中间层的制备工艺为等离子熔敷法，将步骤（2）处理后的铜壳体放在高温炉中，在500℃~550℃条件下预热30min~35min，然后取出作为熔池，同时将镍粉末材料送入等离子弧中，粉末在弧柱中预热，呈熔化或半熔化状态，被焰流喷射至作为熔池的铜壳体上，充分熔化后排出气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池逐渐凝固，在铜壳体上形成厚度为30μm~100μm的熔敷层，即为纯镍增韧中间层。

优选的，所述步骤（3）中增韧中间层的制备工艺为氩弧重熔法，将步骤（2）处理后的铜壳体放在高温炉中，在500℃~550℃条件下预热30min~35min，再使用氩弧焊机将镍条熔化平铺在预热后的铜壳体的内表面上，形成厚度为30μm~100μm的均匀熔化层，即为纯镍增韧中间层。

优选的，所述步骤（3）中增韧中间层的制备工艺为炉中钎焊法，先用丙酮清洗钎料，再将镍金属粉冷压成片状，组装在步骤（2）处理后的铜壳体的内表面，然后将组装后的铜壳体组装件放入真空钎焊炉中，在0.1pa~0.12pa的真空度下加热到1050℃~1080℃，保温20min~25min后随炉冷却，使镍金属粉在铜壳体内表面上形成厚度为30μm~100μm的纯镍增韧中间层。

优选的，所述步骤（5）中深冷处理过程为：将步骤（4）的轴瓦置于-170℃～-180℃的液氮中处理2h~3h，取出后升温至室温。

实施例1

一种带增韧中间层的铜基轴瓦，如图1所示，包括由铜壳体1、纯镍层2和锡基轴承合金层3形成的多层结构，所述铜壳体1位于所述铜基轴瓦的外层，所述纯镍层2设置在所述铜壳体1的内壁上，并形成所述铜基轴瓦的增韧中间层，所述锡基轴承合金层3设置在所述纯镍层2上，并形成所述铜基轴瓦的内层，如图2所示，所述的锡基轴承合金层3的内壁上设有均匀的凹槽4，所述的凹槽4为梯形槽401。

一种带增韧中间层的铜基轴瓦的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备轴瓦的铜壳体及锡基轴承合金；

（2）对铜壳体表面进行脱脂处理、机械喷砂拉毛处理、碱液清洗去除表面油渍及氧化膜，然后用无水乙醇清洗干净，再用酸活化铜壳体表面；

（3）在处理过的铜壳体的内表面形成厚度为30μm~100μm的增韧中间层，所述的增韧中间层的组成为纯镍，所述增韧中间层的制备工艺为电镀法，将步骤（2）处理后的铜壳体的外表面用绝缘薄膜和胶带缠绕封闭，悬挂在工装架上，并放入镀镍槽中，不接触电镀槽的底部，添加电镀液，液面低于槽壁高5cm~10cm，且高于铜壳体5cm~10cm，将镍棒放置在铜壳体的中心位置进行电镀，电镀时间为30min~40min，在铜壳体内表面形成厚度为30μm~100μm的纯镍增韧中间层；

（4）在增韧中间层上浇铸锡基轴承合金层，所述的锡基轴承合金层的内壁上设有均匀的凹槽，所述的凹槽为梯形槽；

（5）将步骤（4）的轴瓦置于-170℃～-180℃的液氮中进行深冷处理2h~3h，取出后升温至室温，即可制得带增韧中间层的铜基轴瓦。

实施例2

一种带增韧中间层的铜基轴瓦，如图1所示，包括由铜壳体1、纯镍层2和锡基轴承合金层3形成的多层结构，所述铜壳体1位于所述铜基轴瓦的外层，所述纯镍层2设置在所述铜壳体1的内壁上，并形成所述铜基轴瓦的增韧中间层，所述锡基轴承合金层3设置在所述纯镍层2上，并形成所述铜基轴瓦的内层，如图2所示，所述的锡基轴承合金层3的内壁上设有均匀的凹槽4，所述的凹槽4为梯形槽401。

一种带增韧中间层的铜基轴瓦的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备轴瓦的铜壳体及锡基轴承合金；

（2）对铜壳体表面进行脱脂处理、机械喷砂拉毛处理、碱液清洗去除表面油渍及氧化膜，然后用无水乙醇清洗干净，再用酸活化铜壳体表面；

（3）在处理过的铜壳体的内表面形成厚度为30μm~100μm的增韧中间层，所述的增韧中间层的组成为纯镍，所述增韧中间层的制备工艺为超音速喷涂法，将步骤（2）处理后的铜壳体放在高温炉中，在120℃~130℃条件下预热30min~35min，取出铜壳体进行超音速喷涂，在铜壳体内表面形成厚度为30μm~100μm的纯镍增韧中间层；

（4）在增韧中间层上浇铸锡基轴承合金层，所述的锡基轴承合金层的内壁上设有均匀的凹槽，所述的凹槽为梯形槽；

（5）将步骤（4）的轴瓦置于-170℃～-180℃的液氮中进行深冷处理2h~3h，取出后升温至室温，即可制得带增韧中间层的铜基轴瓦。

实施例3

一种带增韧中间层的铜基轴瓦，如图1所示，包括由铜壳体1、纯镍层2和锡基轴承合金层3形成的多层结构，所述铜壳体1位于所述铜基轴瓦的外层，所述纯镍层2设置在所述铜壳体1的内壁上，并形成所述铜基轴瓦的增韧中间层，所述锡基轴承合金层3设置在所述纯镍层2上，并形成所述铜基轴瓦的内层，如图3所示，所述的锡基轴承合金层3的内壁上设有均匀的凹槽4，所述的凹槽4为方形槽402。

一种带增韧中间层的铜基轴瓦的制备方法，所述轴瓦包括位于外层的铜壳体、位于中间层的增韧中间层和位于内层的锡基轴承合金层，所述轴瓦的制备方法包括以下步骤：

（1）制备轴瓦的铜壳体及锡基轴承合金；

（2）对铜壳体表面进行脱脂处理、机械喷砂拉毛处理、碱液清洗去除表面油渍及氧化膜，然后用无水乙醇清洗干净，再用酸活化铜壳体表面；

（3）在处理过的铜壳体的内表面形成厚度为30μm~100μm的增韧中间层，所述的增韧中间层的组成为纯镍，所述增韧中间层的制备工艺为等离子熔敷法，将步骤（2）处理后的铜壳体放在高温炉中，在500℃~550℃条件下预热30min~35min，然后取出作为熔池，同时将镍粉末材料送入等离子弧中，粉末在弧柱中预热，呈熔化或半熔化状态，被焰流喷射至作为熔池的铜壳体上，充分熔化后排出气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池逐渐凝固，在铜壳体上形成厚度为30μm~100μm的熔敷层，即为纯镍增韧中间层；

（4）在增韧中间层上浇铸锡基轴承合金层，所述的锡基轴承合金层的内壁上设有均匀的凹槽，所述的凹槽为方形槽；

（5）将步骤（4）的轴瓦置于-170℃～-180℃的液氮中进行深冷处理2h~3h，取出后升温至室温，即可制得带增韧中间层的铜基轴瓦。

实施例4

一种带增韧中间层的铜基轴瓦，如图1所示，包括由铜壳体1、纯镍层2和锡基轴承合金层3形成的多层结构，所述铜壳体1位于所述铜基轴瓦的外层，所述纯镍层2设置在所述铜壳体1的内壁上，并形成所述铜基轴瓦的增韧中间层，所述锡基轴承合金层3设置在所述纯镍层2上，并形成所述铜基轴瓦的内层，如图3所示，所述的锡基轴承合金层3的内壁上设有均匀的凹槽4，所述的凹槽4为方形槽402。

一种带增韧中间层的铜基轴瓦的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备轴瓦的铜壳体及锡基轴承合金；

（2）对铜壳体表面进行脱脂处理、机械喷砂拉毛处理、碱液清洗去除表面油渍及氧化膜，然后用无水乙醇清洗干净，再用酸活化铜壳体表面；

（3）在处理过的铜壳体的内表面形成厚度为30μm~100μm的增韧中间层，所述的增韧中间层的组成为纯镍，所述增韧中间层的制备工艺为氩弧重熔法，将步骤（2）处理后的铜壳体放在高温炉中，在500℃~550℃条件下预热30min~35min，再使用氩弧焊机将镍条熔化平铺在预热后的铜壳体的内表面上，形成厚度为30μm~100μm的均匀熔化层，即为纯镍增韧中间层；

（4）在增韧中间层上浇铸锡基轴承合金层，所述的锡基轴承合金层的内壁上设有均匀的凹槽，所述的凹槽为方形槽；

（5）将步骤（4）的轴瓦置于-170℃～-180℃的液氮中进行深冷处理2h~3h，取出后升温至室温，即可制得带增韧中间层的铜基轴瓦。

实施例5

一种带增韧中间层的铜基轴瓦，如图1所示，包括由铜壳体1、纯镍层2和锡基轴承合金层3形成的多层结构，所述铜壳体1位于所述铜基轴瓦的外层，所述纯镍层2设置在所述铜壳体1的内壁上，并形成所述铜基轴瓦的增韧中间层，所述锡基轴承合金层3设置在所述纯镍层2上，并形成所述铜基轴瓦的内层，如图3所示，所述的锡基轴承合金层3的内壁上设有均匀的凹槽4，所述的凹槽4为方形槽402。

一种带增韧中间层的铜基轴瓦的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备轴瓦的铜壳体及锡基轴承合金；

（2）对铜壳体表面进行脱脂处理、机械喷砂拉毛处理、碱液清洗去除表面油渍及氧化膜，然后用无水乙醇清洗干净，再用酸活化铜壳体表面；

（3）在处理过的铜壳体的内表面形成厚度为30μm~100μm的增韧中间层，所述的增韧中间层的组成为纯镍，所述增韧中间层的制备工艺为炉中钎焊法，先用丙酮清洗钎料，再将镍金属粉冷压成片状，组装在步骤（2）处理后的铜壳体的内表面，然后将组装后的铜壳体组装件放入真空钎焊炉中，在0.1pa~0.12pa的真空度下加热到1050℃~1080℃，保温20min~25min后随炉冷却，使镍金属粉在铜壳体内表面上形成厚度为30μm~100μm的纯镍增韧中间层；

（4）在增韧中间层上浇铸锡基轴承合金层，所述的锡基轴承合金层的内壁上设有均匀的凹槽，所述的凹槽为方形槽；

（5）将步骤（4）的轴瓦置于-170℃～-180℃的液氮中进行深冷处理2h~3h，取出后升温至室温，即可制得带增韧中间层的铜基轴瓦。

使用本发明的增韧中间层，使得轴承合金与铜壳体平均结合强度超过67mpa，在大批量生产轴承中结合强度超过58mpa。

对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。