一种钢背轴瓦及其双金属熔覆层的增材制备方法与流程

本发明涉及堆焊领域，具体而言，涉及一种钢背轴瓦及其双金属熔覆层的增材制备方法。

背景技术：

1、轴瓦是滑动轴承中重要的零部件，它可以支撑轴和轴上零件，保证轴的旋转精度，并减少轴与支撑零件之间的摩擦。现代大型高速电机对轴瓦材料提出了承载和减摩等多方面的要求。然而，轴瓦的承载性要求基材硬度高，抗变形能力强，满足以上要求的材料不可避免在顺应性和摩擦性方面又有所欠缺。

2、通常，轴瓦材料由双层或多层组成，钢背材料作为基底材料，提供轴瓦的强度；靠近轴承接触面的材料一般选用摩擦性能好的含pb铜合金材料。然后，受制于环保要求，含pb铜合金的应用逐渐收到限制，而无pb单一成分铜合金材料又不能满足轴瓦对承载性和顺应性兼顾的要求。此外，钢背轴瓦表面熔覆铜合金的传统做法为离心浇铸，钢背轴瓦与铜合金熔覆层的结合强度也比较低。

3、离心浇铸这种方法获得的耐磨层结合强度低，而且会不可避免的产生成分偏析、气泡、龟裂等缺陷，降低了耐磨层的性能。

技术实现思路

1、因此，本发明实施例提供一种钢背轴瓦及其双金属熔覆层的增材制备方法，在不使用含铅铜合金的前提下，满足轴瓦对承载性和顺应性兼顾的需求，提高了铜合金熔覆层与轴瓦的结合强度。

2、为解决上述问题，本发明提供一种钢背轴瓦，钢背轴瓦包括：

3、钢背；

4、铜合金层，铜合金层覆盖于钢背的至少部分表面，存在平行间隔的区域1和区域2两种不同成分区域；

5、其中，区域1为包括mn强化承载区，区域2为包括sb减摩顺应区。

6、与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：区域1包括mn强化承载区主要通过mn元素的固溶强化来提高区域1铜合金熔覆层的硬度、强度和耐磨性，进而提升轴瓦的使用寿命；区域2包括sb减摩顺应区工作面上局部分布sb元素的方式首先是顺应性很好，尤其是在轴承跑合的初期，大量实验发现，在其他合金元素相同的前提下，含sb的铜合金熔覆层，其干摩系数相对不含sb的铜合金熔覆层可降低35％；总得来说，在不使用含铅铜合金的前提下，使钢背轴瓦双金属熔覆层兼顾了承载性和顺应性。

7、在本发明的一个技术方案中，区域1所含的合金元素组元包括mn、ni、fe、al及cu；区域2所含的合金元素组元包括sb、ni、fe、al及cu。

8、与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：mn、ni、fe、al是铜合金中最有效的固溶强化元素，al、mn强烈降低铜的导电性，同时这些元素均较大程度降低铜的导热性，形成铜基共溶体；sb的顺应性很好，尤其是在轴承跑合的初期，含sb的铜合金熔覆层，其干摩系数相对不含sb的铜合金熔覆层可降低35％，而ni、fe、al等元素可以形成金属间化合物，有时效强化作用。

9、在本发明的一个技术方案中，区域1所含的合金元素的质量分数比为：mn 9％-12％、ni 2％-4％、fe 2％-4％、al 7％-9％，其余为cu；区域2所含的合金元素的质量分数比为：sb 6％-12％、ni2％-4％、fe 2％-4％、al 7％-9％，其余为cu。

10、与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：在不使用含铅铜合金的前提下，使钢背轴瓦双金属熔覆层兼顾了承载性和顺应性；铜合金中的al可以溶入cu形成面心立方晶格的固溶体，称为α相，al在cu中的最高溶解度是9.5wt.％，铜合金中的al可以提高合金的强度、塑性、硬度、耐磨、耐蚀性，当合金处于熔融状态时还会增加合金液体的流动性，在熔炼铜合金的过程中，al既是主要元素，又是天然的脱氧剂，因为在熔炼铜合金过程中，al会被氧化形成氧化物al2o3悬浮在液态合金的表面，隔绝了液态合金与大气，起到脱氧的作用，在实际生产中al的含量控制在7.5-8.2时得到的铜合金的性能最好；mn在铜合金中具有一定的固溶度，经过固溶时效处理后，可以显著提高合金的综合机械性能，同时mn的加入可以抑制合金组织的“缓冷脆性”，因为在熔炼铜合金的过程中加入锰可以缩小α相的单相区，同时β相更加稳定，相变开始温度降低，共析转变被延迟，从而减小了γ2相的含量，与此同时，共析点左移；因此，在增加mn时，要减少铝的加入，金属sb的结构为层状结构，而每层都包含相连的褶皱六元环结构，最近的和次近的锑原子形成变形八面体，在相同双层中的三个锑原子比其他三个相距略近一些，这种层与层之间的弱成键也造成金属sb很软；金属sb的加入主要是利用其以上特性降低铜合金的干摩系数，进而提高区域2铜合金熔覆层的顺应性。在熔炼铜合金的过程中加入一定量的ni，合金凝固过程中会析出类似k相的组织nial化合物，产生的ni-al化合物可以提高合铜合金合金的硬度，强度，耐腐蚀性以及提高合金的热稳定性，同时能够细化晶粒，并抑制β相共析反应形成γ2相，能够有效地控制换冷脆性，加入一定量的fe，可以形成细小的feal3形核点，它们可以作为α相的非自发晶核，细化α晶粒，提高合金机械性能；抑制β相的共析转变，防止自发退火造成的脆性。

11、在本发明的一个技术方案中，区域1的体积在所述铜合金层中的占比为30％-60％；区域2的体积在所述铜合金层中的占比为40％-70％。

12、与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：区域1和区域2的体积占比可根据具体的工况来进行调节，当工况比压大、承载高、温度高时，区域1的最大体积占比可达到60％，稳定满足120mpa以上承载工况的要求；当频繁启停时，可增加区域2的体积占比，满足承载90mpa以上承载工况的要求。

13、在本发明的一个技术方案中，钢背轴瓦应用在发动机曲轴中。

14、与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：钢背轴瓦在发动机曲轴在高速运转的时候起到摩擦保护作用，减少烧瓦抱轴事故发生。

15、在本发明的一个技术方案中，一种钢背轴瓦双金属熔覆层的增材制备方法，包括下述步骤：

16、s100、制备区域1和区域2两种铜合金焊丝；

17、s200、对钢背轴瓦原材料表面进行焊前清洁处理；

18、s300、通过cmt冷金属过渡技术在钢背表面熔覆区域1成分的铜合金焊丝；

19、s400、通过cmt冷金属过渡技术在钢背表面区域2剩余的间隙中熔覆区域2成分的铜合金焊丝。

20、与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：制备出两种铜合金焊丝，使在钢背轴瓦双金属熔覆层上存在平行间隔的区域1、区域2两种不同成分、功能区域；区域1主要通过mn元素的固溶强化来提高铜合金熔覆层的硬度、强度和耐磨性，进而提升轴瓦的使用寿命；区域2通过sb元素提高顺应性；对钢背轴瓦原材料表面进行焊前清洁处理，在后续操作中可以更好的在钢背表面进行熔覆操作；cmt冷金属过渡技术可以在钢背轴瓦表面熔覆双金属铜合金熔覆层的方法能使轴瓦具有高的轴瓦质量结合强度高，寿命增加，对轴瓦的形状、壁厚不敏感，制造过程可停顿，瓦背可用气冷却，可以实现全自动操作，具有质量稳定性高、对环境友好、节能高效、材料利用率高等特点。

21、在本发明的一个技术方案中，在s300中：cmt冷金属过渡技术熔覆的区域1焊道宽度为3mm-7mm；和/或cmt冷金属过渡的焊接工艺参数为：电流100a-150a、电压15v-25v；和/或cmt焊接设备熔覆区域1成分铜合金焊丝相较于钢背的相对移动速度为18cm/min-22cm/min，间隔2mm-4mm。

22、与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：根据测定送丝速度与焊接速度并确定焊接电流与焊接电压，从而达到一个最优比，使制备出来的钢背轴瓦双金属熔覆层可以使其质量结合强度高，寿命增加，。

23、在本发明的一个技术方案中，在s400中包括，cmt焊接设备与钢背呈90°垂直；和/或cmt冷金属过渡的焊接工艺参数为：电流80a-120a、电压13v-20v；和/或cmt焊接设备熔覆区域2成分铜合金焊丝相较于钢背的相对移动速度为14cm/min-18cm/min。

24、与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：根据测定送丝速度与焊接速度并确定焊接电流与焊接电压，从而达到一个最优比，使制备出来的钢背轴瓦双金属熔覆层可以使其质量结合强度高，寿命增加。

25、在本发明的一个技术方案中，在s200中钢背轴瓦所需材料为中碳钢。

26、与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：钢背轴瓦所需材料为中碳钢，考虑到轴类零件的综合力学性能要求，主要选用经过轧制或锻造的35、40、45、50、40cr、40crni、40mnb钢；中碳钢热加工及切削性能良好，焊接性能较差，强度、硬度比低碳钢高，而塑性和韧性低于低碳钢，可不经热处理，直接使用冷轧材、冷拉材，亦可经热处理后使用，淬火、回火后的中碳钢具有良好的综合力学性能；能够达到的最高硬度约为hrc55(hb538)，σb为600mpa-1100mpa，所以在中等强度水平的各种用途中，中碳钢得到最广泛的应用，除作为建筑材料外，还大量用于制造各种机械零件；中碳钢属于亚共析钢，其退火组织为珠光体和铁素体，随着钢中碳含量增加，组织中珠光体数量增加，而铁素体数量减少，碳含量大于0.40％的钢淬火组织为马氏体；碳含量大于0.40％时，除了马氏体外还有少量残留奥氏体，残留奥氏体数量随着钢中碳含量的增加而增加。

27、在本发明的一个技术方案中，还包括：中碳钢钢背轴瓦的厚度为1.5mm-3mm；和/或铜合金熔覆层厚度为1mm-1.5mm。

28、与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：当中碳钢钢背轴瓦的厚度为1.5mm-3mm，铜合金熔覆层厚度为1mm-1.5mm时，达到一个最优比，使制备出来的钢背轴瓦双金属熔覆层可以使其质量结合强度高，寿命增加，提高了铜合金熔覆层与轴瓦的结合强度。

29、采用本发明的技术方案后，能够达到如下技术效果：

30、(1)本发明的钢背轴瓦，在不含铅的前提下，满足了轴瓦兼具承载性和顺应性的要求；

31、(2)设计了一种通过增材制造工艺在钢背轴瓦表面熔覆双金属铜合金；

32、(3)提高了铜合金熔覆层与轴瓦的结合强度。