铜钢复合材料及其电弧增材制备方法、应用和锡青铜合金与流程

本发明涉及一种铜钢复合材料及其电弧增材制备方法、应用和锡青铜合金，尤其涉及用于制造多层轴瓦、轴套的材料、制备和应用。

背景技术：

铅青铜、锡青铜及铝青铜是广泛应用于低速重载滑动摩擦部件的耐磨材料。然而，单一铜金属难以保证轴承的刚度及疲劳性能，往往需要与钢进行复合，成为双金属或多层金属。钢/铜复合工艺较多，最常用、简便的是通过在钢基材表面铺铜粉末，压实并烧结进行复合，但往往密实度不高，晶粒粗大。将铜合金浇铸于钢背材料上，连铸连轧可获得结合性能更高的双金属，但工艺控制难度大，也不适用于小批量生产。近年来，采用电弧增材进行铜耐磨层/钢的复合已经成为一种新的轴瓦加工方法，在结合强度、工艺可控性、加工柔性化等方面更具优势。

然而，传统MIG焊电弧增材容易出现增材层结合强度低，耐磨性差，显微组织粗大等问题。电弧的稳定性控制(熔滴过渡)以及熔池内的物理冶金过程控制，直接影增材层成形性能与内部组织，进而决定了电弧增材的质量，是目前运用电弧进行异种金属增材的难点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种铜钢复合材料及其电弧增材制备方法、应用和锡青铜合金，具有钢/铜复合中铜合金密实度高、晶粒细小、结合强度高、耐磨的优点。

为解决上述技术问题，本发明所采用以下技术方案：

为提高钢铜层之间的结合强度高，本发明采用的技术方案如下：一种铜钢复合材料，包括钢层和覆盖于钢层上的锡青铜合金层，在所述钢层与锡青铜合金层的结合界面分布有颗粒状Fe-Al相；所述锡青铜合金包括：Cu、Sn、Si、Pb、Ni和Al，各组分的重量百分比为：5～10wt.％的Sn，0.15～0.35wt.％的Al，0.05～0.2wt.％的Si，同时Pb含量小于0.01wt.％，Ni含量小于0.01wt.％，余量为Cu；所述覆盖于钢层上的锡青铜合金层及钢层与锡青铜合金层的结合界面上的颗粒状Fe-Al相是由所述组份按上述比例混合、加热熔融并熔铸合金棒材后再经挤压、拉拔制备出直径为0.8～1.6mm的锡青铜合金丝材，并通过CMT数字式逆变焊接电源将所述锡青铜合金丝材电弧增材到钢层表面的过程中形成；

进一步地，所述电弧增材的工艺参数为：电流60A～100A，电压12～16V，氩气流量15～20L/min，摆动幅度为5～8mm，增材速度25～55cm/min，摆动频率2.5～4Hz，电弧增材过程中形成的相邻增材带之间搭接量为1～1.5mm；

进一步地，Al的成分为0.21～0.25wt.％；

进一步地，Si的成分是0.1～0.15wt.％。

为获得结合强度高的铜钢复合材料，本发明采用以下制备工艺，即：

一种铜钢复合材料的电弧增材制备方法，

步骤1取钢板，并清理钢板表面，去除钢板氧化层，洗去油污以及金属粉末，然后将钢板预热至100～140℃；

步骤2采用CMT数字式逆变焊接电源，将锡青铜合金丝材电弧增材到钢板表面并得到含有形成于铜钢结合界面上的颗粒状Fe-A1相的铜钢复合材料，电弧增材的工艺参数为：电流60A～100A，电压12～16V，氩气流量15～20L/min，摆动幅度为5～8mm，增材速度25～55cm/min，摆动频率2.5～4Hz，

所述锡青铜合金丝材的制备工艺如下：

将5～10wt.％的Sn、0.15～0.35wt.％的Al、0.05～0.2wt.％的Si、同时Pb含量小于0.01wt.％、Ni含量小于0.01wt.％及余量Cu混合、加热至熔融状态并铸造成直径为5～8mm的合金棒材，最后采用挤压拉拔工艺将合金棒材制成直径为0.8～1.6mm的丝材。

进一步地，所述电弧增材为：把一根锡青铜合金丝材从钢板表面的一侧铺至另一侧，将锡青铜合金丝材接电源正极，钢板接电源负极，通电后，两极之间产生电弧，丝材受电弧热作用熔化形成熔滴，熔滴摊铺钢板上形成一条增材带；然后在所形成一条增材带旁继续铺设锡青铜合金丝材，通电后再在钢板上形成一条增材带且前后两条增材带相互搭接1～1.5mm，此后如此重复，直至铺满整个钢板，得到由增材带相互搭接形成的锡青铜合金层并得到含有形成于铜钢结合界面上的颗粒状Fe-A1相的铜钢复合材料。

进一步地，电弧增材中的电流优选为80～90A，电压优选为13～15V，摆动频率优选为3～3.5H。

进一步地，锡青铜合金丝材中Al的重量百分比优选为0.21～0.25wt.％。

进一步地，锡青铜合金丝材中Si的重量百分比优选为是0.1～0.15wt.％。

进一步地，CMT数字式逆变焊接电源可以选用凯尔达(Kaierda)公司生产的型号为RD350数字式逆变CMT焊接电源。

本发明还提供了铜钢复合材料的应用，即：本发明所述铜钢复合材料作为低速重载滑动摩擦部件耐磨材料的应用。

为在铜钢复合材料中钢铜层的结合界面上形成颗粒状Fe-Al相，提高铜钢复合材料中钢铜层之间的结合强度高，本发明采用了如下锡青铜，即：

一种锡青铜合金，包括：Cu、Sn、Si、Pb和Ni，其特征在于，还包括Al，各组分的重量百分比为：5～10wt.％的Sn，0.15～0.35wt.％的Al，0.05～0.2wt.％的Si，同时Pb含量小于0.01wt.％，Ni含量小于0.01wt.％，余量为Cu。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.为提高铜钢复合材料中锡青铜与钢之间的结合强度，本发明在锡青铜中加入的铝，其作用主要有两个，其一是铝减少了Sn在电弧增材过程中的烧损，提高了增材层的耐磨性，更重要的是使增材了锡青铜的钢在铜钢结合界面上生成了颗粒状的Fe-Al相(图1)，而颗粒状的Fe-Al相在界面处起到钉扎作用，从而提高了铜钢结合强度。本发明是参照“GB/T12948-1991滑动轴承双金属结合强度破坏性试验方法”，对其结合强度进行了测试，其结合强度值从235MPa提高到420Mpa(图2)。

采用CMT电弧增材方法，将加入Al元素后的锡青铜增材到钢表面以形成铜钢复合材料的过程中，Al元素加入后，会和钢/铜界面上的Fe发生反应，生成Fe-Al相，在CMT电弧增材条件下，由于电流产生的洛伦兹力引起的熔池对流、CMT带来的轴向搅拌，丝材摆动带来的横向搅拌作用，使得Fe-Al相没有在铜/钢界面处层状分布，而是在铜/钢界面处形成颗粒状Fe-Al相(图1)，在界面处起到钉扎作用。

1.1为提高结合强度，现有技术尽量减少甚至不加铝，以克服铝的加入所带来的铜钢复合材料中锡青铜与钢之间的结合强度降低的缺陷，而本发明则相反，本发明是通过加入铝来提高结合强度。

现有技术尽量不加或少加铝的原因在于，Al在Fe中的溶解度与Fe在Al中的溶解度很低，二者通常以Fe3Al、FeAl、FeAl3、Fe2Al5等脆性Fe-Al相的形式存在，当脆性Fe-Al相呈现连续层状分布时，会恶化结合处性能，降低结合强度，而抑制Fe-Al相的生成，降低Fe-Al相层的厚度可以提高结合强度。专利CN106736004A公开了一种耐腐蚀的轧制铝钢复合材料及其制备方法，将Fe-Al相层厚控制在4～12μm，并指出：当Fe-Al相层厚在12μm以下时，其界面结合强度大于45MPa；当Fe-Al相层厚为25～45士2μm时，其界面结合强度降至10～20MPa；随着Fe-Al相层厚增加至55～70士2μm时，其界面结合强度只有5～10MPa，甚至出现Fe-Al界面分层现象。专利CN108103429A公开一种热镀铝锌硅钢板的生产方法，钢层和铝锌硅镀层之间生成Al-Fe-Si相层，该合金层厚度控制在0.908～1.29μm时，保证了涂层与钢基体之间的结合力。这些都说明：Al和Fe容易在结合处生成连续的Fe-Al相，而连续Fe-Al相由于脆性大，内部裂纹等缺陷多，导致结合强度降低，现有技术一般采用抑制Fe-Al相生成，减小Fe-Al相层厚来提高结合强度，而层状Fe-Al相厚度的增加则降低结合强度。综上可以得出，在异种金属连接时，要尽可能减少甚至避免Fe-Al相的生成。

本发明中，在铜合金和钢的连接界面处主动引入Fe-Al相，即在Al含量为0.15～0.35wt.％时，在增材过程中的铜钢结合处被控制生成了颗粒状的Fe-Al相，而非现有技术的脆性并呈现连续层状分布的Fe-Al相，且随着铝含量的增加，颗粒状Fe-Al相增多，结合强度随之提高，而且均高于不含Al元素时的结合强度，可见，本发明中的铝的主要作用是提高铜钢之间结合强度，这与现有技术恰恰相反。因此，本发明的铜钢复合材料具有锡青铜与钢之间的结合强度高的优点，用于形成铜钢复合材料的锡青铜具有高铝含量的特点。

1.2本发明采用CMT数字式逆变焊接电源，将锡青铜合金丝材电弧增材到钢表面，使铝在铜钢结合界面上形成分散分布的颗粒状Fe-Al相并在界面上起到钉扎增强作用。

2.本发明的锡青铜中Al和Si的含量都需要严格限制。对比分析发现，当Al含量超过0.25wt.％时，增材层中容易出现微小气孔，尤其在增材层边缘(图3)。随着Al含量的增加，气孔出现的趋势更加明显，甚至会在增材层中部出现大的气孔或缩孔。Si的含量也不能超过0.2wt.％，否则随着Si含量的提高，气孔会由增材层表面向内部生长(图4)。

3.本发明所述电弧增材工艺，通过CMT冷金属过渡技术低电流电弧增材工艺(60～100A)，降低热输入，能有效避免传统MIG电弧增材热输入量过大导致的钢板变形及增材层组织粗大现象，可以得到致密均匀细小的树枝晶组织(图5)，因此增材层具有良好的减摩耐磨性能和承载性能。同时，预热温度、摆动频率、摆动幅度、道次搭接量之间的匹配，解决了低电流条件下热输入量较低，液态金属流动性差，增材层难以均匀成形的问题，获得成形性能良好的增材层(图6)。因此本技术方案带来了预料之外的技术效果，即通过低电流(60～100A)电弧增材，既降低了热输入，得到致密均匀细小的树枝晶组织，提高减摩耐磨性能和承载性能；同时又解决了低电流条件下热输入量较低，液态金属流动性差，增材层难以均匀成形的问题，获得成形性能良好的增材层。

附图说明：

图1为铜/钢结合处颗粒状Fe-Al相。

图2为不同铝含量的增材层和钢基体结合强度。

图3为Al含量0.25wt.％时增材层表面气孔。

图4为Si含量0.2wt.％时增材层内部气孔。

图5为增材层内部组织。

图6为增材层外观。

具体实施方式

下面详细描述本发明的具体实施方案。

实施例1：

(1)熔铸新型锡青铜合金棒材。将Sn、Al、Si、Cu按照质量百分比5wt.％的Sn，0.15wt.％的Al，0.05wt.％的Si，余量为Cu的比例混合，加热至熔融状态并铸造成直径为5mm的合金棒材。

(2)将该合金棒材通过挤压、拉拔工艺制备出直径为0.8mm的丝材。

(3)将该丝材电弧增材到钢板表面。

电弧增材工艺包括以下步骤：

(1)打磨钢板表面，去除钢板氧化层，用有机溶剂清洗钢板表面油污以及金属粉末，然后将钢板预热至140℃；

(2)通过CMT数字式逆变焊接电源将新型锡青铜丝材电弧增材到钢板表面。电弧增材工艺参数为：电流60A，电压12V，氩气流量15L/min摆动幅度为5mm，增材速度25cm/min，摆动频率2.5Hz，不同增材道次之间搭接量为1mm。以上所述新型锡青铜增材层成形性能良好，结合强度为320MPa。

实施例2：

(1)熔铸新型锡青铜合金棒材。将Sn、Al、Si、Cu按照质量百分比8wt.％的Sn，0.21wt.％的Al，0.1wt.％的Si，余量为Cu的比例混合，加热至熔融状态并铸造成直径为6mm的合金棒材。

(2)将该合金棒材通过挤压、拉拔工艺制备出直径为1.0mm的丝材。

(3)将该丝材电弧增材到钢板表面。

电弧增材工艺包括以下步骤：

(1)打磨钢板表面，去除钢板氧化层，用有机溶剂清洗钢板表面油污以及金属粉末，然后将钢板预热至130℃；

(2)通过CMT数字式逆变焊接电源将新型锡青铜丝材电弧增材到钢板表面。电弧增材工艺参数为：电流80A，电压13V，氩气流量16L/min，摆动幅度为6mm，增材速度30cm/min，摆动频率3.0Hz，不同增材道次之间搭接量为1.1mm。以上所述新型锡青铜增材层成形性能良好，结合强度为355MPa。

实施例3：

(1)熔铸新型锡青铜合金棒材。将Sn、Al、Si、Cu按照质量百分比：8wt.％的Sn，0.23wt.％的Al，0.12wt.％的Si，余量为Cu比例混合，加热至熔融状态并铸造成直径为6mm的合金棒材。

(2)将该合金棒材通过挤压、拉拔工艺制备出直径为1.2mm的丝材。

(3)将该丝材电弧增材到钢板表面。

电弧增材工艺包括以下步骤：

(1)打磨钢板表面，去除钢板氧化层，用有机溶剂清洗钢板表面油污以及金属粉末，然后将钢板预热至120℃；

(2)通过CMT数字式逆变焊接电源将新型锡青铜丝材电弧增材到钢板表面。电弧增材工艺参数为：电85A，电压14.0V，氩气流量17L/min摆动幅度为6mm，增材速度40cm/min，摆动频率3.2Hz，不同增材道次之间搭接量为1.2mm，以上所述新型锡青铜增材层成形性能良好，结合强度为365MPa。

实施例4：

(1)熔铸新型锡青铜合金棒材。将Sn、Al、Si、Cu按照质量百分比：8wt.％的Sn，0.25wt.％的Al，0.15wt.％的Si，余量为Cu比例混合，加热至熔融状态并铸造成直径为7mm的合金棒材。

(2)将该合金棒材通过挤压、拉拔工艺制备出直径为1.4mm的丝材。

(3)将该丝材电弧增材到钢板表面。

电弧增材工艺包括以下步骤：

(1)打磨钢板表面，去除钢板氧化层，用有机溶剂清洗钢板表面油污以及金属粉末，然后将钢板预热至110℃；

(2)通过CMT数字式逆变焊接电源将新型锡青铜丝材电弧增材到钢板表面。电弧增材工艺参数为：电90A，电压15.0V，氩气流量18L/min摆动幅度为7mm，增材速度45cm/min，摆动频率3.5Hz，不同增材道次之间搭接量为1.3mm，以上所述新型锡青铜增材层成形性能良好，结合强度为380MPa。

实施例5：

(1)熔铸新型锡青铜合金棒材。将Sn、Al、Si、Cu按照质量百分比：10wt.％的Sn，0.35wt.％的Al，0.2wt.％的Si，余量为Cu比例混合，加热至熔融状态并铸造成直径为8mm的合金棒材。

(2)将该合金棒材通过挤压、拉拔工艺制备出直径为1.6mm的丝材。

(3)将该丝材电弧增材到钢板表面。

电弧增材工艺包括以下步骤：

(1)打磨钢板表面，去除钢板氧化层，用有机溶剂清洗钢板表面油污以及金属粉末，然后将钢板预热至100℃；

(2)通过CMT数字式逆变焊接电源将新型锡青铜丝材电弧增材到钢板表面。电弧增材工艺参数为：电100A，电压16.0V，氩气流量20L/min摆动幅度为8mm，增材速度55cm/min，摆动频率4.0Hz，不同增材道次之间搭接量为1.5mm，以上所述新型锡青铜增材层成形性能良好，结合强度为420MPa。