本發明涉及合金材料制備技術，尤其涉及一種鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料、其制備裝置及制備方法。

背景技術：

隨著汽車等各種機動車輛發動機向高速、重載、高功率等快速發展，其對軸瓦材料要求越來越苛刻，技術要求越來越高。

目前，廣泛應用的軸瓦材料為銅鉛錫合金/鋼軸瓦材料，其主要制備方法有靜止澆注法、離心澆注法、顆粒感應離心澆注法、粉末冶金燒結軋制復合等方法。但是其均存在自身弱點，例如靜止澆注法存在著鑄造缺陷及pb元素偏析等問題，離心澆注法和顆粒感應離心澆注法pb元素偏析嚴重，質量穩定性較差，采用粉末冶金燒結軋制復合法得到軸瓦材料組織致密度低，界面結合較差。因此，探求一種新型制備鋼/耐磨銅合金層狀軸瓦材料的裝置與方法具有重要的應用價值和工程意義。

技術實現要素：

本發明的目的在于，針對現有軸瓦材料制備方法存在鑄造缺陷及pb元素偏析的問題，提出一種鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料的制備方法，該方法能精確控制鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料中pb元素含量，減少pb元素偏析。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、制備耐磨銅合金粉末；

步驟2、對鋼基底材料進行清洗，去除油污及氧化物，獲得清潔表面；

步驟3、將一定厚度耐磨銅合金粉末覆蓋在經高頻感應加熱的鋼基底上；在保護氣氛下采用激光加熱熔化耐磨銅合金粉及一定厚度的鋼基底，同時在耐磨銅合金粉與鋼基底的熔池上方施加脈沖電磁場，熔池內產生強制對流，促使合金凝固組織均勻細化，耐磨銅合金粉和鋼基底二者發生熔合，實現冶金結合；

步驟4、采用在線高頻加熱正火方式消除內應力，防止開裂與變形，制備得到鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料。

進一步地，所述鋼為碳素鋼或碳素合金鋼。

進一步地，步驟1制備耐磨銅合金粉末包括以下步驟：先通過電磁攪拌熔煉出成分均勻的耐磨銅合金熔體，然后通入高純氬氣霧化成粉，制備得到耐磨銅合金粉末。

進一步地，步驟3中保護氣氛為氬氣。

進一步地，步驟3中所述高頻感應加熱的頻高頻感應率為10000‐20000hz，功率為10‐30kw。采用高頻感應加熱鋼基底，能防止制備軸瓦材料過程中發生變形。

進一步地，步驟3中激光的功率為300‐800w/mm²。

進一步地，步驟3中脈沖電磁場的峰值磁感應強度為500mt，脈沖電磁場能產生脈沖電磁壓力梯度，促使涂覆層組織致密均勻，脈沖電磁場的輸入電流如圖1所示，可以看到脈沖電流是半個正弦波，脈寬為2ms，電流的急劇變化可以產生脈沖電磁場。

進一步地，步驟3中一定厚度耐磨銅合金粉末的厚度為1‐3mm，合金粉末粒度為100‐300目，粒度過小送粉連續性差，粒度過大合金成分不均勻。

進一步地，步驟3中一定厚度的鋼基底為0.2‐0.5mm。

本發明的另一個目的還公開了一種鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料的制備裝置，包括：基底傳送通道、高頻感應加熱器線圈、激光發生器、脈沖磁場發生器線圈和高頻感應正火線圈，所述基底傳送通道依次穿設在高頻感應加熱器線圈和脈沖磁場發生器線圈內，所述高頻感應加熱器線圈與脈沖磁場發生器線圈間的基底傳送通道上方設置有脈沖磁場發生器線圈，所述脈沖磁場發生器線圈上方設置有激光發生器，所述激光發生器的激光束打在脈沖磁場發生器線圈下方的基底傳送通道上，所述脈沖磁場發生器線圈與高頻感應加熱器線圈間的基底傳送通道上設置有耐磨銅合金粉末施加裝置和保護氣施加裝置。

本發明的另一個目的還公開了一種鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料，采用上述鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料的制備方法制備而成。

通常加熱條件下合金熔體內只有由于溫度梯度導致的自然對流，所形成凝固組織具有取向性及定向性，導致合金溶質元素偏析，惡化合金力學性能。當對合金凝固過程中熔池施加脈沖電磁場時，熔體中將會產生洛倫茲力，其具體表達式(1)為：

f＝(1/μ)(▽×b)×b(1)

由于電磁場集膚效應會導致洛倫茲力不均勻，因此將在熔體中不同位置引入壓力梯度，其表達式(2)為：

p＝b²/2μ(2)

此外，由于電磁場的應用會在合金表面形成渦流，渦流深度與頻率有關，頻率越高，深度越小，其表達式(3)為

δ＝(πfμσ)^-1/2(3)

此外，所感應產生渦流會產生焦耳熱，其表達式(4)為：

其中：b為磁感應強度，μm為磁導率，ω為角速度，σ為熔體電導率，f為頻率。根據公式1和2在熔池上方施加電磁場可以向熔體施加一個豎直方向的擠壓力，并引起熔池中心向兩邊發散的強制對流，均勻熔池溫度場與溶質成分，細化凝固組織。電磁感應加熱還會減少層狀軸瓦材料制備過程中所產生的內應力，減少復合材料的變形程度。此外，在線高頻感應正火時，由于鋼的相對磁導率為8000，銅的相對磁導率僅為1，因此在同樣的感應頻率時(例如10000hz)，鋼和銅所產生的電磁焦耳熱是不一樣的，由公式(4)可知，單位質量的鋼所產生的焦耳熱比銅大的多，所以在線感應加熱正火過程中鋼的溫度升高很快，而銅比較慢，保證了鋼可以很好的消除因淬火效應引起的硬度增加而且銅也不會發生熔化，從而制備出優良的層狀軸瓦復合材料。

本發明在保護氣氛下采用激光加熱熔化耐磨銅合金粉以及經過高頻感應預熱的一定厚度的鋼基體，并配合使用脈沖電磁場在熔池內產生強制對流，使二者發生熔合，實現冶金結合，隨后采用在線高頻加熱正火方式消除內應力，制備出高品質鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料。本發明通過耐磨銅合金粉末/碳素(合金)鋼基底快速熔化凝固形成冶金結合，制備出高品質鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料。本發明與現有技術相比較具有以下優點：

1)本發明鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料制備方法能精確控制鋼基底和耐磨銅合金厚度以及溫度；耐磨銅合金的pb元素偏析可以得到有效控制；鋼基底與耐磨銅合金粉末界面處實現冶金結合。

2)本發明鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料制備裝置投入成本較低，使用操作簡便，使用效果好。

3)本發明鋼/耐磨銅合金層狀軸瓦材料界面結合良好，耐磨性能優良。

附圖說明

圖1為脈沖電磁場的輸入電流；

圖2為本發明鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料的制備方法原理示意圖。

1高頻感應加熱器線圈，2鋼基底，3耐磨銅合金粉末，4熔池，5高頻感應正火線圈，6保護氣體，7脈沖磁場發生器線圈，8激光發生器，9層狀軸瓦材料。

具體實施方式

以下結合實施例對本發明進一步說明：

實施例1

本實施例公開了一種鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料的制備裝置，其結構如圖2所示包括：基底傳送通道、高頻感應加熱器線圈1、激光發生器8、脈沖磁場發生器線圈7和高頻感應正火線圈5，所述基底傳送通道依次穿設在高頻感應加熱器線圈和脈沖磁場發生器線圈內，所述高頻感應加熱器線圈與脈沖磁場發生器線圈間的基底傳送通道上方設置有脈沖磁場發生器線圈，所述脈沖磁場發生器線圈上方設置有激光發生器，所述激光發生器的激光束打在脈沖磁場發生器線圈下方的基底傳送通道上，所述脈沖磁場發生器線圈與高頻感應加熱器線圈間的基底傳送通道上設置有耐磨銅合金粉末施加裝置和保護氣施加裝置。

采用上述裝置制備碳素鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料包括以下步驟：

1)采用厚3mm和寬為100mm的10#優質碳素鋼板為碳素鋼基底2，采用naoh以及hcl清洗掉碳素鋼基底表面氧化物及油污。

2)通過電磁攪拌熔煉出成分均勻的耐磨銅合金熔體，成分為24wt.％pb以及2wt.％sn，其余為cu，當熔體溫度達到1200℃時，向其吹入高純氬氣霧化成粉，制備得到耐磨銅合金粉末3。

3)將1.5mm厚耐磨銅合金粉末3(粒度200目)覆蓋在碳素鋼基底2上，碳素鋼基底2采用高頻感應加熱器線圈1加熱，防止后續復合過程中板件發生變形，高頻線圈頻率12000hz，功率為15kw。靠近碳素鋼基底邊緣測得的磁感應強度b＝40mt，磁導率μ＝0.005h/m，電導率σ＝9.9×10⁶s/m，比熱容c＝0.46×10³j/(kg·℃)，密度ρ＝7800kg/m³，可以算出滲透深度為2.5×10^-5m，3s可以使激光加熱區溫度升高至約600℃。

4)采用高純ar氣作為保護氣體6，流量為15-20l/min，防止在后續放置及加熱過程中合金表面發生氧化。

5)通過激光發生器8發射激光加熱，其功率為300～800w/mm²，掃描速度180～600mm/min，熔化耐磨銅合金粉及一定厚度的碳素鋼基底，采用無接觸式紅外測溫儀測量熔化點溫度為1600℃，使二者發生熔合。

6)在熔池4上方放置脈沖磁場發生器線圈，頻率為1-30hz，脈寬為2ms，單脈沖輸出功率為0.9kw，固有頻率為500hz，可在熔池內形成3×10⁵n/m³的電磁擠壓力，所產生的強制熔體對流速度在0-0.2m/s。

7)層狀軸瓦材料經過高頻感應正火線圈在線去應力正火，得到的碳素鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料9，線圈頻率5000hz，功率為5kw，可以保持鋼板溫度在200-300℃，較好的去除層狀復合材料中參與內應力。

8)制備得到的碳素鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料9經過精軋校平以及后續機加工具有較好的平整度，可以加工合格的軸瓦。

本實施例制備的碳素鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料界面結合良好，結合強度為≥180mpa。

實施例2

本實施例公開了一種鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料的制備方法，采用實施例1記載的鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料的制備裝置。

碳素合金鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料的制備方法包括以下步驟：

1)采用厚3mm和寬為100mm的碳素合金鋼板為碳素合金鋼基底，采用naoh以及hcl清洗掉碳素合金鋼基底表面氧化物及油污。

2)通過電磁攪拌熔煉出成分均勻的耐磨銅合金熔體，成分為24wt.％pb以及2wt.％sn，其余為cu，當熔體溫度達到1200℃時，向其吹入高純氬氣霧化成粉，制備得到耐磨銅合金粉末3。

3)將1.5mm厚耐磨銅合金粉末3(粒度150目)覆蓋在碳素合金鋼基底上，碳素合金鋼基底采用高頻感應加熱器線圈加熱，防止后續復合過程中板件發生變形，高頻線圈頻率12000hz，功率為15kw。靠近碳素合金鋼基底邊緣測得的磁感應強度b＝40mt，磁導率μ＝0.005h/m，電導率σ＝9.9×10⁶s/m，比熱容c＝0.46×10³j/(kg·℃)，密度ρ＝7800kg/m³，可以算出滲透深度為2.5×10^-5m，3s可以使激光加熱區溫度升高至約600℃。

4)采用高純ar氣作為保護氣體，流量為15-20l/min，防止在后續放置及加熱過程中合金表面發生氧化。

5)通過激光發生器發射激光加熱，其功率為300～800w/mm²，掃描速度180～600mm/min，熔化耐磨銅合金粉及一定厚度的碳素合金鋼基底，采用無接觸式紅外測溫儀測量熔化點溫度為1600℃，使二者發生熔合。

6)在熔池4上方放置脈沖磁場發生器線圈，頻率為1-30hz，脈寬為2ms，單脈沖輸出功率為0.9kw，固有頻率為500hz，可在熔池內形成3×10⁵n/m³的電磁擠壓力，所產生的強制熔體對流速度在0-0.2m/s。

7)層狀軸瓦材料經過高頻感應線圈在線去應力正火，得到的碳素合金鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料，線圈頻率5000hz，功率為5kw，可以保持鋼板溫度在200-300℃，較好的去除層狀復合材料中參與內應力。

8)制備得到的碳素合金鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料經過精軋校平以及后續機加工具有較好的平整度，可以加工合格的軸瓦。

本實施例制備得的碳素合金鋼-耐磨銅合金層狀軸瓦材料界面結合良好，結合強度為≥180mpa。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。