一种镍铋铜合金-钢双金属轴承材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于轴承制作，具体涉及一种镍铋铜合金-钢双金属轴承材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、铜合金-钢双金属轴承材料主要用于制造发动机、发电机等的滑动轴承。随着环保要求的提高和高载荷高转速发电机和发动机对滑动轴承的强度和弯曲强度要求大幅提高，含铅轴承材料已经无法满足要求，因此市场对轴承无铅化及高性能轴承材料的需求越来越多。

2、由于铜合金-钢双金属轴承材料主要起支撑和传递动力的作用，因此很多场合下需要铜合金-钢双金属轴承材料具有较强的承载能力、较好的减摩耐磨性能和优异的顺应性。目前国内铜合金-钢双金属轴承材料主要是粉末冶金烧结生产工艺，国内外生产的铜合金-钢双金属轴承主要是含铅的铜合金，铅在轴承使用时起到润滑作用，但是，铅在合金中属于单独充填于合金中，导致合金的强度和弯曲强度较低，无法满足高负荷，高转速轴承的要求，现有铜铅合金滑动轴承双金属材料的弯曲强度为125-140mpa，抗拉强度为260-300mpa，无法满足市场的高需求。

3、镍铋铜合金-钢双金属轴承材料的制备存在以下技术问题：（1）镍和铋的添加可以改变铜的力学性能，例如硬度、强度和延展性，但同时影响热膨胀系数发生变化。（2）镍铋铜合金的摩擦系数可能不同于纯铜或者常规的镍铜合金。铋含量的变化会影响合金的微观结构和表面粗糙度，进而影响接触面间的摩擦行为。（3）在制造双金属轴承时，镍铋铜合金与钢材之间的冶金结合是一个关键问题。如果两者之间化学反应剧烈或不相容，则可能导致结合界面不稳定，影响轴承的整体机械性能和使用寿命。

4、基于现有技术中的技术缺陷，开发综合性能优异的镍铋铜合金-钢双金属轴承材料十分具有应用前景和市场价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对高转速、高载荷的发动机及发电机等使用的铜铅合金-钢双金属轴承材料弯曲强度不高、机械承载能力差及含铅的缺陷，提供一种镍铋铜合金-钢双金属轴承材料及其制备方法，该方法生产的滑动轴承双金属材料的弯曲强度≥200mpa，抗拉强度≥360mpa，同时线膨胀系数低，摩擦系数低，综合性能优越，可以满足市场的需求，同时具有环保的意义。

2、为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种镍铋铜合金-钢双金属轴承材料，将镍铋铜合金粉末通过高温烧结炉在氢气和氮气保护下烧结在碳含量≤0.25%的碳素钢材料表面，经过多次烧结和轧制制成镍铋铜合金-钢双金属轴承材料；其中，所述镍铋铜合金粉末的化学成分按重量百分比计为：镍1.5-3.0%、锡1-2.5%、铋1-3%、碳化硅0.2-1%、二硼化钛0.5-1.5%、铅≤0.1%，其他杂质总量≤1.5%，余量为铜。

4、进一步地，所述镍铋铜合金粉末的化学成分按重量百分比计为：镍1.6-2.4%、锡1.5-2.0%、铋1.5-2.5%、碳化硅0.4-0.7%、二硼化钛0.8-1.2%、铅≤0.1%，其他杂质总量≤0.5%，余量为铜。

5、进一步地，相对于镍铋铜合金粉末的总重量100重量%，镍铋铜合金粉末的颗粒直径分布按重量百分比计为：-140目~+200目含量为0.2~5%；-200目~+325目含量为30~45%；-325目含量为50~85%。

6、在本技术中，-325目是指镍铋铜合金粉末可以通过325目的筛网，-200目~+325目是指镍铋铜合金粉末无法通过325目筛网，但可以通过200目筛网，-140目~+200目是指镍铋铜合金粉末无法通过200目筛网，但可以通过140目筛网。本发明通过在铜基轴承材料中引入特定含量的镍、锡和铋，以及二硼化钛和碳化硅，可以起到改善双金属轴承材料弯曲强度和抗拉强度的作用。发明人意外发现同时改善了双金属轴承材料的摩擦性。分析是通过特定含量的镍、锡、铋的复配，镍、锡和铋在铜基中达到理想的平衡点，使得材料既具有良好的机械强度；而当三者含量过低，对材料性能改善不明显；当铋含量较高时，铋易于分布于镍铋铜合金晶界处，较多脆性相的聚集易使其直接从镍铋铜合金基体中脱落，而降低铋的减摩作用；过高的镍含量可能导致组织不稳定；锡含量过高，会使材料过分软化，导致轴承的承载能力和耐磨性大幅下降。二硼化钛和碳化硅在铜基体中形成弥散分布的硬质颗粒，能够有效地阻碍或分散基体材料在受力时的塑性流动。几种材料协同发挥作用，从而提高材料的抗拉强度和抗弯强度。但是发明人发现此条件下双金属轴承的不同温度下的耐摩稳定性不理想。

7、更进一步地，相对于镍铋铜合金粉末的总重量100重量%，镍铋铜合金粉末的颗粒直径分布按重量百分比计为：-140目~+200目含量为0.2~2%；-200目~+325目含量为35~45%；-325目含量为50~75%。

8、进一步地，所述二硼化钛为重量比1：0.3-0.7：1.4-1.8的粒径1-3μm、粒径15-20μm和粒径30-40μm的二硼化钛复配。福斯曼科技(北京)有限公司。

9、进一步地，所述碳化硅为重量比0.4-0.8：1：0.8-1.2的粒径2μm、粒径10μm和粒径45μm的碳化硅复配。福斯曼科技(北京)有限公司。

10、发明人通过添加不同粒径的二硼化钛和碳化硅改善了双金属轴承不同温度下的耐摩擦稳定性。分析是二硼化钛和碳化硅均具有极高的热稳定性，可以在高温下保持其原有性能，通过不同粒径二硼化钛和碳化硅的复配，可以和铜基体之间产生较好的协同效应，可以抵消部分由于热膨胀引起的内部应力，从而避免因热应力导致的材料界面分离，保持摩擦性能的稳定性。

11、进一步地，所述碳化硅和二硼化钛的重量比为1：1-2.5。

12、本发明中，所述碳化硅和二硼化钛的重量比为1：1-2.5。从更好地实现本发明效果的角度考虑，所述碳化硅和二硼化钛的重量比的下限值优选为1.1，更优选为1.5，进一步优选为1.8，另外，该重量比的上限值优选为2.4，更优选2.3，进一步优选为2.2，特别优选为2。

13、发明人意外发现，当碳化硅和二硼化钛的重量比为1：1-2.5时，可以改善双金属轴承的线膨胀系数。分析是当碳化硅和二硼化钛颗粒尺寸不同时，与铜基体接触的界面面积会有所不同，影响界面约束作用，进而影响整个轴承材料的热膨胀行为，在此配比条件下，可以改善热传导效率，改善轴承材料受热时的尺寸稳定性。

14、本发明还提供了所述的镍铋铜合金-钢双金属轴承材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

15、（1）按镍铋铜合金粉末的化学成分的重量百分比进行精确称重，混合熔化后采用全封闭式高压水雾化法制成粉末，根据镍铋铜合金粉末的颗粒直径分布要求进行过筛，得到镍铋铜合金粉末；

16、（2）将碳含量≤0.25%碳素钢钢板剪切成规定的宽度，经轧制校平后对表面进行处理后，在碳素钢钢板表面均匀地涂一层镍铋铜合金粉末；

17、（3）初烧：在氢气和氮气保护气氛下进行烧结，升温速度为60-70℃/h，烧结温度900-1000℃，保温时间为15-200分钟；

18、（4）初轧：将步骤（3）初次烧结后的材料在轧机中进行常温轧制到规定的厚度，轧制厚度精度控制在±0.01mm；轧制后的合金层密度8.8-8.95g/cm³；

19、（5）复烧：在氢气和氮气保护气氛下，再次进行烧结，升温速度为70-80℃/h，烧结温度为900-950℃，保温时间为15-200分钟，得到复烧后的钢板；

20、（6）退火处理：将复烧后的钢板，在氢气和氮气的保护气氛下进行退火处理，退火温度为450-500℃，退火时间为50-60min；

21、（7）精轧校平：经过退火处理后的材料冷却后在常温下再次进行轧制，轧制至到规定厚度，轧制精度控制在±0.01mm，轧制后的合金层密度8.9-8.95g/cm³。

22、需要说明的是，本技术中的全封闭式高压水雾化法的高压范围根据具体设备进行设定。本发明的全封闭式高压水雾化法可以但是不限于使用深圳市宝丰贵金属设备科技有限公司的水雾化金属制粉机，高压为380v。

23、进一步地，所述步骤（2）中作为原材料的钢板的厚度范围为0.5mm-50.0mm，镍铋铜合金粉末的厚度范围为0.25mm-3.0mm。

24、进一步地，初烧和复烧都在烧结炉中进行。

25、更进一步地，烧结炉为网带式连续烧结炉。

26、本发明通过使用特定的初烧、复烧和退火的条件，改善了轴承的耐磨性。分析是初烧、复烧和退火之间相互协同发挥作用，影响本发明的特定配比的镍铋铜合金与钢材之间的冶金结合质量，进而影响钢材的性能。初烧使铜合金粉末在钢基体上形成具有一定强度和紧密度的结合层，形成合适的冶金结合，在此基础上，复烧进一步确保镍铋铜合金与钢基体的紧密结合，复烧条件直接影响着铜合金与钢之间的元素扩散深度和界面反应程度，在此基础上进行退火，细化晶粒，调节镍铋铜合金与钢之间的应力分布均匀，调整铜合金的微观结构，提高整个轴承组件的综合性能。发明人发现此条件下轴承材料的强度也得到提高。

27、本发明第三方面提供了所述的镍铋铜合金-钢双金属轴承材料的应用，所述镍铋铜合金-钢双金属轴承材料适用于制作各类型发电机、发动机等使用的滑动轴承。

28、本发明所用的原料或试剂除特别说明之外，均市售可得。

29、与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：

30、1、本发明解决了滑动轴承含铅的问题，本发明的镍铋铜合金-钢双金属轴承材料的弯曲强度≥200mpa，抗拉强度≥360mpa，同时线膨胀系数低，摩擦系数低，综合性能优越，可以满足市场的需求，同时具有环保的意义。

31、2、本发明通过在铜基轴承材料中引入特定含量的镍、锡和铋，以及二硼化钛和碳化硅，可以起到改善双金属轴承材料弯曲强度和抗拉强度的作用。同时改善了双金属轴承材料的摩擦性。

32、3、本发明通过添加不同粒径的二硼化钛和碳化硅改善了双金属轴承不同温度下的耐摩擦稳定性。当碳化硅和二硼化钛的重量比为1：1.8-2.2时，可以改善双金属轴承的线膨胀系数。

33、4、本发明通过使用特定的初烧、复烧和退火的条件，改善了轴承的耐磨性，同时轴承材料的强度也得到提升。分析是初烧、复烧和退火之间相互协同发挥作用，影响本发明的特定配比的镍铋铜合金与钢材之间的冶金结合质量，进而影响钢材的性能。