CN1010390B - 减磨轴承复合材料的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明是用高强度的碳钢层作为基体衬背或芯片，用较薄的轴承材料作减摩层，经过对减摩层和钢基体层的烧结——回转冷锻压，使减摩层达到理论密度，并与钢基体层牢固地连接在一起，完成平面圆形、形环的滑动轴承复合材料坯料的生产工艺方法。在节约能源、设备投资、加工效率、材料损耗和产品技术性能等多项经济技术效益上都有了显著改善。

Description

本发明涉及一种对金属粉末的烧结，并采用回转冷锻压来压实烧结层的方式，制造包含此金属粉末的复合材料的生产工艺方法，属于用粉末烧结制造机械零件半成品的金属材料成型技术领域。

烧结金属滑动轴承复合材料，其结构是用高强度的钢层为基体衬背或芯片，在钢层上单面或双面牢固地粘接着一薄层减摩的轴承材料。这种复合材料由于负荷能力强，摩擦系数小，耐磨性高和生产的经济性，日益广泛地在许多工业部门中得到应用。用这种板坯经少量的切削加工，可制成各种减摩的机械零件，其中尤以环形、园形的薄衬背或厚衬背的减摩滑动轴承材料及其制品，用途广、用量大。典型零件有：环形的：内燃机里用的止推轴承环、工程机械上主离合器里的分离座片、叶片油泵组件配油盘。园形的：齿轮油泵组件、侧板。园筒形的：柱塞油泵组件、七孔缸体等等。

这种滑动轴承复合材料的生产工艺，目前的现有生产工艺主要有平面浇注法和烧结热轧法。前者是在准备好的槽钢带衬背上浇注一层铜合金做成复合材料的。此方法有色金属耗用量大，工艺流程长，能耗大，技术复杂，只能加工4毫米以下的轴承材料。仅在制造厚度较薄的轴瓦及园形、环形零件时使用该方法。后者可见美国专利4002472的介绍：于还原气氛中和温度1045°F到1600°F范围里，在准备好的钢带上，烧结一层铜合金层，再将复合的钢带于1000°F到1200°F温度下通过轧辊压实，使烧结层基本达到100%理论密度，然后再经第二次烧结和浸铅，增强钢层与烧结层之间的粘结强度。这种方法对减摩层达到理论密度的指标有了明显改进，但热轧工序要求有大型技术复杂的锻压设备，工艺流程长，能耗大。在制造薄衬背环形、园形轴承零件时仍要冲压下料，材料利用率低，往往只有百分之四十左右。而且，零件的直径大小，特别是厚度受到制造工艺的限制，通常直径一般不能大于φ200毫米，厚度不能大于4毫米。

本发明的目的是提供一种平面园形、环形的滑动轴承复合材料坯料的生产工艺，用该方法生产出的园形、环形的复合材料的减摩层密度高，能达到100%的理论密度，端面表面光洁度和厚度尺寸精度高，机械性能好。而且，不要大型锻压设备，消耗能量少，制造成本低，大量节省有色金 属，从而显著降低了用这种复合材料加工而成的机械零件的产品成本。

本发明是一种生产平面园形、环形的减摩轴承复合材料坯料的工艺方法，是用高强度的钢层作基体，在钢层上均匀散布一薄层减摩材料粉末，先在还原气氛中，用足能达到粉末的液相烧结和粉末层与钢层之间形成粘结的烧结温度和时间进行予烧结，再对予烧结的复合材料的烧结层进行回转冷锻压，回转冷锻压时，其上锻模轴线与被加工工件的轴线夹角为0°-3°，上锻模回转速度为200-300转/分，压力为200-350兆帕，每个工件加工时，需上模回转10-25圈，同时工件向上移动，通过回转辗压，实现螺旋进给，使烧结层密实，基本达到100%的理论密度，然后进行烧结，进一步增强粉粒之间、粉粒与钢层之间的粘结强度，最后在保护环境中冷却，就可得到单面的复合材料。如果是双面复合材料坯料，可重复上述方法，在没有烧结层的一面钢层上再敷一层减摩材料，得到双面复合材料的坯料。

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明中回转冷锻工艺的示意图。

图3是本发明的制成品示意图。

下面结合附图对本发明进行详细叙述。

图1说明了本发明的工艺流程：先分别进行钢层和减摩轴承材料粉末的准备，接着将粉末均匀散布在钢层上，并进行予烧结，然后进行回转冷锻压和烧结，最后，经检验合格，将成品复合材料坯料入库。

钢基体层通常选用高强度的碳钢，其厚度应不小于0.75毫米，厚度的上限应小于回转冷锻机中液压柱塞与上锻模的距离，通常为不小于220毫米（此数据乃根据瑞士630T旋转冷锻机设备的规格而定）。钢层结合表面应无锈斑、刮痕、缩孔、分层、麻点和裂纹等缺陷，事先加工至表面光洁度

7或 7以上，并对结合表面进行机械清洗和在碱液或有机溶剂中进行化学清洗，以除去油脂获得冶金洁净面。

减摩材料粉末包括有多种轴承材料的铜基粉末，例如CuPb24Sn，CuSn7Pb7Zn3和CuPb10Sn10，它们可以是混合粉或予合金粉。减摩材料粉末是用布料装置或工具均匀地散布在钢层上，其厚度一般是0.5～6毫米。

接着，把布好粉末的园形、环形的薄衬背或厚衬背的工件放进有氢气或分解氨保护气氛的烧结炉里，用足能达到金属粉末的液相烧结和粉末层与钢层之间形成粘结的烧结温度和烧结时间进行予烧结。对于铜基粉末，烧结温度和时间分别为750°～900℃和10～30分钟。

然后是本发明的关键工序：回转冷锻压。该工序是采用一种综合辗、挤、锻加工特点的少切削和无切削的新型加工设备-回转冷锻机ORBITAL    COLD    FORGING    MACHINE（又称：摆动辗压机）-来实施的。图2是其工作示意图：1是上锻模，2是下锻模，3是园形、环形的薄衬背或厚衬背的工件。4是上锻模辗压时，上锻模与工件相接触的部分在工件上的投影。

回转冷锻压，是使锻机的上模1绕工件轴线作回转运动，放有工件3的下模2则不断向上进给，让工件3在两个锻模之间辗压密实，增加粉末颗粒之间的接触，使其孔隙几乎减少为零，使烧结后的减摩层基本达到百分之百的密度。

当被锻压后的工件端表面为平面时，上模制成园锥体形。工作时，将上锻模轴线与加工件的轴线夹角θ调至0°～3°，此时，上模园锥母线沿工件烧结层的上端面进行滚辗，同时，放有工件的下模在液压缸柱塞的作用下，不断向上移动，使工件烧结端面沿着空间螺旋面逐渐滚辗压缩成形。由于成形压力只集中在锻模园锥母线附近的一小块面积4上，这块相当于极坐标中扇形面积的这一小块面积，以上锻模轴线与待加工工件轴线的交点为极点进行回转运动，稳定地多次回转盘旋移过整个被加工的烧结层表面，使复合材料的烧结层得到密实，获得端面光洁度和厚度精度都很高的半成品。

回转冷锻压的工艺技术参数如下：压力为200～350兆帕（Mpa），上模回转速度为200～300转/分，每个工件加工时，需上模回转10～25圈，加工的环形或园形的零件的端面表面光洁度为 7，厚度尺寸精度不超过0.1～0.3毫米。

然后，再将冷锻压后的零件再次放入有保护气氛的烧结炉里，用足以达到合金的液相烧结和合金与钢层之间进一步粘结的温度和时间进行烧结，烧结温度为750°～950℃，烧结时间为10～40分钟。这样，就可得到厚度为0.2～5毫米的达到理论密度减摩层的复合材料。

最后，根据ISO的有关规定，对加工产品的密度、硬度和合金层与钢层的结合强度进行检验入库。

图3中上图为单面减摩滑动轴承复合材料坯料示意图，下图为双面减摩滑动轴承复合材料坯料示意图。图中5是减摩层，6是钢层基体衬背，7是钢层基体芯片。

本发明的主要特点是采用了回转冷锻压。由于这种方法加工时受力面积小，工件变形所需的压力就小，消耗能量也少。例如，用160吨的回转 冷锻压机就能加工出一般需用2000～2500吨锻压机才能锻出的φ100毫米的零件。而且，使用这种工艺可以加工一般锻压机难以生产的带有薄壁部分的零件。再有，冷锻机工作时噪音和振动小，改善了劳动环境;模具寿命长，设备费用低;大大提高了材料利用率和节省有色金属。所以，本发明在节约能源、设备投资、加工效率、材料损耗和产品技术性能等多项经济技术效益指标方面都有实质性改善。

由于用环形、园形的减摩滑动轴承复合材料制成各种机械零件大都为国际通用标准的易损件，需求量很大，如采用本发明的生产工艺进行制造生产，其社会经济效益是相当显著的。现举两例，分别与浇注法和烧结-热轧法进行对照来说明之。

例1：YB-C型叶片泵上一个小零件“配油盘”原用ZQSn6-4-1整体铸铜件制成，需耗用有色金属1.277公斤/件（成品），售价为115元;现采用本发明的烧结-回转冷锻压制成的减摩轴承复合材料制成，耗用有色金属CuSn7Pb7Zn3仅124克/件和10钢1.41公斤/件，售价仅为20元。其节约有色金属和费用的情况，如下表所示：

年产量（万片）    5    10    15

节    铜合金（吨）    57.65    115.3    172.95

约    费用（万元）    475    950    1425

例2：国际标准尺寸系列ISO6525中外径φ100毫米。内径φ62毫米、厚为2毫米的止推环，如用烧结-热轧的双金属带制造，需耗用CuPb24Sn56克，08钢159.21克;现用烧结-回转冷锻压方法制造，只需CuPb24Sn24.3克，08钢69克。其节约有色金属和费用的情况，如下表所示：

年产量（吨）    100    200    500

节    铜合金（吨）    56.6    113.2    283.0

约    材料费用（万元）    84.96    169.92    424.8

本发明已在汽车配件厂的油泵配油盘毛坯的生产中进行试验性实施。这是在δ＝9毫米的08或10热轧钢板上烧结CuSn7Pb7Zn3铜合金粉末，钢层工件直径为φ183毫米，厚度为8.7毫米。先进行机械清洁和化学清洗除去油脂，再经计算在钢层上布粉，粉末高度为1.7毫米，接着是予烧结，此后在冷锻压机上按4～6吨/厘米²的压力回转辗压，每个工件只要回转 辗压10秒钟，最后进行烧结即可完成油泵配油盘毛坯的制备。检验时，其合金层的机械性能应能达到硬度HB50～80，密度≥8.6g/cm³，复合金属结合强度≥80N/mm²。

Claims (8)

1、一种制造平面园形、环形的减摩滑动轴承复合材料坯料的生产方法，是用高强度的钢层作基体背衬或芯片支承，在钢层上均匀散布一薄层减摩金属粉末，其特征是先在还原气氛中，用足能达到金属粉末的液相烧结和粉末层与钢层之间形成粘结的烧结温度和时间进行予烧结，再对予烧结的复合材料的烧结层进行回转冷锻压，回转冷锻压时，其上锻模轴线与被加工工件的轴线夹角为0°-3°，上锻模回转速度为200-300转/分，压力为200-350兆帕，每个工件加工时，需上模回转10-25圈，同时工件向上移动，实现螺旋进给，然后进行烧结，得到厚度为0.2-5毫米的达到理论密度减摩层的复合材料坯料。

2、根据权利要求1所述的生产方法，其特征是均匀散布在钢层上的减摩金属材料粉层厚度为0.5-6毫米。

3、根据权利要求1所述的生产方法，其特征是在还原气氛中用足能达到粉末的液相烧结和粉末层与钢层之间形成粘结的烧结温度和时间进行予烧结，对于铜基粉末，予烧结温度是750℃-900℃，时间是10-30分钟。

4、根据权利要求1所述的生产方法，其特征是使用回转冷锻机工作时，当工件端面为平面时，上锻模应是园锥体形，其表面光洁度为 8～ 9。

5、根据权利要求1或2所述的工艺方法，其特征是用作基体的钢层，其厚度应不小于0.75毫米，厚度上限应小于设备柱塞与上锻模之间的距离。

6、根据权利要求1所述的生产方法，其特征是经过冷锻压的工作应在保护气氛中进行烧结，对于铜基粉末，烧结温度为750～950℃，烧结时间为10～40分钟。

7、根据权利要求1或3或6所述的生产方法，其特征是所述的还原气氛或保护气氛是氢或分解氨。

8、根据权利要求1所述的生产方法，其特征是以钢层作衬背或芯片，可以加工成单面或双面的减摩滑动轴承复合材料。

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