一种高结合强度高耐磨铜-钢双金属及其制备方法

本发明属于双金属复合材料与表面工程，涉及一种高结合强度高耐磨铜-钢双金属及其制备方法。

背景技术：

1、目前工业领域铜-钢双金属材料的制备工艺主要包括固-固复合、钎焊复合、液-固复合铸造三大类，其中液-固复合铸造工艺因流程简单、成型效率高、可实现大面积冶金结合、生产成本低的优势，成为规模化生产铜-钢摩擦复合构件的主流工艺。该工艺原理为：将预处理后的钢基体预热至高温状态，将熔融态铜合金熔体浇铸于钢基体待复合表面，依托高温条件实现铜合金与钢基体的充分润湿、界面元素互扩散，冷却凝固后形成一体化冶金结合的双金属复合材料。

2、经过大量工程实践与试验验证，传统液-固复合铸造制备的铜-钢双金属材料存在两大问题，严重制约其在重载、长寿命工况下的应用：

3、一是界面冶金结合质量差、结合强度偏低。传统工艺制备过程中，钢基体表面易发生二次氧化，且铜合金与钢基体高温润湿效果有限，导致界面fe、cu元素互扩散不充分，扩散层厚度狭窄且分布不均匀。最终界面多为机械结合或弱冶金结合，存在微观孔洞、未熔合、应力集中等缺陷。在交变剪切载荷、高冲击载荷作用下，界面极易发生剥离、开裂，造成构件失效，大幅降低设备使用寿命与运行稳定性。

4、二是铜合金覆层耐磨性能不足、易产生磨粒磨损。目前商用耐磨铜合金多为锡青铜体系，凝固组织主要由塑性α-cu基体与硬质cu41sn11（δ相）组成。硬质δ相可提升合金硬度，但传统锡青铜合金中δ相易呈粗大、连续网状分布，与韧性α-cu基体的变形协调性极差。在摩擦载荷作用下，相界面处会产生严重的局部应力集中，进而诱发微裂纹萌生、扩展，最终导致硬质δ相颗粒脱落，形成大量磨粒，加剧材料磨损，造成构件摩擦系数波动大、磨损率高、服役寿命短的问题。

5、现有改进方案多单一优化工艺参数或合金成分，例如通过提高预热温度、延长保温时间改善界面扩散，或通过增加锡含量提升合金硬度。但此类改进方式存在明显弊端：过度提高工艺温度会增加材料氧化风险与能耗，损伤基体力学性能；单一提升硬质相含量会进一步加剧相组织不均匀性，无法同时解决界面结合差、覆层耐磨差两大问题，始终无法实现双金属材料界面强度与耐磨性能的协同优化。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，提出一种高结合强度高耐磨铜-钢双金属及其制备方法；通过在sn-ni-cu铜合金体系中加入适量ag，并结合液-固复合铸造工艺，使ag参与铜-钢界面区域的微观结构调控，同时改善铜合金凝固组织，从而在界面结合与耐磨性能之间取得较好的匹配。

2、解决了传统铜/钢双金属材料界面元素互扩散不足、扩散层薄且不均匀、界面冶金结合强度低的问题，以及解决了传统锡青铜覆层中硬质δ相与α-cu基体变形协调性差、摩擦过程中易开裂脱落、磨粒磨损严重的问题。

3、本发明是通过如下技术方案实现的：

4、一种高结合强度高耐磨铜-钢双金属，包括钢基体以及覆合于所述钢基体表面的铜合金层，所述铜合金层为sn-ni-ag-cu铜合金体系，ag含量为0.5～2.0 wt.%。

5、优选的，钢基体为45号钢、42crmo钢或40crnimoa钢。

6、优选的，所述铜合金层中sn含量为10~15 wt.%、ni含量为1~3 wt.%。

7、优选的，ag含量为1 wt.%。

8、一种高结合强度高耐磨铜-钢双金属的制备方法，包括钢基体表面预处理、铜合金熔炼、ag微合金化、钢基体预热、液-固复合浇铸以及随炉冷却。

9、优选的，所述钢基体表面预处理是通过喷砂、除油和酸洗去除表面污染物及氧化物，并采用硼砂对处理后的表面进行覆盖，以减少后续加热和浇铸过程中钢基体表面再次氧化。

10、优选的，铜合金熔炼和ag微合金化是先将cu和ni熔化，再进行脱氧除气；随后加入sn和ag，并通过搅拌及保温促进合金元素在熔体中的均匀分布。

11、优选的，保温的温度为1100~1250℃。

12、优选的，将钢基体预热至1000～1100℃后进行浇铸，使铜合金熔体与钢基体之间形成较好的高温接触条件。

13、本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：

14、1、界面结合强度大幅提升，结构稳定性优异：微量ag可有效激活铜/钢界面原子迁移，显著增厚fe-cu冶金互扩散层，扩散层厚度最高可达6.49μm，界面形成连续致密的冶金结合带，无微观缺陷。最优实施例界面剪切强度达274.28mpa，较无ag改性的传统材料提升58.3%，解决了重载剪切工况下界面剥离、开裂失效问题，大幅提升构件服役稳定性。

15、2、耐磨性能显著优化，磨损寿命大幅延长：ag在相界面纳米偏聚可协调硬质δ相与α-cu基体的变形性能，消除相界面应力集中，从根源抑制微裂纹萌生与硬质相脱落。最优工况下材料平均摩擦系数低至0.43，磨损率降至9×10-5mm3·n-1·m-1，耐磨性能较传统材料提升47%以上，有效延长摩擦构件使用寿命。

16、3、工艺兼容性强，适配工业化生产：本发明无需改造传统液-固复合铸造生产线，仅通过微量ag成分调控与精准温控优化即可实现性能升级，工艺流程简单、生产效率高、成本可控，完美适配规模化、工业化批量生产需求。

17、4、材料工况适应性广：通过匹配不同钢基体材质与ag掺杂量，可适配轻载、中载、重载等不同摩擦工况，材料组织均匀性好、力学性能稳定，无明显加工缺陷，产品一致性高。

18、5、性能协同性好：突破传统技术“提升硬度则降低韧性、优化界面则牺牲耐磨性”的局限性，实现界面结合强度、材料韧性、耐磨性能的同步协同提升。

1.一种高结合强度高耐磨铜-钢双金属，包括钢基体以及覆合于所述钢基体表面的铜合金层，其特征在于，所述铜合金层为sn-ni-ag-cu铜合金体系，ag含量为0.5～2.0 wt.%。

2.根据权利要求1所述的一种高结合强度高耐磨铜-钢双金属，其特征在于，钢基体为45号钢、42crmo钢或40crnimoa钢。

3.根据权利要求1所述的一种高结合强度高耐磨铜-钢双金属，其特征在于，所述铜合金层中sn含量为10~15 wt.%、ni含量为1~3 wt.%。

4.根据权利要求3所述的一种高结合强度高耐磨铜-钢双金属，其特征在于，ag含量为1wt.%。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种高结合强度高耐磨铜-钢双金属的制备方法，其特征在于，包括钢基体表面预处理、铜合金熔炼、ag微合金化、钢基体预热、液-固复合浇铸以及随炉冷却。

6.根据权利要求5所述的一种高结合强度高耐磨铜-钢双金属的制备方法，其特征在于，所述钢基体表面预处理是通过喷砂、除油和酸洗去除表面污染物及氧化物，并采用硼砂对处理后的表面进行覆盖，以减少后续加热和浇铸过程中钢基体表面再次氧化。

7.根据权利要求5所述的一种高结合强度高耐磨铜-钢双金属的制备方法，其特征在于，铜合金熔炼和ag微合金化是先将cu和ni熔化，再进行脱氧除气；随后加入sn和ag，并通过搅拌及保温促进合金元素在熔体中的均匀分布。

8.根据权利要求7所述的一种高结合强度高耐磨铜-钢双金属的制备方法，其特征在于，保温的温度为1100~1250℃。

9.根据权利要求5所述的一种高结合强度高耐磨铜-钢双金属的制备方法，其特征在于，将钢基体预热至1000～1100℃后进行浇铸，使铜合金熔体与钢基体之间形成较好的高温接触条件。