浅谈冶金设备中钢背铜材料的推广及使用

[摘 要]鉴于采用离心熔铸工艺生产的钢背铜基合金衬套在铁路机车车辆中的成功应用，特引用此材料在冶金设备中使用，本文主要从材料的选用，钢与铜的附着工艺进行分析总结，使用钢背铜替代纯铜材料不仅使用性能更好，而且能降低了制造成本，从而实现降本增效的效果。

[关键词]钢背；铜基合金；冶金；螺母

中图分类号：TM2441 1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0399-02

[Abstract]In view of the centrifugal casting process of steel back of copper alloy bushing in the successful application of railway locomotive vehicle， reference the material used in the metallurgical equipment， mainly from the selection of materials， steel and copper in the adhesion process are analyzed and summarized， use the steel back of copper instead of pure copper materials not only performance is better， and can reduce the manufacturing cost， so as to realize authors synergistic effect.

[Key words]Steel；Copper alloy；metallurgical；nut

0.引言

冶金设备轧机中调整螺母、承压法兰、衬板、衬套使用量非常大，这些零件在以前一直使用ZCuAl10Fe3材料，考虑到在轧钢实际使用环境中设备频繁受到各种冲击力，而往往设计部门将这些零部件厚度加大来提高安全系数，螺母壁厚在25mm以上，承压法兰壁厚在10mm以上，衬板厚度在17mm以上，衬套壁厚在5mm以上，在实际使用中如果磨损超过2mm就会影响设备使用，达到报废条件需要替换备件。由此可见，以往铜制零件在应用中造成巨大的材料浪费。现在冶金行业竞争激烈，利润非常低，所以我们尝试着引进钢背铜这种材料来替代纯铜，在实际使用中取得良好的效果，能降低约36%的成本。钢背铜合金因其具有较高的疲劳强度，承载能力，硬度和耐磨性所以完全有取代铜的理由。

钢背铜是一种近年来在汽车、农机、矿山纺织、石油、冶金、工程机械等各个行业广泛使用的产品，其原理是以钢材料为基体，采用先进工艺将铜合金与之高温烧结后紧密结合成一体，然后加工成所需形状和尺寸。一般钢套在外层，薄铜套在内层，故称之为钢背铜套。外层钢套材料便宜，有较好的强度和抗冲击性能，内层的铜套在工作温度下具有足够的抗压强度和疲劳强度，以及良好的耐磨性和一定的塑性及韧性。这样的结构和工艺所制造出零件。在保证了其最佳使用性能的基础上降低了生产成本，并且不会提高生产加工难度，同以往材料的调整螺母相比，具有较大的优越性和推广性。

1.材料选用

1.1一般在冶金行业中最常用的铜合金为10-10铅青铜，10-3铝青铜，这两种材料牌号和化学成分应符合GB1176-87规定，具体要求见表1

1.2 铜合金材料的特性和应用举例（见表2），参照GB 1176-87

经铸造厂家反复试验以上两种材料，ZCuAl10Fe3铸造流动性、耐磨性都不如ZCuPb10Sn10，钢背铜复合一起ZCuAl10Fe3成品率也不如ZCuPb10Sn10，最终选择ZCuPb10Sn10为铜材。

1.3 钢体本着降低成本的原则去选择，只要钢材的基本性能满足使用要求即可。所以我们选择Q345低合金钢。钢材料牌号和化学成分（熔炼成分）应符合GB/T1591规定，具体要求见表3

2.钢背铜合金制造技术要求

以下以调整螺母为例，简析制造技术要求：

2.1 螺纹齿根部与钢结合厚度不小于4mm，法兰套根部两者结合厚度不小于3mm。

2.2 钢硬度应达到 HB230-250

2.3钢与铜合金应结合牢固，必须满足实际使用要求。

2.3.1根据轧机在轧制过程中产生的最大轧制力分配到单根拉杆上轧制力为45吨，施加在调整螺母均大于轴向力做产品载荷试验。

2.3.2对钢与铜合金结合质量做超声波检验，缺陷级别应不超过TB/T2959-1999中表2规定的A级。所有零件表面应100%进行超声波检验。

2.4产品表面不允许有裂纹，毛刺，磕碰伤和压痕等缺陷。

3.制造工艺过程简析

钢与铜复合的工艺方法很多，有静止浇注、液态浇注、离心浇注、离心熔铸、粉末烧结、镶嵌等。

在我们这次试用中我们选择离心浇注，该工艺适用于批量生产，内部组织致密，无气孔夹杂等缺陷，综合力学性能较高，但在离心力作用下容易产生偏析现象。锡青铜、铅青铜易产生逆向偏析，即铸件表层中锡含量较多，这种区域性偏析应以预防为主，一般有以下措施：（1）选择成分合适的合金，控制熔炼工艺使合金成分均匀；（2）合理的铸件结构，即避免厚大断面；（3）正确控制冷却速度。

离心浇注是将熔化好的铜合金溶液浇注到在离心机中旋转的钢体内，离心力的作用下合金与钢体附着在一起，浇注前的准备工艺，首先需要在钢体内部车制特定形状的工艺槽，清洗干净，如果需要放置时间长需要对钢体做挂硼砂处理，在浇注过程中需要将钢体加热到一定温度然后将融化的铜合金进行离心浇注，在多次实践中发现温度控制是影响附着效果的关键，除此之外天气变化对产品的合格率影响也比较大，空气温度，湿度都能影响铜合金内部质量。

以下图（1）、图（2）、图（3）是冶金行业短应力轧机中最主要的零件，以前是全铜件，经过改进为钢背铜材料后效果图如下：

如图所示，我们只需要在有耐磨要求的面附着合适厚度的铜，其余部位使用钢来代替，这种材料有两个优点：

（1）能够达到耐磨要求，大大减少了铜的浪费，节约很大的成本。

（2）钢的强度高，增加了零件的抗拉强度和疲劳强度。（在某些套类零件中作用明显）

缺点就是钢部位抗腐蚀能力相对差些，像螺母这类件安装在内腔里，有不断的干油不会产生腐蚀。法兰套，滑板有部分在空气表面，钢厂工作环境差，轧钢过程何中有大量的水冷却轧辊，部位会腐蚀生锈。轧机的其他部位全部是钢做成的如果生锈会是同步进行，所以这个缺点在不影响使用的情况下我们是可以接受的。

4.成品质量检查

4.1对钢与铜结合强度检查

4.1.1铲凿法---用宽13mm 磨成60°角刃的钢凿，沿合金结合处凿约13mm，钢背上留有铜合金为合格，反之不合格，应加倍复试，若仍有不合格，则该批产品不合格。

4.1.2压力测试---将双金属轴套加工成如图（4）样块形状，然后在压力机上按图（4）的方法将铜层冲下来，做三次冲剪试验，记录压力P分别为40吨、38吨、33吨。铜层脱落后，发现结合面很粗糙，说明结合良好。经计算可以得出钢与铜结合面的抗剪强度为 28.5、30.7、24.7公斤/毫米2，基本接近10-10铅青铜的抗剪强度。

5.初步使用效果

以上从材料的选择，铸造复合工艺的研究，验收的办法都做了比较详细的说明，我们初次属于试制阶段，先对两台轧机材料进行了替换，并做了如下步骤的试制跟踪。

一、将检验合格的钢背铜零件安装到轧机中，在车间内部做空载打压试验，利用液压马达驱动压下调节轧辊上下运动，检验螺母的使用情况，用液压缸拉动轧机本体在静底座下来回滑动检验滑板钢背铜复合面的结合情况。

二、在我厂装配试车合格后将轧机发往现场，安装调试好，过钢热负荷下检验钢背铜的实际使用效果，钢厂已投产运行无不良反应，对此种钢背铜复合检验合格。

三、试制成功后，我们将在一些大项目中批量投入生产，在批量生产中，能节约36%的成本，真正实现了降本增效。

6.结束语

钢背铜综合了钢与铜合金的各自优点，即具有较高的结构强度，较大的承载能力，极好的尺寸稳定性，优良的导热性，又具有较好的摩擦、磨损性能，以及较宽的使用温度等，其突出的特点可替代大型厚壁铸铜件，节约大量的有色金属铜材，因此该种复合材料有相对铜重量轻、价格低的特点，有着广泛的应用领域和显著的经济价值。

参考文献

[1] 孙桐章，机械加工工艺学[M]，北京：航空港工业出版社，1990年.

[2] 张金凤，金属材料的工艺性能[M]，北京：机械工业出版社，2010年.

[3] 中国重型机械工业协会，重型机械标准，云南：云南科技出版社，2008年.

作者简介

[1]马瑞刚（1987-），男，山西，学士，助理工程师，毕业于西安西京学院。

[2]陈佳伟（1987-），男，山西，学士，助理工程师，毕业于太原科技大学。