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摩擦学设计中广泛采用软/硬配对的结构形式，其中双金属铸件因成本低、易于组织生产而在军、民品液压泵及马达中获得广泛运用。我厂工程机械与航空用液压泵及马达中的主要摩擦副——转子和配油盘就大量选用锡铅青铜/35钢双金属结构。然而，随着液压泵向高速、高压、大流量、轻量化方向的发展，原用传统的双金属件的铜合金层，因其强度(硬度)低、组织不致密、铅偏析严重、与钢基体结合不好以及抗磨性能差等缺点，已不能满足使用要求。为此，我们对铜合金层的成分进行了重新设计，并对铸造和热处理工艺进行了改进，从而使其组织更致密、铅偏析明显改善，硬度及抗磨性能获得了显著提高。
1 成分设计及制造工艺
铜合金层的设计成分见表1。铜合金采用中频感应炉熔炼。35钢基体经吹砂、清理干净待浇注表面后，在硼砂和铜焊粉的保护下预热，然后在横向振动频率为14000Hz、振幅为1.5mm的振动平台上进行动态浇注。
2 性能检测
新、老合金各浇注了两个炉次，分别进行了化学成分分析以及硬度、结合强度、抗磨性能和金相组织的检查。其中抗磨性能试验还进行了台架考核。
2.1 无损检查
无损检查采用CTS-23型宽频探伤仪按企业标准Q/17DYJ-324要求检查。结果表明，钢基体、铜合金层及其结合区均无裂纹、裂缝和孔洞。
2.2 硬度
从距钢基体2 mm的铜合金层中测得的5个试样的平均维氏硬度为：新合金92HV5，老合金58HV5，前者比后者提高了58.6%。
3.1 钢基体与铜合金层的结合强度
钢基体在脱水硼砂和助熔剂铜焊粉的保护下，硼砂和铜合金熔炼覆盖剂(主要成分为SiO2)在高温下与金属氧化物发生反应，生成流动性很好的复合熔渣，从而使钢基体待浇注表面净化，消除了原子扩散屏障，使铜合金层与钢基体达到牢固结合。
3.2 硬度
锡铅青铜是在二元锡青铜的基础上添加铅获得的。铅基本不溶于锡青铜，而以纯组元状态分布于合金中，起改善合金切削性能和降低摩擦系数的作用。铅相质软，合金中含铅量高时硬度便会下降。一般生产条件下，合金的结晶过程是一个非平衡过程。由Cu-Sn二元相图可知，锡青铜含锡量大于7%后，其铸态组织中就会出现(α+δ)共析体，且含锡量越高，其共析体组元的含量也越高。共析体中的δ相是以电子化合物Cu3Sn8为基的固溶体，具有硬度高、耐磨的特点。新合金比老合金的锡含量提高了26%，而铅含量却降低24%，故相比之下，新合金层含有较多的(α+δ)共析体，而纯组元铅却较少；新合金还提高了镍和锌的含量，镍具有强化基体的功能，而锌具有除气和缩小合金结晶温度范围的作用，故使合金层的组织致密度提高；此外，新合金采用高频率机械振动结晶，非自发形核数目大大提高，晶粒细化。因此新合金层具有更高的硬度和强度。
3.3 铅偏析
在锡铅青铜中，铅因密度大、熔点低而易于产生比重偏析和枝晶偏析。新合金利用稀土的强烈活性，降低铅及其它杂质对基体的润湿性能，使铜合金中的铅相由条状、片状转变为主要以点状和球状分布［1］；加上晶粒细化，使铅偏析得到显著改善。另外，新合金采用比老合金低200℃的温度去应力，也避免了去应力过程中再次引起铅偏析。
3.4 磨损性能
新、老合金比较，由于新合金层具有更高的硬度和强度，在摩擦磨损过程中产生塑性变形、裂纹萌生以及扩展所消耗的能量就更多［2］；另一方面，新合金层组织更致密、铅相分布更均匀，更有利于均匀磨损。所以在工况一定和配对副相同的情况下，新合金具有更高的抗磨性能。
4 结论
通过对双金属件铜合金层成分的重新设计、浇注工艺和热处理工艺的改进，并采用稀土变质处理，使其铜合金层的组织更致密，铅相分布更合理，硬度和抗磨性能得到了显著提高。■
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