專利名稱：一種軸瓦帶材及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料加工領(lǐng)域，涉及一種軸瓦帶材及其生產(chǎn)方法，尤其涉及用于加工生產(chǎn)高載荷滑動(dòng)軸承的軸瓦帶材及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
用于汽車或工程機(jī)械中的滑動(dòng)軸承，通常對(duì)軸承的疲勞強(qiáng)度、耐磨性以及表面性能具有較高的要求。目前，市場(chǎng)上主流的軸承合金一般為Al-20Sn-Cu和Cu-Pb合金，并且軸瓦帶材通常為雙金屬材料鋼帶層和合金層。由于Al-20Sn-Cu合金中含有較高的錫，可達(dá)到20％，因此這種合金具有良好的表面性能，包括材料的順應(yīng)性和鑲嵌性，不足之處是這種合金的疲勞性能和耐磨性能較差，通常用于具有較輕載荷要求的滑動(dòng)軸承生產(chǎn)，由于這種合金具有較好的軋制變形能力，因此通常在開方式的平輥上進(jìn)行復(fù)合軋制。而Cu-Pb合金具有較好的疲勞性能，但材料的表面性能較差，而且Cu-Pb軸承通常采用粉末冶金燒結(jié)工藝生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低、成本較高，另外銅與其他金屬的電極電位相差較大，容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，同時(shí)Pb還是環(huán)境污染元素。當(dāng)今隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高，對(duì)軸瓦材料提出了更高的性能要求，傳統(tǒng)的Al-20Sn-Cu和Cu-Pb合金不能滿足高性能、低成本及環(huán)保的要求。
公開號(hào)為CN 1358584A和CN 1334353A的發(fā)明專利，申請(qǐng)保護(hù)是用于軸承的鋁合金板的制備方法和鋁軸承合金。軸承合金為Al-Sn-Si-Fe連鑄的鋁合金板，以軟金屬錫相為主，含量3％～40％，一定量的強(qiáng)化共晶硅相，含量為0.5％～7％，和0.05％～2％的鐵以及其他少量的強(qiáng)化合金元素，據(jù)專利介紹軸瓦帶材為雙金屬結(jié)構(gòu)，采用凹輥和凸輥軋制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)的Al-20Sn-Cu和Cu-Pb合金不能滿足高性能、低成本及環(huán)保的要求的問題，提出一種軸瓦帶材，其特征在于所述軸瓦帶材具有三層結(jié)構(gòu)，包括外層金屬鋼帶層、中間耐磨合金層和內(nèi)層減磨合金層。耐磨合金層為Al-Si-Sn-X連鑄的鋁合金板，以硅為主要合金化元素，形成粒狀硬質(zhì)點(diǎn)共晶硅相，其含量為3％～12％；孤島狀的軟錫相為輔，含量為3％～12％以及其他少量的強(qiáng)化合金元素的軟硬質(zhì)點(diǎn)共存耐磨組織。減磨合金層為鋁基合金，其中含有20％～40％Sn的及0.01％～2％Cu。該軸瓦帶材的制備方法是在閉模中軋制，即是由平輥和凹輥組成的閉模進(jìn)行軋制。
該軸瓦帶材大大改善軸承合金的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，疲勞強(qiáng)度可以達(dá)到或接近Cu-Pb合金水平，而材料的耐磨性優(yōu)于Cu-Pb合金，同時(shí)克服了環(huán)境污染問題。


圖1是本發(fā)明制備軸瓦帶材的閉模軋輥；圖2是合金板錠連鑄工藝示意圖；圖3是多層合金板材的一次軋制成形工藝示意圖；圖4是多層合金板材的分步成形工藝第一步；圖5是多層合金板材的分步成形工藝第二步；圖6是本發(fā)明的軸瓦帶材的成型軋制示意圖；圖7是球鐵曲軸與軸瓦配合時(shí)的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的軸瓦帶材具有三層結(jié)構(gòu)，包括一層起支撐作用的金屬鋼帶層、一個(gè)滑動(dòng)摩擦付中起抗磨作用的耐磨合金層和一個(gè)改善滑動(dòng)摩擦付表面性能的減磨合金層。其中耐磨合金層應(yīng)具有比傳統(tǒng)的20高錫鋁基軸承合金更高的承載能力、抗疲勞強(qiáng)度值和耐磨性能，為Al-Si-Sn-X連鑄的鋁合金板，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，耐磨合金層的成分為3％～12％的Si、3％～12％Sn以及0.01％～2％Cu、Ti、B、Zr、Mn、Ni、Cr、Sr等合金元素中的一種或多種，余下的為Al；耐磨合金層以硅為主要合金化元素，形成粒狀硬質(zhì)點(diǎn)共晶硅相，孤島狀的軟錫相為輔，其他少量的強(qiáng)化合金元素的軟硬質(zhì)點(diǎn)共存的耐磨組織。由于耐磨合金層為Al-Si-Sn-X，材料的表面性能較差，為了獲得具有較好表面性能的軸瓦帶材，必須復(fù)合一層減磨合金層，本發(fā)明通過提高錫含量來改善傳統(tǒng)的Al-20Sn-Cu軸承合金的表面性能，用作多層軸瓦帶材的減磨合金層，減磨合金層為鋁基合金，其錫含量可以提高到30％～40％，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，其成分為20％～40％Sn、0.01％～2％Cu，余下的為Al。鋼帶為具有較好的韌性和承載能力的低碳合金鋼。該軸瓦帶材采用平輥和凹輥閉模軋制，為了改善金屬間結(jié)合強(qiáng)度，在復(fù)合軋制時(shí)，需在每層金屬間增加一層中間過渡層，中間過渡層可以為純鋁層、純鎳層或低合金含量的變形鋁合金層。
本發(fā)明采用新的Al-Si-Sn-X合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Al-20Sn-Cu合金，由于Al-Si-Sn-X軸承合金為鋁基體，主要通過元素硅，及少量的其他固溶強(qiáng)化元素如Cu、Ti、Mn、Ni、Cr、Sr等進(jìn)行強(qiáng)化，另外加上錫相成孤島狀均勻分布鋁基體中，形成在鋁基體中均勻分布有耐磨的硬質(zhì)點(diǎn)共晶硅，同時(shí)還含有減磨的軟質(zhì)點(diǎn)錫相這種典型的耐磨組織，大大改善軸承合金的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，疲勞強(qiáng)度可以達(dá)到或接近Cu-Pb合金水平，而材料的耐磨性優(yōu)于Cu-Pb合金。但由于鋁硅合金硬度較高，合金的表面性能較差，因此帶材必須復(fù)合一層減磨合金層，來改善合金的表面性能，減磨合金層采用比傳統(tǒng)的Al-20Sn-Cu合金表面性能更好的合金，如將Al-20Sn-Cu合金中的錫含量提高到20％～40％水平，加上鋼帶層。另外一個(gè)方面，由于軸承合金中含有較高的硅，為了保證合金層與中間過渡層的結(jié)合強(qiáng)度，在較大壓下量的情況下，一般為30％～50％，傳統(tǒng)的開模平輥軋制工藝，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致耐磨合金層軋制過程中沿兩邊開裂問題，使得軋制的成材率低。如果采取多道次低壓下量工藝軋制，一方面生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，另一方面結(jié)合強(qiáng)度不足。因此，這種軋制性能較差的鋁硅合金必須在封閉型腔的軋輥中進(jìn)行軋制，如圖1所示，該具有封閉型腔的軋輥是由平的上軋輥1和帶凹槽的下軋輥3組成，在上下軋輥之間形成封閉軋輥區(qū)2，由于合金板兩邊的變形受到封閉軋輥區(qū)2的限制，沿邊開裂的可能性大大降低。
下面介紹耐磨鋁硅合金的設(shè)計(jì)原則JP-A-58-64332提出在鋁基軸承合金中加入一定質(zhì)量的硅，可改善軸承的耐磨性能和抗擦傷性能。目前，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本，采用球鐵曲軸代替原用的鍛鋼制曲軸，這樣與傳統(tǒng)的軸承合金軸瓦相配時(shí)，容易造成軸瓦的擦傷。如圖7所示，球鐵曲軸5與軸瓦4相匹配，加工暴露出來的牛眼狀的石墨6周圍包圍著鐵基體，由于石墨球的露出使得鐵基體不再連續(xù)，因此在石墨球周圍的7處形成鋒利的刃邊，如果與之相配的軸瓦為較軟的Al-20Sn-Cu合金，會(huì)引起軸瓦的擦傷，但是如果采用本發(fā)明Al-Si-Sn-X耐磨合金軸瓦，由于材料中含有大量的顆粒狀的硬質(zhì)點(diǎn)共晶硅，對(duì)刃邊起到研磨拋光作用，不會(huì)造成軸瓦的擦傷。通常隨著硅含量的增加合金的承載能力、疲勞強(qiáng)度和耐磨性都會(huì)有所改善，但材料的軋制性能和表面性能下降。因此選擇硅的質(zhì)量百分含量在3％～12％的范圍內(nèi)。
傳統(tǒng)的鋁基軸承合金中，錫是改善合金的軸承性能的重要元素，由于孤島狀的錫相均勻地分布在鋁基體中，形成典型的硬基體軟質(zhì)點(diǎn)的耐磨組織，由于錫的加入改善了合金的表面性能，另外在軸瓦與軸非正常接觸時(shí)，會(huì)造成局部的溫度升高，低熔點(diǎn)的錫熔化，對(duì)軸瓦與軸起到液態(tài)潤(rùn)滑作用。隨著錫含量的增加合金的表面性能和軋制性能有所增加，但承載能力降低。因此選擇錫的質(zhì)量百分含量在3％～12％的范圍內(nèi)。
通過對(duì)鋁基體的固溶強(qiáng)化，可以改善軸承合金的承載能力和疲勞強(qiáng)度，這些固溶強(qiáng)化元素包括Cu、Mn、Ni、Cr，在合金中加入Ti、B、Zr元素可以細(xì)化鋁合金中的α相，改善軸承合金的性能，另外由于本發(fā)明的軸承耐磨合金為鋁硅合金，含有較多的共晶硅，在凝固中容易造成共晶組織粗大，因此必須對(duì)合金中的共晶硅進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)劑可采用含Sr的長(zhǎng)效變質(zhì)劑。因此可以添加一種或幾種含量為0.01％～2％Cu、Ti、B、Zr、Mn、Ni、Cr、Sr等合金元素來改善研制軸承合金的性能。
該軸瓦帶材的制備方法是在閉模中軋制，其加工過程是首先進(jìn)行耐磨合金板錠及減磨合金板錠連鑄，采用合金板錠連鑄結(jié)晶裝置進(jìn)行合金板錠11的連鑄，如圖2所示，液態(tài)金屬8在具有水冷通道的結(jié)晶器9中結(jié)晶，在平輥10的驅(qū)動(dòng)下連鑄出壁厚均勻的耐磨合金板錠、減磨合金板錠11，板錠退火處理后進(jìn)行雙面銑，待用。
然后對(duì)耐磨合金板錠和減磨合金板錠進(jìn)行疊合軋制，軋制可以采用一次成形工藝或分步成形工藝。一次成形工藝如圖3所示，是將純鋁板12、13、16以及減磨合金板3和耐磨合金板15，進(jìn)過表面打磨后疊放在一起，在具有封閉型腔的軋輥17中進(jìn)行閉模軋制，獲得壁厚均勻的多層結(jié)構(gòu)的合金板材18，退火后用于軸瓦帶材的加工。任意一道軋制工藝前板錠需進(jìn)行必要的退火處理，耐磨合金板的軋制必須在具有封閉型腔軋輥上軋制。
分步成形工藝包括兩步第一步如圖4所示，先將耐磨合金層及減磨合金層19分別包覆純鋁20、21后在閉模軋輥22中軋制，然后將包復(fù)好純鋁的耐磨合金及減磨合金層23進(jìn)行必要的退火處理；第二步如圖5所示，將包復(fù)好純鋁的耐磨合金24與減磨合金層25疊合，在具有封閉型腔的軋輥中26軋制，得到壁厚均勻的多層結(jié)構(gòu)的合金板材18，退火后用于軸瓦帶材的加工。
最后是軸瓦帶材軋制成型，如圖6所示，將多層合金板18和鋼帶27經(jīng)過打磨處理后疊合，然后在具有封閉型腔的軋輥28中進(jìn)行閉模軋制，獲得壁厚均勻的軸瓦帶材29，經(jīng)過退火處理后用于滑動(dòng)軸承的軸瓦加工。
權(quán)利要求
1.一種軸瓦帶材，其特征在于所述軸瓦帶材包括外層金屬鋼帶層、中間耐磨合金層和內(nèi)層減磨合金層三層結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的軸瓦帶材，其特征在于所述耐磨合金層為Al-Si-Sn-X連鑄的鋁合金板，其成分的質(zhì)量百分比為3％～12％的Si、3％～12％Sn以及0.01％～2％其他強(qiáng)化合金元素，余下的為Al。
3.如權(quán)利要求2所述的軸瓦帶材，其特征在于所述其他強(qiáng)化合金元素包括Cu、Ti、B、Zr、Mn、Ni、Cr、Sr。
4.如權(quán)利要求1所述的軸瓦帶材，其特征在于所述減磨合金層為鋁基合金，其成分的質(zhì)量百分比為20％～40％Sn及0.01％～2％Cu，余下的為Al。
5.如權(quán)利要求1所述的軸瓦帶材，其特征在于所述鋼帶為具有較好的韌性和承載能力的低碳合金鋼。
6.如權(quán)利要求1所述的軸瓦帶材的制備方法是在閉模中軋制，即是由平輥和凹輥組成的閉模進(jìn)行軋制。
7.如權(quán)利要求6所述的軸瓦帶材制備方法，其特征在于所述軋制過程中在每層金屬間增加一層中間過渡層，中間過渡層為純鋁層、純鎳層、低合金含量的變形鋁合金層。
8.如權(quán)利要求6所述的軸瓦帶材制備方法，其加工工藝步驟為A、連鑄耐磨合金板錠采用合金板錠連鑄結(jié)晶裝置進(jìn)行合金板錠的連鑄，液態(tài)金屬在具有水冷通道的結(jié)晶器中結(jié)晶，在平輥驅(qū)動(dòng)下連鑄出壁厚均勻的耐磨板錠，板錠退火處理后進(jìn)行雙面銑，待用；B、連鑄減磨合金板錠采用合金板錠連鑄結(jié)晶裝置進(jìn)行合金板錠的連鑄，液態(tài)金屬在具有水冷通道的結(jié)晶器中結(jié)晶，在平輥驅(qū)動(dòng)下連鑄出壁厚均勻的減磨板錠，板錠退火處理后進(jìn)行雙面銑，待用；C、對(duì)耐磨合金板錠、減磨合金板錠進(jìn)行軋制，制得壁厚均勻的多層結(jié)構(gòu)的合金板材，退火，待用；D、對(duì)上述多層合金板和鋼帶打磨后疊合進(jìn)行閉模軋制，制得壁厚均勻軸瓦帶材，退火。
9.如權(quán)利要求8所述的軸瓦帶材制備方法，其特征在于所述耐磨合金板錠、減磨合金板錠的軋制工藝為一次成形將純鋁板、減磨合金板和耐磨合金板經(jīng)過表面打磨后疊放在一起，在具有封閉型腔的軋輥中進(jìn)行閉模軋制，制得壁厚均勻的多層結(jié)構(gòu)的合金板材。
10.如權(quán)利要求8所述的軸瓦帶材制備方法，其特征在于所述所述耐磨合金板錠、減磨合金板錠的軋制工藝為分步成形A、將耐磨合金層、減磨合金層分別包覆純鋁后在閉模軋輥中軋制，退火處理；B、再將包復(fù)好純鋁的耐磨合金與減磨合金層疊合在具有封閉型腔的軋輥中軋制，得到壁厚均勻的多層結(jié)構(gòu)的合金板材。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軸瓦帶材，其特征在于所述軸瓦帶材具有三層結(jié)構(gòu)，包括外層金屬鋼帶層、中間耐磨合金層和內(nèi)層減磨合金層。耐磨合金層為以硅主要合金化元素，孤島狀的軟錫相為輻，以及其他少量的強(qiáng)化合金元素的軟硬質(zhì)點(diǎn)共存耐磨組織。減磨合金層為鋁基合金。該軸瓦帶材的制備方法是在平輥和凹輥組成的閉模中軋制而成。該軸瓦帶材大大改善軸承合金的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，疲勞強(qiáng)度可以達(dá)到或接近Cu－Pb合金水平，而材料的耐磨性優(yōu)于Cu－Pb合金，同時(shí)克服了環(huán)境污染問題。
文檔編號(hào)F16C33/04GK1546878SQ20031011149
公開日2004年11月17日 申請(qǐng)日期2003年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月28日
發(fā)明者雷健, 鄭宇新, 王澤忠, 雷 健 申請(qǐng)人:東風(fēng)汽車有限公司