專利名稱：新型雙層鋁基復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬金屬復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙層鋁合金與鋼板軋結(jié)而成的多層復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
作為發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)軸承材料它應(yīng)具有良好的抗疲勞性、耐磨性、順應(yīng)性和嵌入性、抗腐蝕性。
我國在七十年代初用軋結(jié)的方法研制成鋁錫20銅合金一鋼雙金屬板。此材料它的工作表面可不加鍍層，直接與曲軸匹配，這對用于發(fā)動(dòng)機(jī)的滑動(dòng)軸承材料來說是一大突破，為以后幾十年內(nèi)汽車工業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等行業(yè)的飛猛發(fā)展起了很大的作用。經(jīng)過幾十年實(shí)踐證明，鋁錫20銅合金由于其錫含量較高(20％)銅含量較低(1％)，合金較軟，其抗疲勞值偏低(Mpa35)，僅適合于中等負(fù)荷、中等速度的發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的升級(jí)換代朝高負(fù)荷，中高等速度小體積方向發(fā)展，因此鋁錫20銅合金已滿足不了發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)的要求。必須開發(fā)新品種合金。根據(jù)資料介紹，金屬鋅能使鋁的抗拉強(qiáng)度及硬度成線性關(guān)系上升，鋅在鋁中可以成固溶態(tài)改變空間點(diǎn)陣間距，因而可降低鋁的粘附性能。根據(jù)鋅元素的特點(diǎn)，在九十年代初國內(nèi)試制了鋁鋅鉛硅合金(AlZn5Si1.5CuPbMg)，它的抗疲勞值(MPa50)，大大高于鋁錫20銅合金，而鋁鋅鉛硅合金的硬度(HB48-58)也遠(yuǎn)高于鋁錫20銅合金(HB30-40)。由于此合金硬度高，其工作表面不能直接使用，必須電鍍一層鉛錫二元合金(Pbsn10)，不然對發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸或連桿的磨損較大。但又因?yàn)楫?dāng)鋅含量過高時(shí)，可能引起應(yīng)力腐蝕裂紋(尤其是熱處理后的開裂)，在表面有鍍層的情況下，鋅可使鍍層粘結(jié)性能下降，還會(huì)對軋結(jié)的粘結(jié)性能產(chǎn)生不利的影響，因此在鋁鋅鉛硅合金上電鍍鉛錫(PbSn10)二元合金難度較大且不穩(wěn)定，鍍層易剝落。鋁鋅鉛硅合金雖有較高的抗疲勞值，由于有上述缺點(diǎn)，作為發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦材料的推廣應(yīng)用性較小。鑒于鋅元素對鋁合金有利和不利的因素，以及鋁錫20銅合金材料本身具有的優(yōu)缺點(diǎn)，為使合金材料的抗疲勞強(qiáng)度值滿足中、高等發(fā)動(dòng)機(jī)需要，申請人確定選用雙層鋁合金與鋼板軋結(jié)成多層復(fù)合材料。多層復(fù)合材料對加工工藝帶來新的挑戰(zhàn)，尤其是多層合金的粘結(jié)牢度、各層的厚度控制，經(jīng)過不斷的探索和試驗(yàn)，攻克了工藝難關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種既有較高的抗疲勞性和耐磨性，又有較好的順應(yīng)性、嵌入性和抗腐蝕性的金屬復(fù)合材料及其制備方法，并將該材料用于高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)的滑動(dòng)軸瓦的制備。
本發(fā)明提出的金屬復(fù)合材料是由雙層鋁合金與鋼板軋結(jié)制成的多層復(fù)合材料，各層的材料組成成分如下1、表面層鋁錫20銅合金，厚度為0.3-0.6mm，a.成份(重量％)Sn17.5-22.5，Cu0.7-1.3，F(xiàn)e≤0.5，Al余量。
b.力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度MPa 95-115，屈服強(qiáng)度MPa 45-60，伸長率％ 20-26，硬度HB 30-40。
c.其金相結(jié)構(gòu)為α基體上鋁錫共晶均勻彌散分布。
2.中間層鋁鋅鉛硅合金，厚度為0.3-0.4mm；a.成份(重量％)Zn4.5-5.5，Pb0.7-1.3，Si1.0-2.0，Cu0.9-1.2，Mg0.4-0.6，Al余量。
b.力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度MPa 190-220，屈服強(qiáng)度MPa 90-105，伸長率％ 17-21，硬度HB 48-58。
c.其金相結(jié)構(gòu)為α基體上鉛硅呈游離狀均勻分布。
將上述兩種鋁基合金材料軋結(jié)成雙鋁合金板，其力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度MPa 115-140，屈服強(qiáng)度MPa 55-70，伸長率％ 18-26，硬度HB 鋁錫20銅 30-40 鋁鋅鉛硅40-503.底層鋼板(例如采用牌號(hào)為SPHC，外購)，厚度為1.5-5.5mm。
a.成份(重量％)C≤0.15，Si≤0.05，Mn≤0.60，P≤0.035，S≤0.035，F(xiàn)e余量。
b.力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度MPa≥270，硬度HB 160-220，伸長率％ ≥31。
上述多層金屬復(fù)合材料的制備方法，包括合金熔鑄、合金處理、雙鋁合金板軋制和復(fù)合板軋制等步驟，具體過程如下①合金熔鑄鋁錫20銅合金以前述組分的重量百分比配制錫、銅、鋁，在熔煉爐中溶煉，熔煉溫度730-750℃，澆鑄成合金錠。例如澆鑄成22×300×700mm的鑄錠。
鋁鋅鉛硅合金以前述組分的重量百分比配制鋅、鉛、硅、銅、鎂、鋁，在熔煉爐中溶煉，熔煉溫度750-770℃，澆鑄成合金鑄。例如澆鑄成22×300×700mm的鑄錠。
②合金處理鋁鋅鉛硅合金a多次熱處理，一般為2-3次，熱處理溫度400-500℃，時(shí)間2.5-3.5小時(shí)，使其組織均勻。
b熱軋，380-410℃。
鋁錫20銅合金用軋結(jié)方法在此合金兩表面包復(fù)純鋁層，以防止熱處理時(shí)錫滲出。
③雙鋁合金板軋制用軋結(jié)的方法把鋁鋅鉛硅合金與包復(fù)純鋁后的鋁錫20銅合金軋成板材。一般控制其軋結(jié)變形量不小于40％，軋結(jié)速度為4-6米/分。
軋結(jié)時(shí)，鋁錫20銅合金為冷軋；鋁鋅鉛硅合金為熱軋，即將鋁鋅鉛硅合金加熱到300-350℃，然后軋制。
④鋼板表面處理清洗、拋光。
⑤用軋結(jié)的方法將雙鋁合金板與鋼板復(fù)合，使其成為多層復(fù)合材料。一般控制其軋結(jié)變形量不小于45％，軋結(jié)速度為4-6米/分，冷軋。
上述方法中關(guān)鍵技術(shù)如下①由于鋁鋅鉛硅合金中鋅的含量較高，而硅及鋅在400℃左右具有最佳熱塑性，故需用熱軋的方式對合金鑄錠進(jìn)行加工。
②為保證鋁鋅鉛硅合金與鋁錫20銅合金之間的粘結(jié)牢度，故在鋁錫20銅合金兩表面上包復(fù)兩層純鋁，它的作用(a)防止熱處理時(shí)低熔點(diǎn)錫滲出影響成份，(b)增強(qiáng)鋁鋅鉛硅合金與鋁錫20銅合金的粘結(jié)力。
③雙鋁合金板的軋制時(shí)，其變形量控制40％以上，以保證雙鋁的牢度不分層，又保證兩層合金的各自厚度要求。
④雙鋁合金板的疲勞強(qiáng)度值取決于雙鋁中兩層合金的厚薄分配以及鋁鋅鉛硅合金中的鉛、硅呈游離狀均勻分布，因此在合金熔煉時(shí)分別添加鋁鈦硼稀土作為晶粒細(xì)化劑(加入量分別為該合金重量的2-2.5％)，使其達(dá)到彌散均勻分布。
⑤雙鋁合金板與鋼板結(jié)合牢度與軋結(jié)力有關(guān)，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，其軋結(jié)變形量控制在45％以上。經(jīng)彎曲試驗(yàn)表明，其粘結(jié)牢度非常好。
由本發(fā)明制得的上述多層金屬復(fù)合材料具有良好的加工工藝性能，雙鋁合金板與鋼板復(fù)合后其結(jié)合性能良好，彎曲試驗(yàn)無分層，合金表面無氣泡、裂紋和雜質(zhì)物。雙鋁合金板具有較高的疲勞強(qiáng)度和承載能力，其工作表面不加鍍層，可直接使用。該多層金屬復(fù)合板可用于制備高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)的軸瓦。其綜合性能優(yōu)于目前常用的軸瓦材料。其性能對比如下表

綜上所述，本發(fā)明的各項(xiàng)性能指標(biāo)高于鋁錫20銅合金，與銅鉛合金相仿，同時(shí)本發(fā)明具有工作表面不加鍍層可直接與軸匹配等特點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
表面層鋁錫20銅合金Sn％Cu％ Fe％Al％19.68 1.2 0.34 余量；硬度值HB 32.4；中間層鋁鋅鉛硅合金Zn％Cu％Mg％Pb％Si％Al％4.52 0.99 0.58 1.28 1.47 余量；硬度值HB 46；底層鋼板，采用SPHC。
力學(xué)性能符合要求，經(jīng)180°彎曲多層復(fù)合材料無分層。
實(shí)施例2表面層鋁錫20銅合金Sn％Cu％Fe％Al％19.3 1.15 0.31 余量；硬度值HB 33.2；中間層鋁鋅鉛硅合金Zn％Cu％Mg％Pb％Si％Al％4.72 0.93 0.56 1.34 1.53 余量；硬度值HB 42；底層鋼板，采用SPHC。
力學(xué)性能符合要求，經(jīng)180°彎曲多層復(fù)合材料無分層。
實(shí)施例3表面層鋁錫20銅合金Sn％Cu％Fe％Al％18.9 1.03 0.23 余量；硬度值HB 34.2；中間層鋁鋅鉛硅合金Zn％Cu％Mg％Pb％Si％Al％4.96 1.03 0.48 1.43 1.64 余量；硬度值HB 43.2；底層鋼板，采用SPHC。
力學(xué)性能符合要求，經(jīng)180°彎曲多層復(fù)合材料無分層。
實(shí)施例4表面層鋁錫20銅合金Sn％Cu％Fe％Al％19.3 1.07 0.36 余量硬度值HB 34.2中間層鋁鋅鉛硅合金Zn％Cu％Mg％Pb％Si％Al％5.11 1.08 0.43 1.54 1.32 余量硬度值HB 43.6；底層鋼板，采用SPHC。
力學(xué)性能符合要求，經(jīng)180°彎曲多層復(fù)合材料無分層。
實(shí)施例5表面層鋁錫20銅合金Sn19.28％，Cu1.02％，F(xiàn)e0.38％，Al余量；硬度值HB 33.5；中間層鋁鋅鉛硅合金Zn4.50％，Cu0.97％，Mg0.56％，Pb1.28％，Si1.6％，Al余量。
硬度值HB 48；雙鋁合金板的力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度MPa 130，屈服強(qiáng)度MPa 64，伸長率％24，彎曲180°，無分層。
上實(shí)施例中制備工藝參數(shù)選取如下


上述實(shí)施例制備的多層復(fù)合材料均具有優(yōu)良的機(jī)械力學(xué)性能和工藝加工性能，可以用作各種高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承材料。
權(quán)利要求
1.一種雙層鋁基復(fù)合材料，其特征在于由雙層鋁合金與鋼板軋結(jié)制成，其各層組成成分如下表面層鋁錫20銅合金，厚度為0.3-0.6mm，按重量％計(jì)的成份Sn17.5-22.5，Cu0.7-1.3， Fe≤0.5，Al余量；中間層鋁鋅鉛硅合金，厚度為0.3-0.4mm；按重量％計(jì)的成份Zn4.5-5.5， Pb0.7-1.3， Si1.0-2.0，Cu0.9-1.2， Mg0.4-0.6， Al余量。底層鋼板，厚度為1.5-5.5mm。
2.一種如權(quán)利要求1所述的雙層鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下①合金熔鑄鋁錫20銅合金以所述組分的重量百分比配制錫、銅、鋁，在熔煉爐中溶煉，熔煉溫度730-750℃，澆鑄成合金錠；鋁鋅鉛硅合金以所述組分的重量百分比配制鋅、鉛、硅、銅、鎂、鋁，在熔煉爐中溶煉，熔煉溫度750-770℃，澆鑄成合金鑄；②合金處理鋁鋅鉛硅合金a多次熱處理，熱處理溫度400-500℃，時(shí)間2.5-3.5小時(shí)，使其組織均勻；b熱軋，380-410℃；鋁錫20銅合金用軋結(jié)方法在此合金兩表面包復(fù)純鋁層，以防止熱處理時(shí)錫滲出；③雙鋁合金板軋制用軋結(jié)的方法把鋁鋅鉛硅合金與包復(fù)純鋁后的鋁錫20銅合金軋成板材；④鋼板表面處理清洗、拋光；⑤用軋結(jié)的方法將雙鋁合金板與鋼板復(fù)合，使其成為多層復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述兩種合金熔鑄時(shí)，分別加入晶粒細(xì)化劑鋁鈦硼稀土，加入量為該合金重量的2-2.5％。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述雙層鋁合金板軋制時(shí)，軋結(jié)變形量不小于40％，軋結(jié)速度為4-6米/分；軋結(jié)時(shí)，鋁錫20銅為冷軋，鋁鋅鉛硅為熱軋先加熱到300-350℃，然后軋制。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述雙層鋁合金板與鋼板軋制時(shí)，軋結(jié)變形量不小于45％，軋結(jié)速度為4-6米/分，冷軋。
全文摘要
本發(fā)明屬金屬復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種雙層鋁合金板與鋼板軋結(jié)而成的多層金屬復(fù)合材料。其表面層為鋁錫20銅合金，中間層為鋁鋅鉛硅合金，底層為鋼板。多層復(fù)合材料的制備方法包括合金的熔鑄，合金的熱處理、雙鋁合金板的軋制和復(fù)合板軋制等步驟，這里涉及熔鑄溫度的控制，熱處理溫度的控制，軋結(jié)變形量、軋結(jié)溫度和軋結(jié)速度的控制等。本發(fā)明制備的多層復(fù)合材料具有良好的抗疲勞性、耐磨性、順應(yīng)性和嵌入性，可用于制備高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)的滑動(dòng)軸瓦材料。
文檔編號(hào)B23P23/00GK1817634SQ200610024749
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者唐根興, 丁迪華 申請人:上海云瀛復(fù)合材料有限公司