專(zhuān)利名稱(chēng)：鑄造鋁鉛合金滑動(dòng)軸承材料及其制備工藝和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鑄造鋁鉛合金滑動(dòng)軸承材料及其制備和軋制工藝，屬于金屬材料類(lèi)。
由于鋁鉛合優(yōu)良的比強(qiáng)度(單位重量強(qiáng)度值)，耐蝕性和導(dǎo)熱性，鋁基軸承材料的研究一直受到各國(guó)材料及工程研究者的重視。尤其是近年來(lái)隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的巴比特合金及鉛青銅作為汽車(chē)軸承合金正在被鋁基軸承合金所取代。早期鋁基軸承合金中，為增強(qiáng)基體和潤(rùn)滑性能，尤其是抗咬死性，往往加入錫、鎘、鋅、銦等元素，但這些元素的加入，使合金的制作與加工成本明顯上升，導(dǎo)致汽車(chē)的成本增加。近年來(lái)，由于鋁鉛合金以其尤良的綜合性能和低的造價(jià)，作為軸承合金，已受到一些汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)的重視，使鋁鉛合金有可能成為汽車(chē)，尤其是輕型車(chē)與轎車(chē)的最重要的軸承材料。但該項(xiàng)技術(shù)目前僅為極少數(shù)國(guó)家壟斷，尚無(wú)詳細(xì)材料介紹。該項(xiàng)技術(shù)目前在我國(guó)僅有少數(shù)大學(xué)，科研機(jī)構(gòu)在研究，但均未成為產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)汽車(chē)使用的仍然是高錫鋁合金或銅基軸承，使發(fā)動(dòng)機(jī)的成本上升及整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性下降。我國(guó)汽車(chē)工業(yè)振興規(guī)劃綱要中提出到2000年將形成年產(chǎn)汽車(chē)250～300萬(wàn)輛的能力，其中輕型車(chē)加轎車(chē)占有的比例超過(guò)50％，而到2010年達(dá)到600萬(wàn)輛，輕型車(chē)和轎車(chē)占的比例超過(guò)70％。因此，要使我國(guó)汽車(chē)生產(chǎn)達(dá)到綱要規(guī)定的目標(biāo)，并參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，研究開(kāi)發(fā)鋁鉛合金，降低造價(jià)，提高整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性已是當(dāng)務(wù)之急。
本發(fā)明的目的在于提供一種綜合性能優(yōu)良，造價(jià)低的鑄造鋁鉛合金滑動(dòng)軸承材料及其制備工藝和設(shè)備。
具體技術(shù)方案是鑄造鋁鉛合金滑動(dòng)軸承材料，其材料成分是a)Al-Mn-Pe-Pb(0.2-1)％Mn，(0.1-1)％Fe，(4-35)％Pb，余量Al；b)Al-Si-Mn-Fe-Pb(2-8)％Si，(0.2-1)％Mn，(0.1-1)％Fe，(4-35)％Pb，余量Al；c)Al-Mg-Si-Mn-Fe-Pb(4-5.5)％Mg，(0.5-1.5)％Si，(0.2-1)％Mn，(0.1-1)％Fe，(4-35)％Pb，余量Al；d)Al-Si-Cu-Mg-Sn-Mn-Fe-Pb(2-8)％Si，(0.5-4)％Cu，(0.1-1)％Mg，(0-1)％Sn，(0.2-1)％Mn，(0.1-1)％Fe，(4-35)％Pb，余量Al。
上述以鋁為基合金的滑動(dòng)軸承系列材料的制作工藝是首先在上述范圍內(nèi)按比列配料(除鉛外)，然后在坩堝內(nèi)熔化，當(dāng)達(dá)到合金熔點(diǎn)溫度以上時(shí)加入鉛粒(塊)，并且邊加入邊攪拌，再經(jīng)加完鉛粒(塊)的后期攪拌，以形成均勻的懸浮漿液，短期靜止后澆注成鑄錠，經(jīng)均勻化退火后，軋制，然后進(jìn)行再結(jié)晶退火，形成所需厚度的板材。
上述所說(shuō)的攪拌工序，其攪拌方向?yàn)閱畏较蛐D(zhuǎn)，攪拌的速度為(1100～3000)轉(zhuǎn)/分，攪拌的溫度為合金熔點(diǎn)以上(40～150)℃，攪拌時(shí)間為(6-16)分鐘(包括加入鉛粒(塊)時(shí)的攪拌時(shí)間和加完鉛粒(塊)的后期持續(xù)攪拌時(shí)間)。
加入的鉛粒(塊)可以為球狀或不規(guī)則的塊狀，平均重量約為10克，每塊加入間隔時(shí)間約為5秒鐘。
鑄錠經(jīng)均勻化退火后，可在室溫下冷軋，軋制原始板材厚度小于或等于4mm，每次壓下量小于或等于0.5mm，可軋制成厚度小于0.5mm的板材冷軋過(guò)程中無(wú)需退火。
上述制備工藝所用的設(shè)備是用于熔化合金的坩堝為圓柱形，其高度(H)大于直徑(D)，用于攪拌的工具為多層攪拌槳，槳的個(gè)數(shù)，每個(gè)槳的層數(shù)，每層槳葉數(shù)根據(jù)坩堝的尺寸可改變，槳葉為直片狀，每層槳葉的間距為(5-25)mm。
鋁鉛合金與傳統(tǒng)的巴比特合金及鉛青銅作為汽車(chē)軸承合金相比，具有良好的抗咬合，抗冷焊，抗疲勞強(qiáng)度，抗蝕性等綜合性能，以及具有較高的承載能力，用途廣泛。可以用作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承、連桿軸承、凸輪軸承、傳動(dòng)軸套、泵軸套、止推墊圈等零件。也可用于其它機(jī)械軸承。
金屬鋁鉛固態(tài)不互溶，即使在極高溫度液態(tài)下，如1100℃，鉛在鋁中的熔解度也只有8％左右，而且鋁鋁比重相差懸殊，極易產(chǎn)生重力偏折，用常規(guī)的方法幾乎無(wú)法使金屬鉛均勻分布于鋁的基體中，因此該合金生產(chǎn)難度相當(dāng)大。在有些國(guó)家曾采用多種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中有宇宙法，其制造價(jià)格太高，急冷凝固法又使表層和心部組織不一致，且鉛的加入量受到限制。而采用粉末冶金法生產(chǎn)、工藝復(fù)雜、設(shè)備昂貴，成本高。采用本發(fā)明提供的鋁鉛合金制作工藝，可以使鉛均勻的分布在鋁或鋁合金中，達(dá)到上述鋁鋁合金所具有的機(jī)械等綜合性能。該工藝簡(jiǎn)單，容易控制，在滿(mǎn)足所要求的性能的前提下，制作成本較低，易于批量生產(chǎn)。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明上述技術(shù)方案及其實(shí)施例。

圖1是Al-Si-Cu-Mg-Sn-Mn-Fe-Pb系，含Pb量為6％的合金的金相組織，采用金屬模鑄造。圖中黑色顆粒為鉛相。該照片為放大100倍。圖2是采用與圖1相同的合金和相同方式冶煉，但含Pb量為10％的合金的金相組織。采用砂型澆注。圖中黑色顆粒為鉛相，a為鑄錠頂部的金相組織，b為同一鑄錠底部的金相組織，該照片為放大100倍。圖3是Al-Si-Mn-Fc-Pb系，含Pb量為25％的合金的金相組織。采用金屬模鑄造。圖中黑顆粒為鉛相，該照片為放大50倍。圖4是Al-Si-Mn-Fe-Pb系，含Pb量為25％的合金的掃描電鏡照片，a是形貌相，白色顆粒為鉛相，b是能譜相，白色顆粒為鉛的能譜像，圖5是Al-Si-Cu-Mg-Mn-Sn-Pb系，含Pb量為15％的合金金相組織，它是經(jīng)100％的變形量后的金相組織，采用金屬模鑄造，圖中黑色條狀為鉛相。
本發(fā)明所提供的四種鋁鉛合金系列，對(duì)其成分選擇的原則，可限據(jù)軸承的性能要求及結(jié)構(gòu)(整體、雙金屬、三層金屬)選擇不同系列。
鋁鉛合金中所添加的合金元素的作用是硅的加入通過(guò)固溶和析出機(jī)理以及獨(dú)立的硅相，以強(qiáng)化合金改善抗咬死性及冷焊性能。加入的銅、鎂是強(qiáng)化合金，使合金的強(qiáng)度硬度提高，其主要作用是通過(guò)固溶及形成CuAl2、Mg2Si等強(qiáng)化相，提高合金的強(qiáng)度、承載能力和疲勞強(qiáng)度。錳通過(guò)固溶和形成耐熱相(Cu2Mn3Al20)不僅提高了室溫機(jī)械性能，而且提高高溫機(jī)械性能，另外錳可改變鋁鉛合金中的鐵相形貌，降低合金脆性。適當(dāng)?shù)暮F量可提高合金的強(qiáng)度，塑性降低不明顯、可滿(mǎn)足軋制工藝要求。由于合金的負(fù)荷能力，疲勞強(qiáng)度與抗咬合性，適應(yīng)性及嵌入性是相互矛盾的性能，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)合金成份，可以協(xié)調(diào)其關(guān)系，以得到較好的綜合性能。
鉛和錫的主要作用是增加合金的潤(rùn)滑性、抗咬合性、適應(yīng)性和嵌入性。所謂適應(yīng)性即材料適應(yīng)和補(bǔ)償輕微的不同軸性，以適應(yīng)軸的形狀或軸承座軸孔變化的能力。嵌入性即材料可嵌進(jìn)灰塵和外來(lái)微粒，而能防止它們將軸和軸承表面擦傷與磨損的能力。
由圖1-5可以看出，采用上述合金成分及采用上述合金制作工藝所獲得的鋁鉛合金，其鑄態(tài)合金的顯微組織特征是鉛呈球狀或團(tuán)絮狀均勻分布于合金的基體中。
實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案的實(shí)施例如下，但這僅是其中的幾例，而不是全部。
例1，金屬摸繞注。坩堝的高度(H)與其直徑(D)之比可采用約2∶1，在本實(shí)施例中坩堝的尺寸為高H＝220mm，直徑D＝110mm。采用的攪拌槳的槳葉為三層，每層為三片槳葉，并且槳葉采用直片狀，槳葉與攪拌軸的角度可在(5-40)度范圍內(nèi)選取。若采用一個(gè)攪拌槳，攪拌槳葉外徑距坩堝內(nèi)壁(5-15)mm，上層槳葉距液面15mm，下層槳葉距坩堝底10mm，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為1600轉(zhuǎn)/分。配制合金總量為2公斤，基合金成份為4％Si，2％Cu，0.5％Mg，0.5％Sn，0.5％Mn，0.8％Fe，余量為Al。在700℃熔化后加入鉛粒，鉛粒的平均重量為10克，采用邊攪拌邊加入的方式進(jìn)行，加入鉛量為合金總量的6％(重量百分比)，待鉛塊全部加入后繼續(xù)攪拌5分鐘，以形成均勻的懸浮漿液，靜止片刻后澆注在尺寸為200×100×25mm的金屬型內(nèi)，以獲得工業(yè)尺寸的鑄件。其金相顯微組織顯示為，球狀和團(tuán)絮狀的鉛顆粒均勻的分布在鋁合金的基體內(nèi)，(見(jiàn)圖1所示)其機(jī)械性能硬度HB＝34，抗拉強(qiáng)度σb＝120MPa。
例2，砂型澆注。采用同例1相同的合金和相同的方式冶煉，但鉛的加入量為10％，澆注在尺寸為φ20×100mm的濕砂型中，金相組織為球狀和團(tuán)絮狀鉛顆粒均勻的分布在鋁合余基體上，縱剖面分析表明從頂部到底部，鉛的分布基本一致，見(jiàn)圖2-a(頂部)和圖2-b(底部)。
例3，金屬模澆注。采用同例1相同的熔煉方法。但是，其基合金的成分為Al-4％Si-0.5％Mn-0.8％Fe，鉛的加入量為25％，金相顯微照片顯示為球狀鉛顆粒，其均勻分布在鋁合金基體上。(見(jiàn)圖4，掃描照片見(jiàn)圖4-a。掃描形貌相及圖4-b能譜相。
例4，Al-4％Si-2％Cu-0.5Mg-0.5％Sn-0.5％Mn-0.8Fe-10％Pb的鋁鉛合金板。其原始尺寸為150×40×4mm，在軋機(jī)(軋輥直徑φ120mm)上經(jīng)過(guò)6次軋制后，尺寸為400×40×2mm，在金相照片(見(jiàn)圖5)上顯示出采帶狀的金屬鉛相，其均勻分布在纖維狀的合金基體上。
權(quán)利要求
1.鑄造鋁鉛合金滑動(dòng)軸承材料，其特征是材料的成分為a)Al-Mn-Fe-Pb(0.2-1)％Mn，(0.1-1)％Fe，(4-35)％Pb，余量Al；b)Al-Si-Mn-Fe-Pb(2-8)％Si，(0.2-1)％Mn，(0.1-1)％Fe，(4-35)％Pb，余量Al；c)Al-Mg-Si-Mn-Fe-Pb(4-5.5)％Mg，(0.5-1.5)％Si，(0.2-1)％Mn，(0.1-1)％Fe，(4-35)％Pb，余量Al；d)Al-Si-Cu-Mg-Sn-Mn-Fe-Pb(2-8)％Si，(0.5-4)％Cu，(0.1-1)％Mg，(0-1)％Sn，(0.2-1)％Mn，(0.1-2)％Fe，(4-35)％Pb，余量Al。
2.權(quán)利要求1所述的一種鑄造鋁鉛合金滑動(dòng)軸承材料的制備工藝是首先在上述范圍內(nèi)按比例配料(除鉛外)，然后在坩堝內(nèi)熔化，當(dāng)達(dá)到合金熔點(diǎn)溫度以上時(shí)加入鉛粒(塊)，并邊加入邊攪拌，再經(jīng)加完鉛粒(塊)的后期攪拌，以形成均勻的懸浮漿液，短期靜止后，澆注成鑄錠，經(jīng)均勻化退火后，軋制成所需厚度的板材，然后進(jìn)行再結(jié)晶退火。
3.按權(quán)利要求2所述的一種鑄造鋁鉛合金滑動(dòng)軸承材的制備工藝，其特征是上述所說(shuō)的攪拌工序，其攪拌方向?yàn)閱畏较蛐D(zhuǎn)，攪拌的速度為(1100-3000)轉(zhuǎn)/分，攪拌的溫度為合金熔點(diǎn)以上40-150℃，攪拌時(shí)間為(6-16)分鐘(包括加入鉛粒(塊)時(shí)的攪拌時(shí)間和加完鉛粒(塊)的后期持續(xù)攪拌時(shí)間)。
4.按權(quán)利要求2所述的一種鑄造鋁鉛合金滑動(dòng)軸承材料的制備工藝，其特征是加入的鉛粒(塊)可以為球狀或不規(guī)則的塊狀，平均重量約為10克，每塊加入間隔時(shí)間約為5秒鐘。
5.按權(quán)利要求2所述的一種鑄造鋁鉛合金滑動(dòng)軸承材料的制備工藝，其特征是所說(shuō)的軋制成所需要的板材可在室溫下冷軋，軋制原始板材的厚度小于或等于4mm，每次壓下量小于或等于0.5mm，可軋制成厚度小于0.5mm的板材，冷軋過(guò)程中無(wú)需退火。
6.權(quán)利要求2所述的一種鑄造鋁鉛合金滑動(dòng)軸承材料的制備工藝所用的設(shè)備，其特征是用于熔化合金的坩鍋可采用圓柱形，其高度(H)大于直徑(D)的1.5倍，用于攪拌的工具可采用多層攪拌槳，槳的個(gè)數(shù)，每個(gè)槳的層數(shù)，每層槳的葉數(shù)，根據(jù)坩堝的尺寸可改變，槳葉為直片狀，每層槳葉的間距為(5-25)mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及鑄造鋁鉛合金滑動(dòng)軸承材料及其制備工藝和設(shè)備。本發(fā)明涉及的材料是由不同成分的鋁基合金加入(4—35)%的鉛組成四種系列。其制作工藝主要是在鋁基合金熔液中邊加入鉛粒(塊)邊攪拌,以形成均勻的懸浮漿液,然后澆注,再經(jīng)小壓下量多次軋制而成。該工藝所采用的設(shè)備是圓柱形坩堝,其高度大于直徑,攪拌的工具為多層攪拌槳。該合金具有良好的綜合機(jī)械性能,工具設(shè)備簡(jiǎn)單,易于批量生產(chǎn),可廣泛用于制作車(chē)輛和機(jī)械中的各種軸承。
文檔編號(hào)C22C21/00GK1171452SQ9611056
公開(kāi)日1998年1月28日 申請(qǐng)日期1996年7月18日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月18日
發(fā)明者劉勇兵, 孫大仁, 陸有, 曹占義, 張明哲, 安健 申請(qǐng)人:吉林工業(yè)大學(xué)