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)：
用于汽車或工程機械中的滑動軸承，通常對軸承的疲勞強度、耐磨性以及表面性能具有較高的要求。目前，市場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Pb還是環(huán)境污染元素。當(dāng)今隨著發(fā)動機性能的提高，對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。
公開號為CN 1358584A和CN 1334353A的發(fā)明專利，申請保護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％以及其他少量的強化合金元素的軟硬質(zhì)點共存耐磨組織。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行軋制。
該軸瓦帶材大大改善軸承合金的疲勞強度和耐磨性，疲勞強度可以達到或接近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的示意圖。
具體實施例方式本發(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、一個滑動摩擦付中起抗磨作用的耐磨合金層和一個改善滑動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，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)點共晶硅相，孤島狀的軟錫相為輔，其他少量的強化合金元素的軟硬質(zhì)點共存的耐磨組織。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，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)合強度，在復(fù)合軋制時，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化元素如Cu、Ti、Mn、Ni、Cr、Sr等進行強化，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)點共晶硅，同時還含有減磨的軟質(zhì)點錫相這種典型的耐磨組織，大大改善軸承合金的疲勞強度和耐磨性，疲勞強度可以達到或接近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，勢必會導(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，另一方面結(jié)合強度不足。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)動機技術(shù)的發(fā)展，為了降低發(fā)動機的制造成本，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，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)點共晶硅，對刃邊起到研磨拋光作用，不會造成軸瓦的擦傷。通常隨著硅含量的增加合金的承載能力、疲勞強度和耐磨性都會有所改善，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，會造成局部的溫度升高，低熔點的錫熔化，對軸瓦與軸起到液態(tài)潤滑作用。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)。
通過對鋁基體的固溶強化，可以改善軸承合金的承載能力和疲勞強度，這些固溶強化元素包括Cu、Mn、Ni、Cr，在合金中加入Ti、B、Zr元素可以細化鋁合金中的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，因此必須對合金中的共晶硅進行變質(zhì)處理，變質(zhì)劑可采用含Sr的長效變質(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，板錠退火處理后進行雙面銑，待用。
然后對耐磨合金板錠和減磨合金板錠進行疊合軋制，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，進過表面打磨后疊放在一起，在具有封閉型腔的軋輥17中進行閉模軋制，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)動下連鑄出壁厚均勻的耐磨板錠，板錠退火處理后進行雙面銑，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)動下連鑄出壁厚均勻的減磨板錠，板錠退火處理后進行雙面銑，待用；C、對耐磨合金板錠、減磨合金板錠進行軋制，制得壁厚均勻的多層結(jié)構(gòu)的合金板材，退火，待用；D、對上述多層合金板和鋼帶打磨后疊合進行閉模軋制，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，以及其他少量的強化合金元素的軟硬質(zhì)點共存耐磨組織。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度和耐磨性，疲勞強度可以達到或接近Cu－Pb合金水平，而材料的耐磨性優(yōu)于Cu－Pb合金，同時克服了環(huán)境污染問題。
文檔編號F16C33/04GK1546878SQ20031011149
公開日2004年11月17日 申請日期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 申請人:東風(fēng)汽車有限公司