CN101525704A - 用于制造轴瓦的合金及其制作轴瓦的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造轴瓦的合金、由其制造的轴瓦及其方法，属于材料科学的技术领域。它由以下重量份的组分制成：锡：6.0～11.0份；锌：1.5～3.5份；磷：0.04～0.08份；镍：0.1～0.6；富铈稀土金属：0.1～0.6份；铜80～90份。本发明的金属用于合金层与钢壳(背)粘结。本发明的轴瓦具有成本更低的轴瓦，使用寿命长，使用后弹涨量恢复良好等优点。

Description

用于制造轴瓦的合金及其制作轴瓦的方法

技术领域

本发明涉及一种制造轴瓦的合金、由其制造的轴瓦及其方法，属于材料科学的技术领域。

背景技术

轴瓦是时内燃机的重要零部件，传统的轴瓦结构有：整体铝合金、整体铜合金、钢背+减磨合金层、钢背+减磨合金层+镀层，其中后面两种较为常用。按照减磨合金层的种类不同，又分为锡基或铅基、铜基、铝基材料，其中锡基合铅基材料的疲劳强度低，其应用面较小。目前主流的轴瓦材料为铜基合铝基材料。但铜基材料中也含有较多的铅，由于铅的环境危害性，目前这种含铅的轴瓦已经受到了极大的限制。轴瓦的工作条件苛刻，要求其多项性能都能满足要求，采用复合层的结构最大限度地提高了轴瓦的各种性能，但也由于不同合金的相互结合缺陷使得轴瓦的整体性能有限。

名为一种Al-Pb合金-钢背轴瓦材料的水平连铸复合方法的中国专利申请提出一种水平连铸复合方法，解决了该种合金系生产过程中铅偏析和生产率低的关键是将铅偏析防止与提高生产效率的方法有效地结合起来。采用连铸复合方法，即将Al-Pb合金熔体加热到单一液相线以上，然后采用水平连铸的方法将合金熔体浇注在钢背上，在保证合金层与钢背复合良好的条件下，通过采用水冷结晶器的方法，确保合金熔体获得x10如C/S的冷却速度，从而获得Al-(5～20)％Pb-钢背轴瓦材料，这种轴瓦材料，合金层中铅粒分布均匀，铅粒细小，合金层与钢背之间过渡层组织合理，结合良好。该种方法还可以极大的提高轴瓦材料的制造效率。其方法适用于铅含量为5～20重量百分比的铝铅合金一钢背轴瓦材料，将Al熔化到1050℃，加入铅粒，覆盖上专用多功能熔剂，再升温到1050℃，静置20～30nin；开动送料机构，钢背通过连铸复合结晶器，打开流量控制器，将合金液注入结晶器内，合金液与钢背复合并快速冷却：在钢背进入结晶器前，可获得所需的预热温度。但可以看出其材料用于钢背，且其含铅量高，钢背与合金的粘接强度仍然不够理想，同时其没有对合金作出改进，还存在合金的耐磨性能较差，抗疲劳强度较小等缺点。

发明内容

本发明解决了现有技术中合金中存在铅污染的技术问题，提供了一种用于制造轴瓦的无铅合金。

本发明的另外一个技术目的是提供一种成本更低的轴瓦，同时本发明的轴瓦使用寿命长，使用后弹涨量恢复良好。

本发明的另外一个目的在于提供一种钢背与合金粘结强度大，形状稳定且易于制造的轴瓦生产方法。

本发明的另外一个目的在于提供一种抗压强度高的轴瓦。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案解决的：

一种用于制造轴瓦的合金，它由以下重量份的组分制成：锡：6.0～11.0份；锌：1.5～3.5份；磷：0.04～0.08份；镍：0.1～0.6；富铈稀土金属：0.1～0.6份；铜80～90份。本发明的金属用于合金层与钢壳(背)粘结。本发明在铜与锡的二元合金中加入锌、镍、磷和富铈稀土元素。铜和锡的合金的主体为α相和δ相，α相具有更高的性能和耐腐蚀性能，且具有较高的硬度和强度。本发明的锡溶于铜中形成固溶相，它具有与铜相同的晶格，呈紫色。由于与铜金属具有相同的晶相结构固其延展性能较好也具有较好的塑性，由于锡的加入使得合金固溶体具有了较高的强度。δ相是以Cu31Sn8为基的固溶体，其凝固温度范围较宽，因而铜锡合金在结晶过程中极易形成枝结晶偏析。由于液相开始析出的α相含有的铜量较高，剩余的液相则含有较多的锡，合金的全部凝固后每个α枝晶的内外不均匀，内部富铜而外部富锡。由于产生偏析，这种合金铜的铸态组织并不一致。如含有锡的量在6％以下是二元锡青铜才由α单相组成，而锡量高于6％时α相周界便析出α+δ共析体。在此种情况下，软基体种包含有硬相，因而具有较高的耐磨性。

本发明添加少量的锌，用以缩小凝固温度的范围，提高整体合金液体的流动性能，减少生产过程种分散缩孔现象。锌还可还原与合金液难以分离的二氧化锡等杂物，清洁合金，改善合金产品的性能。

本发明添加微量的磷，利用磷对氧的亲和力，通过还原合金中的多种氧化物从而清洁合金，同时在本发明中，磷的含量不宜过大，否则会影响合金液的结晶温度范围造成偏析。

本发明还加入了镍，镍溶于故α容相时可以细化晶粒，加入镍后提高了合金产品的机械性能特别是抗冲击性能以及耐腐蚀和耐磨性能，同时液降低了热脆性和松缩的倾向。

本发明添加微量的稀土合金可提高合金的流动性能30～40％。本发明的所述的富铈稀土合金为含有铈大于50％的稀土合金，优选TREM≥98.5％，镧31％，铈68％，钕和镨各0.5％。

本发明添加稀土元素的微合金化作用主要是利用稀土原子在晶界上偏聚与其它元素交互作用，引起晶界的结构、化学成分和能量的变化，并影响其它元素的扩散和新相的成核与长大，最终导致合金组织与性能的变化。本发明的稀土金属合金中砷、锡、锑、铋、铅等低熔点有害元素相作用。一方面，稀土可以与这些杂质形成熔点较高的化合物；另一方面，还能抑制这些夹杂在晶界上的偏祈。本发明的稀土加入合金液中，与低熔点的物质生成高熔点金属化合物，不熔于钢中而进入炉渣，起到净化作用，使钢中杂质减少，从而克服了热脆性，提高了合金轴瓦的硬度。本发明的稀土能吸收大量的氢，在合金中，可以抑制钢中氢引起的脆性和白点。其降低氢的扩散系数，延缓氢在裂纹尖端塑性区的富集，从而使裂纹扩展的孕育期和断裂时间延长，稀土改变合金轴承的脆性效果显著。

本发明的稀土加入合金液中生成球状稀土硫化物或硫氧化物，取代容易形成的长条状MnS夹杂，使硫化物形状得到控制，提高了钢的热塑性，改善钢材的各向异性。稀土使棱角状高硬度的氧化铝夹杂转为球状硫氧化物及铝酸稀土，有利于提高钢的疲劳性能。

本发明没有使用铅这一金属，这使得本发明的环保特性提高，消除了进入某些国家和地区的环保障碍。

本发明还提供了一种利用上述合金制造轴瓦的方法，它包括以下步骤：

预热：选取清洗好的钢壳在高频炉中预热至750～800℃；

钢壳浸挂硼砂：将预热后的钢壳于熔融的硼砂中加热，所述的硼砂处于高频炉中，其温度在980～1000℃之间；

合金的熔制与浇铸：按所需比例熔化合金，将熔化后的合金离心浇注在钢壳上形成轴瓦的工作面。

作为对金属本身的处理，上述步骤应当在还原的气氛中进行以免合金被氧化，本发明采用高频炉能提供更加稳定的高温条件，硼砂能促进合金与钢壳之间的相互扩散，所述的硼砂如果温度过高，证明其钢壳从硼砂内取出后表面附着的硼砂会流落而不能附着在钢壳上，在温度继续升高的情况下硼砂有可能产生变质，显然温度过低则硼砂的流动性差不能均匀温度地附着在钢壳上。

合金被浇注在钢壳上形成轴瓦的工作面，以钢壳作为轴瓦的支撑部件，这样集合了钢壳的硬度和铜合金的耐磨性能。

为了得到更好的结合性能，作为优选，钢壳浸挂硼砂的时间为10～30℃秒。

作为优选，合金浇注是合金的温度为1020～1050℃，这样能促进合金与钢壳之间的相互扩散。

作为优选，所述的钢壳的材料为C15以上。本发明选用C15以上的材料，其钢壳的硬度足够高，当其作为内衬时，与轴瓦表面的镀层金属之间产生足够的张力，维持轴瓦形状稳定。同时，本发明采用C15以上钢，其相对钢性好，轴瓦使用后弹张量恢复性能也非常出色。

作为优选，本发明所述的方法还包括以下步骤：对浇注成型后的轴瓦进行时效处理，所述的时效处理采用水冷，水冷在还原气氛中进行。

作为优选，离心浇注的时间少于10秒。本发明应当迅速将合金浇注在钢壳上，否则容易导致合金与钢壳之间的隔离，或者两者之间产生氧化层等影响轴瓦的整体机械性能。

作为优选，所述的水冷为浇注完成后的1～2秒开始，所述水冷的冷却速度为60～80℃/秒。水冷起到了较好的效果，较为合适的冷却速度使得本发明的轴瓦内部晶构合理。

作为优选，所述的的水冷所采用的水为15～25℃。

因此，本发明具有耐磨性能好，形状的稳定性好，成本较低，寿命高等特点。

应此，本发明具有以下优点：

1.本发明的轴瓦摩擦面的抗疲劳强度高，加入了稀土金属后推迟合金表面表面剥离的发生。

2.使用成本较低的合金浇注到钢壳表面，取得了较好的摩擦性能的同时，保证了轴瓦的整体机械力学性能，且使用C15以上的钢作为钢背，能构保证轴瓦在使用后迅速恢复形状。

3.使用较为合理的组分去掉了铅成分，环保可靠，增强了产品的竞争力。

4.使用较为合理的合金和钢背，同时采用了合理优化的制造工序，使得本发明的合金层铜钢壳粘结强度高，寿命长，只使用少量的合金作为工作面，有效降低了轴瓦的成本。

5.本发明加入稀土，由于稀土极易氧化，并与氧化合成氧化膜，附着于合金表面，由此产生的膜，这种膜既能减小摩擦系数，又能提高表面结合强度，从而改善了合金的疲劳和磨损和耐磨性。

表1

序号	内层抗疲劳强度	抗拉强度	布氏硬度(HB)	伸长率％
					实施例1	138Mpa	237Mpa	85	4.1
实施例2	127Mpa	236Mpa	90	3.7
					实施例3	128Mpa	237Mpa	95	3.9
实施例4	130Mpa	237Mpa	87	4.0
					实施例5	132Mpa	244Mpa	88	4.1
比较例1	125Mpa	220Mpa	70	6
					比较例2	110Mpa	195Mpa	85	4.8

上表中的数据采用GB/T1174-92标准检测。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：一种用于制造轴瓦的合金，它由以下重量份的组分制成：

锡：6.0份；锌：1.5份；磷：0.04份；镍：0.1份；富铈稀土：0.1份；铜80份。所述的富铈稀土成分是镧31％，铈68％，钕和镨各0.5％。利用上述合金制造轴瓦的方法，预热：选取清洗好的钢壳在高频炉中预热至750℃左右，所述的清洗使将钢壳的毛刺除掉后在苛性钠溶液中水煮后用工业盐酸除锈；

钢壳浸挂硼砂：将预热后的钢壳于熔融的硼砂中加热，所述的硼砂处于高频炉中，其温度在980℃左右，钢壳在硼砂中加热时间为10秒，钢壳在挂硼砂时为了防止钢壳不被氧化应使处理处在还原气氛中，本实施例采用一氧化碳即将碳放入高频炉中；所述的钢壳为15号钢。

合金的熔制与浇铸：按上述比例熔化合金，将熔化后的合金离心浇注在钢壳上形成轴瓦的工作面，浇注时保持合金液的温度在1020℃左右，离心浇注在8秒内完成。浇注完成后1秒后进行时效处理，所述的时效处理采用水冷，水冷水冷在还原气氛中进行。即先通入还原性气体一氧化碳再通入冷却水，所述的冷却水的温度为15℃，冷却速度为60℃/秒。测试其相关性能见表1；

实施例2：一种用于制造轴瓦的合金，它由以下重量份的组分制成：

锡：8.0份；锌：2.5份；磷：0.06份；镍：0.4份；富铈稀土：0.4份；铜85份。所述的富铈稀土成分是镧31％，铈68％，钕和镨各0.5％。利用上述合金制造轴瓦的方法，预热：选取清洗好的钢壳在高频炉中预热至790℃左右，所述的清洗使将钢壳的毛刺除掉后在苛性钠溶液中水煮后用工业盐酸除锈；

钢壳浸挂硼砂：将预热后的钢壳于熔融的硼砂中加热，所述的硼砂处于高频炉中，其温度在990℃左右，钢壳在硼砂中加热时间为30秒，钢壳在挂硼砂时为了防止钢壳不被氧化应使处理处在还原气氛中，本实施例采用一氧化碳即将碳放入高频炉中；

合金的熔制与浇铸：按上述比例熔化合金，将熔化后的合金离心浇注在钢壳上形成轴瓦的工作面，浇注时保持合金液的温度在1030℃左右，离心浇注在9秒内完成。浇注完成后1秒后进行时效处理，所述的时效处理采用水冷，水冷水冷在还原气氛中进行。即先通入还原性气体一氧化碳再通入冷却水，所述的冷却水的温度为20℃，冷却速度为70℃/秒。测试其相关性能见表1

实施例3：一种用于制造轴瓦的合金，它由以下重量份的组分制成：

锡：11.0份；锌：3.5份；磷：0.08份；镍：0.6份；富铈稀土：0.6份；铜90份。所述的富铈稀土成分是镧30％，铈69％，钕和镨各0.5％。利用上述合金制造轴瓦的方法，预热：选取清洗好的钢壳在高频炉中预热至800℃左右，所述的清洗使将钢壳的毛刺除掉后在苛性钠溶液中水煮后用工业盐酸除锈；所述的钢壳为16号钢。

钢壳浸挂硼砂：将预热后的钢壳于熔融的硼砂中加热，所述的硼砂处于高频炉中，其温度在1000℃左右，钢壳在硼砂中加热时间为30秒，钢壳在挂硼砂时为了防止钢壳不被氧化应使处理处在还原气氛中，本实施例采用一氧化碳即将碳放入高频炉中；

合金的熔制与浇铸：按上述比例熔化合金，将熔化后的合金离心浇注在钢壳上形成轴瓦的工作面，浇注时保持合金液的温度在1050℃左右，离心浇注在10秒内完成。浇注完成后2秒后进行时效处理，所述的时效处理采用水冷，水冷水冷在还原气氛中进行。即先通入还原性气体一氧化碳再通入冷却水，所述的冷却水的温度为25℃，冷却速度为80℃/秒。测试其相关性能见表1

实施例4：一种用于制造轴瓦的合金，它由以下重量份的组分制成：

锡：7.0份；锌：1.5份；磷：0.04份；镍：0.1份；富铈稀土：0.1份；铜80份。所述的富铈稀土成分是镧31％，铈69％。利用上述合金制造轴瓦的方法，预热：选取清洗好的钢壳在高频炉中预热至750℃左右，所述的清洗使将钢壳的毛刺除掉后在苛性钠溶液中水煮后用工业盐酸除锈；

钢壳浸挂硼砂：将预热后的钢壳于熔融的硼砂中加热，所述的硼砂处于高频炉中，其温度在980℃左右，钢壳在硼砂中加热时间为10秒，钢壳在挂硼砂时为了防止钢壳不被氧化应使处理处在还原气氛中，本实施例采用一氧化碳即将碳放入高频炉中；所述的钢壳为15号钢。

合金的熔制与浇铸：按上述比例熔化合金，将熔化后的合金离心浇注在钢壳上形成轴瓦的工作面，浇注时保持合金液的温度在1020℃左右，离心浇注在8秒内完成。浇注完成后1秒后进行时效处理，所述的时效处理采用水冷，水冷水冷在还原气氛中进行。即先通入还原性气体一氧化碳再通入冷却水，所述的冷却水的温度为18℃，冷却速度为65℃/秒。测试其相关性能见表1

实施例5：一种用于制造轴瓦的合金，它由以下重量份的组分制成：

锡：6.5份；锌：3.3份；磷：0.05份；镍：0.4份；富铈稀土：0.4份；铜84份。所述的富铈稀土成分是镧21％，铈79％。利用上述合金制造轴瓦的方法，预热：选取清洗好的钢壳在高频炉中预热至750℃左右，所述的清洗使将钢壳的毛刺除掉后在苛性钠溶液中水煮后用工业盐酸除锈；

钢壳浸挂硼砂：将预热后的钢壳于熔融的硼砂中加热，所述的硼砂处于高频炉中，其温度在980℃左右，钢壳在硼砂中加热时间为10秒，钢壳在挂硼砂时为了防止钢壳不被氧化应使处理处在还原气氛中，本实施例采用一氧化碳即将碳放入高频炉中；所述的钢壳为16号钢。

合金的熔制与浇铸：按上述比例熔化合金，将熔化后的合金离心浇注在钢壳上形成轴瓦的工作面，浇注时保持合金液的温度在1020℃左右，离心浇注在4秒内完成。浇注完成后0.8秒后进行时效处理，所述的时效处理采用水冷，水冷水冷在还原气氛中进行。即先通入还原性气体一氧化碳再通入冷却水，所述的冷却水的温度为25℃，冷却速度为80℃/秒。测试其相关性能见表1

比较例1：制CuPb₁₀Snlo衬套材料

1、备料：取SPCC 2.smm厚钢板，裁取667x135mm条料，锉去板周边毛刺，钻镀铜工艺孔，锉去孔周边毛刺；

2、镀铜：经手工及电化学脱脂除油，于碱液中用电解法去除钢板空隙中的油污，并净化钢材表面，浓盐酸酸洗除去钢板表面氧化皮，并用碳酸钠溶液中和至中性，用焦磷酸钾、硫酸铜混合物于50～60℃预镀，然后用焦磷酸铜、焦磷酸钾、柠檬酸按及氨水化合物，于60±2℃的温度下深镀铜；

3、轧板：按轧板要求厚度轧板，轧薄量0.15～0.2/次；

4、矫平：用矫平机矫平以获得较平钢背材料；

5、清洗：清洗轧辊油后，烘干；

6、初烧：将前述工序处理后的钢板平置于铺粉平板上，用铺粉架将100目已烘干的合金粉均匀地铺在钢背上，由输送网送入烧结炉(烧结区域为1～6区)烧制，烧结温度为：前区790℃，等温区809℃，终区800℃，烧结速度为230毫米/分钟，保护气体(N₂+H₂)流量为150L/min，烧结后，铜铅钢带即进入水箱，在保护及还原气体存在下，匀速运行20～25分钟，出水箱；

7、轧板：用轧板机轧制，使原比重为59/cm时粉状物上升为比重89/cm，板材。

8、矫平：用矫平机矫平；

9、复烧：与初烧方法及参数相同，但其温度控制为：前区8100℃，等温区829℃，终区820℃；

10、精轧：用轧板机轧成成品以获得所需规格、晶相、疲劳强度和晶相强度的成品；

11、矫平：用矫平机矫平成品；

12、涂光亮剂：光亮剂采用2％浓度的碳酸钠+乙醛缩节胺(28oml)+对甲苯胺(16oml)共溶，15摄氏度时得沉淀物，取出后再加异丙醇制成20％浓度的溶液，即得铜铅类合金光亮剂C₁₈H₂₇N₂，先用纯度为99.9％的无水酒精和虫胶漆片制成虫胶漆片的重量浓度为5％的制剂喷洒于轴瓦表面形成一层保护膜，然后用硝基清漆和香蕉水，光亮剂C18H₂：制成光亮剂浓度为10％的硝基清漆制剂，喷洒于合金层及钢背，形成光亮保护膜即可得成品，测试其相关性能见表1。

比较例2：采用如下步骤：第一步将纯度大于99.9％、粒度为100～200目的Al、Pb、Cu粉按重量份数比400份Al、14份Pb、4份Cu配成混合粉，在氢气保护下，用球磨机进行高能球磨，球磨机转速为150～250rpm，球磨时间为35小时，球磨机钢罐中配以淬火不锈钢球作为高能球磨工作载体，钢球与粉末的重量比为9∶1；第二步用高速电弧喷涂的方一法将表面预处理过的低碳钢条均匀喷涂上厚度为100微米的铝层，喷涂材料为小2mm铝丝；

第三步以热喷涂铝钢板作为钢背，将球磨制备出的Al-Pb-Cu合金粉末均匀地铺在钢背上，厚度为4mm，压实，进行多道重复轧制，制得轴承合金带坯样品；

第四步然后将样品放入真空炉内烧结，先抽真空到0.08Pa，随后通入氟气，加热到300～600℃并保温1小时，随炉冷却即可，利用它为基础制作轴瓦，测量其性能见表1。

Claims (10)

1、一种用于制造轴瓦的合金，它由以下重量份的组分制成：

锡：6.0～11.0份；锌：1.5～3.5份；磷：0.04～0.08份；镍：0.1～0.6份；富铈稀土金属：0.1～0.6份；铜80～90份。

2、一种利用权利要求1所述合金制造轴瓦的方法，包括以下步骤：

预热：选取清洗好的钢壳在高频炉中预热至750～800℃；

钢壳浸挂硼砂：将预热后的钢壳于熔融的硼砂中加热，所述的硼砂处于高频炉中，其温度在980～1000℃之间；

合金的熔制与浇铸：按所需比例熔化合金，将熔化后的合金离心浇注在钢壳上形成轴瓦的工作面。

3、根据权利要求2所述的制造轴瓦的方法，其特征在于：钢壳浸挂硼砂的时间为10～30秒。

4、根据权利要求2所述的制造轴瓦的方法，其特征在于：合金浇注是合金的温度为1020～1050℃。

5、根据权利要求2所述的制造轴瓦的方法，其特征在于：所述的钢壳的材料为C15以上。

6、根据权利要求2所述的制造轴瓦的方法，其特征在于：它还包括以下步骤：对浇注成型后的轴瓦进行时效处理，所述的时效处理采用水冷，水冷水冷在还原气氛中进行。

7、根据权利要求2所述的制造轴瓦的方法，其特征在于：离心浇注的时间少于10秒。

8、根据权利要求6所述的制造轴瓦的方法，其特征在于：所述的水冷为浇注完成后的1～2秒开始，所述水冷的冷却速度为60～80℃/秒。

9、根据权利要求6所述的制造轴瓦的方法，其特征在于：所述的水冷所采用的水为15～25℃。

10、一种如权利要求2～7所述方法得到的轴瓦。