CN102517479B - 轴瓦用复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种轴瓦用复合材料，包括：0.5wt％～1.5wt％的Zn；1wt％～3wt％的Cu；0.1wt％～0.5wt％的Si；2wt％～5wt％的Sn；0.2wt％～0.7wt％的Ti3SiC2；0.2wt％～0.8wt％的(Ti，Al，Si，C)N；余量的Al。本发明还提供了一种轴瓦用复合材料的制备方法。本发明以含有少量Zn、Cu、Si、Sn等元素的Al合金为基体，在铝合金基体中弥散分布Ti3SiC2层状陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N超硬粒子得到复合材料，提高了铝合金的抗疲劳强度、耐热性、承载能力和耐磨减磨性，用作轴瓦具有良好的使用性能和较长的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于轴瓦材料技术领域，尤其涉及一种轴瓦用复合材料及其制备方法。
背景技术
轴瓦是发动机的重要零件之一，轴瓦材料的性能会影响发动机的使用性能、可靠性和使用寿命。随着发动机向高速、高压、大功率、低能耗等方向发展，要求轴瓦材料满足安全可靠、良好的顺应性和嵌藏性、抗咬合性、抗高温性、高抗疲劳性和承载能力、耐磨减磨性等要求。
现有技术公开了多种用于轴瓦的材料，其中，铝基合金由于具有较好的抗咬合性、耐磨减磨性、耐腐蚀性等综合性能逐渐取代巴氏合金和铜合金成为使用最为广泛的轴瓦材料之一。含铅铝合金虽然能够满足轴瓦材料的使用要求，但是，其含有铅，不仅在合金熔铸时会产生危害人体健康的有毒气体，而且在轴瓦使用过程中会污染润滑油，给发动机修理或报废后的处理带来问题。因此，无铅铝合金成为目前研究的热点之一。
公开号为CN102041413A的中国专利文献公开了一种中锡铝合金轴瓦材料，包括2.4wt％～2.6wt％的Si，12wt％～14wt％的Sn，1wt％～5wt％的Cu，0.4wt％～0.6wt％的Cr，0.6wt％～0.8wt％的Ni和余量的铝，该中锡铝合金虽然具有较好的抗咬合性和耐磨性能，但其含硅量较高，不仅会削弱铝合金的抗疲劳强度和韧性，而且不能实现减磨功能；韩建芬等公开了一种在Al-Sn-Si合金中加入0.8wt％～1.8wt％的Cu和0.3wt％～0.9wt％的Mg作为强化相的铝合金轴瓦材料(韩建芬，李宝绵，刘丽平，等.高强度Al-Sn-Si-Cu-Mg轴瓦材料的研究.轻合金加工技术，2005，33(2)：48-51)，该铝合金材料的强度和延长率虽然较高，但其抗高温性能和耐磨减磨性能较差；朱福生等公开了一种添加有4wt％～6wt％的Zn、1wt％～3wt％的Si和1wt％～3wt％的Cu的铝合金轴瓦材料(朱福生，李立新，刘秀珍.铝锌合金轴瓦材料的研究.南方金属，2009，171：11-15)，该铝合金具有较好的力学性能，但其延伸率和耐磨减磨性能较差；王小刚等公开了一种Zn含量为3.7wt％～4wt％、Cu含量为4.2wt％～5wt％、Si含量为0.6wt％的铝合金轴瓦材料(王小刚，李立新，叶奔，等.Al-Zn-Cu-Si合金轴瓦材料的研究.南方金属，2011，180：1-5)，该铝合金虽然具有良好的力学性能，但其承载能力和耐磨减磨性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种轴瓦用复合材料及其制备方法，本发明提供的轴瓦用复合材料具有良好的力学性能、耐高温性、抗咬合性和耐磨减磨性，用作轴瓦时具有良好的综合性能。
本发明提供了一种轴瓦用复合材料，包括：
0.5wt％～1.5wt％的Zn；
1wt％～3wt％的Cu；
0.1wt％～0.5wt％的Si；
2wt％～5wt％的Sn，
0.2wt％～0.7wt％的Ti3SiC2；
0.2wt％～0.8wt％的(Ti，Al，Si，C)N；
余量的Al。
优选的，包括0.25wt％～0.65wt％的Ti3SiC2。
优选的，包括0.25wt％～0.75wt％的(Ti，Al，Si，C)N。
优选的，所述Ti3SiC2为纳米Ti3SiC2。
优选的，所述(Ti，Al，Si，C)N为纳米(Ti，Al，Si，C)N。
优选的，包括0.7wt％～1.3wt％的Zn。
优选的，包括1.2wt％～2.8wt％的Cu。
优选的，包括0.15wt％～0.45wt％的Si。
优选的，包括2.5wt％～4.5wt％的Sn。
本发明还提供了一种轴瓦用复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将Zn源、Cu源、Si源、Sn源、Al源、Ti3SiC2和(Ti，Al，Si，C)N熔炼、搅拌后得到轴瓦用复合材料。
与现有技术相比，本发明提供的轴瓦用复合材料包括：0.5wt％～1.5wt％的Zn；1wt％～3wt％的Cu；0.1wt％～0.5wt％的Si；2wt％～5wt％的Sn，0.2wt％～0.7wt％的Ti3SiC2；0.2wt％～0.8wt％的(Ti，Al，Si，C)N；余量的Al。本发明以含有少量Zn、Cu、Si、Sn等元素的Al合金为基体，在铝合金基体中弥散分布Ti3SiC2层状陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N超硬粒子得到复合材料，提高了铝合金的抗疲劳强度、耐热性、承载能力和耐磨减磨性，用作轴瓦具有良好的使用性能和较长的使用寿命。本发明以Zn和Sn为软相，增强复合材料的塑性，使得轴瓦具有良好的嵌藏性、顺应性和抗咬合性；本发明以Cu为强化相，提高复合材料的力学性能和抗疲劳强度，使得轴瓦具有良好的力学性能；本发明还包括Si，提高复合材料的耐磨性能、抗疲劳强度和抗咬合性，降低合金的线膨胀系数；本发明在铝合金基体中弥散分布Ti3SiC2层状陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N超硬粒子，提高得到的复合材料的抗疲劳强度、耐热性、承载能力和耐磨减磨性能，从而获得综合性能良好的轴瓦。实验表明，本发明提供的复合材料的抗拉强度可达200N/mm2以上，屈服强度可达70N/mm2以上，伸长率可达20％以上，布氏硬度可达65HB以上，可耐160℃以上高温，同时其顺应性、嵌藏性、耐蚀性、承载能力和耐磨减磨性能均优于AlSn20Cu轴瓦材料。
具体实施方式
本发明提供了一种轴瓦用复合材料，包括：
0.5wt％～1.5wt％的Zn；
1wt％～3wt％的Cu；
0.1wt％～0.5wt％的Si；
2wt％～5wt％的Sn，
0.2wt％～0.7wt％的Ti3SiC2；
0.2wt％～0.8wt％的(Ti，Al，Si，C)N；
余量的Al。
本发明提供的轴瓦用复合材料以含有少量Zn、Cu、Si、Sn等元素的Al合金为基体，在铝合金基体中弥散分布Ti3SiC2层状陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N超硬粒子，提高了铝合金的抗疲劳强度、耐热性、承载能力和耐磨减磨性，用作轴瓦具有良好的使用性能和较长的使用寿命。
本发明提供的轴瓦用复合材料以Al为基体元素，铝的氧化物硬度大、承载能力强，用作轴瓦材料时具有良好的性能。
本发明提供的轴瓦用复合材料中包括Zn，锌的氧化物较软，具有六方晶结构，可起到润滑剂的作用，增强铝合金的耐磨性。同时，在铝合金中添加适量锌能够增加铝合金的塑性，从而提高铝合金的嵌藏性和顺应性，但是，Zn的添加量高于1.5wt％时，铝合金的抗拉强度、屈服强度会下降。在本发明中，所述Zn的含量为0.5wt％～1.5wt％，优选为0.7wt％～1.3wt％，更优选为0.8wt％～1.2wt％。
本发明提供的轴瓦用复合材料中包括Cu，Cu作为强化相，可以固溶到铝中或与铝生成化合物，从而提高铝合金的力学性能和抗疲劳强度，但是，Cu含量高于3wt％时，会降低铝合金的耐腐蚀性和延伸率，从而影响复合材料的嵌藏性和顺应性。在本发明中，所述Cu的含量为1wt％～3wt％，优选为1.2wt％～2.8wt％，更优选为1.5wt％～2.5wt％。
本发明提供的轴瓦用复合材料还包括Si，Si可以提高轴瓦材料的耐磨性能、抗疲劳强度和抗咬合性，降低合金的线膨胀系数。但是，Si含量过高时，得到的铝合金的抗疲劳强度和伸长率会下降，同时，Si具有较高的摩擦系数，含量过高时不能实现轴瓦用复合材料的减磨性能。在本发明中，所述Si的含量为0.1wt％～0.5wt％，优选为0.15wt％～0.45wt％，更优选为0.2wt％～0.4wt％。
本发明提供的轴瓦用复合材料还包括Sn，Sn作为软相加入，可提高合金的抗咬合性、嵌藏性和顺应性；Sn含量低时能够改善铝合金的抗疲劳性能，但其含量过高时，会使铝合金的硬度和抗拉强度等力学性能下降。在本发明中，所述Sn的含量为2wt％～5wt％，优选为2.5wt％～4.5wt％，更优选为3wt％～4wt％。
本发明提供的轴瓦用复合材料还包括Ti3SiC2，Ti3SiC2是一种具有三元层状结构的碳化物，属于陶瓷，同时具有金属和陶瓷的优异性能，如在常温时具有良好的导热和导电性能；良好的抗热震性；易加工性；良好的高温塑性；较高的屈服强度；较高的熔点；较高的热稳定性；良好的抗氧化性能和良好的耐腐蚀性能等。在本发明中，所述Ti3SiC2优选为纳米尺寸的Ti3SiC2，即纳米Ti3SiC2。在铝合金中加入Ti3SiC2能够提高铝合金的抗疲劳强度、耐热性、承载能力和耐磨减磨性能。在本发明中，所述Ti3SiC2的含量为0.2wt％～0.7wt％，优选为0.25wt％～0.65wt％，更优选为0.3wt％～0.6wt％。
本发明提供的轴瓦用复合材料还包括(Ti，Al，Si，C)N，(Ti，Al，Si，C)N是一种具有纳米晶/非晶复合结构的超硬粒子，具有较高的硬度，能够提高铝合金的硬度和耐磨减磨性能。在本发明中，所述(Ti，Al，Si，C)N优选为纳米尺寸的(Ti，Al，Si，C)N，即纳米(Ti，Al，Si，C)N。所述(Ti，Al，Si，C)N的含量为0.2wt％～0.8wt％，优选为0.25wt％～0.75wt％，更优选为0.3wt％～0.7wt％。本发明对所述(Ti，Al，Si，C)N的来源没有特殊限制，可以从市场上购买，如西北有色金属研究院研制的(Ti，Al，Si，C)N超硬粒子。
本发明还提供了一种轴瓦用复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将Zn源、Cu源、Si源、Sn源、Al源、Ti3SiC2和(Ti，Al，Si，C)N熔炼、搅拌后得到轴瓦用复合材料。
在本发明中，所述Zn源可以为锌锭，也可以为Zn-Al中间合金，优选为纯度为99.9％以上的锌锭；所述Cu源可以为铜锭，也可以为Cu-Al中间合金，优选为纯度为99.9％以上的铜锭；所述Si源优选为Al-Si中间合金；所述Sn源可以为纯锡，也可以为Sn-Al中间合金，优选为纯度为99.9％以上的纯锡；所述Al源可以为铝锭，也可以为Zn-Al中间合金、Cu-Al中间合金、Al-Si中间合金等，优选为纯度为99.9％以上的铝锭；所述Ti3SiC2即为市售的粉体或粒子，(Ti，Al，Si，C)N为市售的粉体或粒子。
将上述各原料按照重量配比混合后进行熔炼，熔炼的同时进行搅拌，得到复合材料。在本发明中，所述熔炼的温度优选为660℃～680℃，更优选为665℃～675℃；所述熔炼的时间优选为20min～40min，更优选为25min～35min；所述搅拌的转速优选为400转/min～700转/min，更优选为500转/min～650转/min。本发明优选在电阻炉坩埚中进行熔炼，优选采用双筒式机械搅拌器进行搅拌。
熔炼完毕，将所述熔炼物进行压铸，即可得到所需尺寸和形状的轴瓦。
得到轴瓦后，对所述轴瓦进行成分分析，其具有上述技术方案所述的组成。
得到轴瓦后，对所述轴瓦进行力学性能测试，结果表明，其抗拉强度可达200N/mm2以上，屈服强度可达70N/mm2以上，伸长率可达20％以上，布氏硬度可达65HB以上；
得到轴瓦后，对所述轴瓦进行耐高温测试，结果表明，其可耐160℃以上高温；
采用“蓝宝石疲劳试验台”测试所述轴瓦试样的抗疲劳强度；采用“盐雾试验箱”测试所述轴瓦试样的抗腐蚀性能，具体条件为：连续喷雾8小时，间歇16小时，24小时为一周期，共24周期；采用“磨损试验机”测试所述轴瓦试样的耐磨损性能，具体条件为：196N载荷，400转/分钟，干摩擦，摩损时间0.5小时；测试所述轴瓦试样的抗咬合温度，结果表明，其上述性能均优于AlSn20Cu轴瓦材料。
本发明以含有少量Zn、Cu、Si、Sn等元素的Al合金为基体，在铝合金基体中弥散分布Ti3SiC2层状陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N超硬粒子得到复合材料，提高了铝合金的抗疲劳强度、耐热性、承载能力和耐磨减磨性，用作轴瓦具有良好的使用性能和较长的使用寿命。本发明以Zn和Sn为软相，增强复合材料的塑性，使得轴瓦具有良好的嵌藏性、顺应性和抗咬合性；本发明以Cu为强化相，提高复合材料的力学性能和抗疲劳强度，使得轴瓦具有良好的力学性能；本发明还包括Si，提高复合材料的耐磨性能、抗疲劳强度和抗咬合性，降低合金的线膨胀系数；本发明在铝合金基体中弥散分布Ti3SiC2层状陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N超硬粒子，提高得到的复合材料的抗疲劳强度、耐热性、承载能力和耐磨减磨性能，从而获得综合性能良好的轴瓦。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的轴瓦用复合材料及其制备方法进行详细描述。
以下各实施例中，Ti3SiC2纳米陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N纳米超硬粒子均购自西北有色金属研究院。
实施例1
以纯度大于99.9％的铝锭、锌锭、纯锡、纯铜、Al-18Si中间合金、Ti3SiC2纳米陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N纳米超硬粒子为原料，按照0.6wt％的Zn、1wt％的Cu、0.1wt％的Si、2.8wt％的Sn、0.7wt％的Ti3SiC2、0.8wt％的(Ti，Al，Si，C)N和94.0wt％的Al配料3.0kg，加入电阻炉坩埚中，660℃进行熔炼，同时采用速度为600转/min的双筒式机械搅拌器搅拌30min，然后压铸成厚度为10mm的轴瓦试样。
取样分析所述轴瓦组分的成分及含量，结果如下：0.5wt％的Zn、1wt％的Cu、0.1wt％的Si、2.0wt％的Sn、0.7wt％的Ti3SiC2、0.8wt％的(Ti，Al，Si，C)N和94.9wt％的Al。
对所述轴瓦试样进行力学性能分析，结果参见表1，表1为本发明实施例提供的轴瓦试样的力学性能结果；
对所述轴瓦试样进行耐热性能分析，结果表明，本发明提供的轴瓦试样可耐180℃高温；
采用“蓝宝石疲劳试验台”测试所述轴瓦试样的抗疲劳强度；采用“盐雾试验箱”测试所述轴瓦试样的抗腐蚀性能，具体条件为：连续喷雾8小时，间歇16小时，24小时为一周期，共24周期；采用“磨损试验机”测试所述轴瓦试样的耐磨损性能，具体条件为：196N载荷，400转/分钟，干摩擦，摩损时间0.5小时；测试所述轴瓦试样的抗咬合温度，结果参见表2，表2为本发明实施例及比较例提供的轴瓦试样的性能参数。
实施例2
以纯度大于99.9％的铝锭、锌锭、纯锡、纯铜、Al-18Si中间合金、Ti3SiC2纳米陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N纳米超硬粒子为原料，按照1.2wt％的Zn、2wt％的Cu、0.3wt％的Si、4.9wt％的Sn、0.4wt％的Ti3SiC2、0.5wt％的(Ti，Al，Si，C)N和90.7wt％的Al配料3.0kg，加入电阻炉坩埚中，670℃进行熔炼，同时采用速度为600转/min的双筒式机械搅拌器搅拌30min，然后压铸成厚度为10mm的轴瓦试样。
取样分析所述轴瓦组分的成分及含量，结果如下：1wt％的Zn、2wt％的Cu、0.3wt％的Si、3.5wt％的Sn、0.4wt％的Ti3SiC2、0.5wt％的(Ti，Al，Si，C)N和92.3wt％的Al。
对所述轴瓦试样进行力学性能分析，结果参见表1，表1为本发明实施例提供的轴瓦试样的力学性能结果；
对所述轴瓦试样进行耐热性能分析，结果表明，本发明提供的轴瓦试样可耐180℃高温；
采用“蓝宝石疲劳试验台”测试所述轴瓦试样的抗疲劳强度；采用“盐雾试验箱”测试所述轴瓦试样的抗腐蚀性能，具体条件为：连续喷雾8小时，间歇16小时，24小时为一周期，共24周期；采用“磨损试验机”测试所述轴瓦试样的耐磨损性能，具体条件为：196N载荷，400转/分钟，干摩擦，摩损时间0.5小时；测试所述轴瓦试样的抗咬合温度，结果参见表2，表2为本发明实施例及比较例提供的轴瓦试样的性能参数。
实施例3
以纯度大于99.9％的铝锭、锌锭、纯锡、纯铜、Al-18Si中间合金、Ti3SiC2纳米陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N纳米超硬粒子为原料，按照1.8wt％的Zn、3wt％的Cu、0.5wt％的Si、7wt％的Sn、0.2wt％的Ti3SiC2、0.2wt％的(Ti，Al，Si，C)N和87.3wt％的Al配料3.0kg，加入电阻炉坩埚中，680℃进行熔炼，同时采用速度为600转/min的双筒式机械搅拌器搅拌30min，然后压铸成厚度为10mm的轴瓦试样。
取样分析所述轴瓦组分的成分及含量，结果如下：1.5wt％的Zn、3wt％的Cu、0.5wt％的Si、5wt％的Sn、0.2wt％的Ti3SiC2、0.2wt％的(Ti，Al，Si，C)N和89.6wt％的Al。
对所述轴瓦试样进行力学性能分析，结果参见表1，表1为本发明实施例提供的轴瓦试样的力学性能结果；
表1本发明实施例提供的轴瓦试样的力学性能结果
由表1可知，本发明提供的轴瓦用复合材料具有较高的硬度和良好的力学性能。
对所述轴瓦试样进行耐热性能分析，结果表明，本发明提供的轴瓦试样可耐180℃高温；
采用“蓝宝石疲劳试验台”测试所述轴瓦试样的抗疲劳强度；采用“盐雾试验箱”测试所述轴瓦试样的抗腐蚀性能，具体条件为：连续喷雾8小时，间歇16小时，24小时为一周期，共24周期；采用“磨损试验机”测试所述轴瓦试样的耐磨损性能，具体条件为：196N载荷，400转/分钟，干摩擦，摩损时间0.5小时；测试所述轴瓦试样的抗咬合温度，结果参见表2，表2为本发明实施例及比较例提供的轴瓦试样的性能参数。
表2本发明实施例及比较例提供的轴瓦试样的性能参数
表2中，比较例采用的材料为购自亿宝模具钢材经营部的AlSn20Cu轴瓦材料。
由表2可知，本发明提供的轴瓦用复合材料具有较高的抗疲劳强度、耐腐蚀性能、耐磨损性能和抗咬合性能。
由上述实施例及比较例可知，本发明提供的轴瓦用复合材料具有良好的综合性能，可与各种材料的曲轴进行匹配，广泛应用于新型发动机，提高轴瓦和发动机的使用性能和使用寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种轴瓦用复合材料，包括：
0.5wt%～1.5wt%的Zn；
1wt%～3wt%的Cu；
0.1wt%～0.5wt%的Si；
2wt%～5wt%的Sn；
0.2wt%～0.7wt%的Ti3SiC2；
0.2wt%～0.8wt%的(Ti,Al,Si,C)N；
余量的Al。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，包括0.25wt%～0.65wt%的Ti3SiC2。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，包括0.25wt%～0.75wt%的(Ti,Al,Si,C)N。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述Ti3SiC2为纳米Ti3SiC2。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述(Ti,Al,Si,C)N为纳米(Ti,Al,Si,C)N。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的复合材料，其特征在于，包括0.7wt%～1.3wt%的Zn。
7.根据权利要求1～5任意一项所述的复合材料，其特征在于，包括1.2wt%～2.8wt%的Cu。
8.根据权利要求1～5任意一项所述的复合材料，其特征在于，包括0.15wt%～0.45wt%的Si。
9.根据权利要求1～5任意一项所述的复合材料，其特征在于，包括2.5wt%～4.5wt%的Sn。
10.一种权利要求1～9任意一项所述轴瓦用复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将Zn源、Cu源、Si源、Sn源、Al源、Ti3SiC2和(Ti,Al,Si,C)N熔炼、搅拌后得到轴瓦用复合材料；
所述Zn源为锌锭或Zn-Al中间合金；所述Cu源为铜锭或Cu-Al中间合金；所述Si源为Al-Si中间合金；所述Sn源为纯锡或Sn-Al中间合金；所述Al源为铝锭、Zn-Al中间合金、Cu-Al中间合金或Al-Si中间合金；
所述熔炼的温度为660℃～680℃；所述熔炼的时间为20min～40min。
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