CN1056888C

CN1056888C - 铸造铝铅合金滑动轴承材料及其制备工艺和设备

Info

Publication number: CN1056888C
Application number: CN96110565A
Authority: CN
Inventors: 刘勇兵; 孙大仁; 陆有; 曹占义; 张明喆; 安健
Original assignee: Jilin University of Technology
Current assignee: Jilin University of Technology
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1996-07-18
Publication date: 2000-09-27
Anticipated expiration: 2016-07-18
Also published as: CN1171452A

Abstract

本发明涉及铸造铝铅合金滑动轴承材料及其制备工艺和设备。本发明涉及的材料是由不同成分的铝基合金加入(4-35)%的铅组成四种系列。其制作工艺主要是在铝基合金熔液中边加入铅粒(块)边搅拌，以形成均匀的悬浮浆液，然后浇注，再经小压下量多次轧制而成。该工艺所采用的设备是圆柱形坩埚，其高度大于直径，搅拌的工具为多层搅拌浆。该合金具有良好的综合机械性能，工具设备简单，易于批量生产，可广泛用于制作车辆和机械中的各种轴承。

Description

铸造铝铅合金滑动轴承材料及其制备工艺和设备

本发明涉及铸造铝铅合金滑动轴承材料及其制备和轧制工艺，属于金属材料类。

由于铝铅合优良的比强度(单位重量强度值)，耐蚀性和导热性，铝基轴承材料的研究一直受到各国材料及工程研究者的重视。尤其是近年来随着汽车工业的发展，传统的巴比特合金及铅青铜作为汽车轴承合金正在被铝基轴承合金所取代。早期铝基轴承合金中，为增强基体和润滑性能，尤其是抗咬死性，往往加入锡、镉、锌、铟等元素，但这些元素的加入，使合金的制作与加工成本明显上升，导致汽车的成本增加。近年来，由于铝铅合金以其尤良的综合性能和低的造价，作为轴承合金，已受到一些汽车工业发达国的重视，使铝铅合金有可能成为汽车，尤其是轻型车与轿车的最重要的轴承材料。但该项技术目前仅为极少数国家垄断，尚无详细材料介绍。该项技术目前在我国仅有少数大学，科研机构在研究，但均未成为产品。国内汽车使用的仍然是高锡铝合金或铜基轴承，使发动机的成本上升及整车的经济性下降。我国汽车工业振兴规划纲要中提出到2000年将形成年产汽车250～300万辆的能力，其中轻型车加轿车占有的比例超过50％，而到2010年达到600万辆，轻型车和轿车占的比例超过70％。因此，要使我国汽车生产达到纲要规定的目标，并参与国际竞争，研究开发铝铅合金，降低造价，提高整车的经济性已是当务之急。

本发明的目的在于提供一种综合性能优良，造价低的铸造铝铅合金滑动轴承材料及其制备工艺和设备。

具体技术方案是：铸造铝铅合金滑动轴承材料，其材料成分是：

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-M8-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。

上述以铝为基合金的滑动轴承系列材料的制作工艺是：首先在上述范围内按比列配料(除铅外)，然后在坩埚内熔化，当达到合金熔点温度以上时加入铅粒(块)，并且边加入边搅拌，再经加完铅粒(块)的后期搅拌，以形成均匀的悬浮浆液，短期静止后浇注成铸锭，经均匀化退火后，轧制，然后进行再结晶退火，形成所需厚度的板材。

上述所说的搅拌工序，其搅拌方向为单方向旋转，搅拌的速度为(1100～3000)转/分，搅拌的温度为合金熔点以上(40～150)℃，搅拌时间为(6-16)分钟(包括加入铅粒(块)时的搅拌时间和加完铅粒(块)的后期持续搅拌时间)。

加入的铅粒(块)可以为球状或不规则的块状，平均重量约为10克，每块加入间隔时间约为5秒钟。

铸锭经均匀化退火后，可在室温下冷轧，轧制原始板材厚度小于或等于4mm，每次压下量小于或等于0.5mm，可轧制成厚度小于0.5mm的板材冷轧过程中无需退火。

上述制备工艺所用的设备是：用于熔化合金的坩埚为圆柱形，其高度(H)大于直径(D)，用于搅拌的工具为多层搅拌桨，桨的个数，每个桨的层数，每层桨叶数根据坩埚的尺寸可改变，桨叶为直片状，每层桨叶的间距为(5-25)mm。

铝铅合金与传统的巴比特合金及铅青铜作为汽车轴承合金相比，具有良好的抗咬合，抗冷焊，抗疲劳强度，抗蚀性等综合性能，以及具有较高的承载能力，用途广泛。可以用作汽车发动机主轴承、连杆轴承、凸轮轴承、传动轴套、泵轴套、止推垫圈等零件。也可用于其它机械轴承。

金属铝铅固态不互溶，即使在极高温度液态下，如1100℃，铅在铝中的熔解度也只有8％左右；而且铅铝比重相差悬殊，极易产生重力偏折，用常规的方法几乎无法使金属铅均匀分布于铝的基体中，因此该合金生产难度相当大。在有些国家曾采用多种方法进行实验，其中有宇宙法，其制造价格太高，急冷凝固法又使表层和心部组织不一致，且铅的加入量受到限制。而采用粉末冶金法生产、工艺复杂、设备昂贵，成本高。采用本发明提供的铝铅合金制作工艺，可以使铝均匀的分布在铝或铝合金中，达到上述铝铅合金所具有的机械等综合性能。该工艺简单，容易控制，在满足所要求的性能的前提下，制作成本较低，易于批量生产。

下面结合附图进一步说明上述技术方案及其实施例。图1是Al-Si-Cu-Mg-Sn-Mn-Fe-Pb系，含Pb量为6％的合金的金相组织，采用金属模铸造。图中黑色颗粒为铅相。该照片为放大100倍。图2是采用与图1相同的合金和相同方式冶炼，但含Pb量为10％的合金的金相组织。采用砂型浇注。图中黑色颗粒为铅相，a为铸锭顶部的金相组织，b为同一铸锭底部的金相组织，该照片为放大100倍。图3是Al-Si-Mn-Fe-Pb系，含Pb量为25％的合金的金相组织。采用金属模铸造。图中黑颗粒为铅相，该照片为放大50倍。图4是Al-Si-Mn-Fe-Pb系，含Pb量为25％的合金的扫描电镜照片，a是形貌相，白色颗粒为铅相，b是能谱相，白色颗粒为铅的能谱像，图5是Al-Si-Cu-Mg-Mn-Sn-Pb系，含Pb量为15％的合金金相组织，它是经100％的变形量后的金相组织，采用金属模铸造，图中黑色条状为铅相。

本发明所提供的四种铝铅合金系列，对其成分选择的原则，可根据轴承的性能要求及结构(整体、双金属、三层金属)选择不同系列。

铝铅合金中所添加的合金元素的作用是：硅的加入通过固溶和析出机理以及独立的硅相，以强化合金改善抗咬死性及冷焊性能。加入的铜、镁是强化合金，使合金的强度硬度提高，其主要作用是通过固溶及形成CuAl₂、Mg₂Si等强化相，提高合金的强度、承载能力和疲劳强度。锰通过固溶和形成耐热相(Cu₂Mn₃Al₂₀)不仅提高了室温机械性能，而且提高高温机械性能，另外锰可改变铝铅合金中的铁相形貌，降低合金脆性。适当的含铁量可提高合金的强度，塑性降低不明显、可满足轧制工艺要求。由于合金的负荷能力，疲劳强度与抗咬合性，适应性及嵌入性是相互矛盾的性能，通过适当调节合金成份，可以协调其关系，以得到较好的综合性能。

铅和锡的主要作用是增加合金的润滑性、抗咬合性、适应性和嵌入性。所谓适应性即材料适应和补偿轻微的不同轴性，以适应轴的形状或轴承座轴孔变化的能力。嵌入性即材料可嵌进灰尘和外来微粒，而能防止它们将轴和轴承表面擦伤与磨损的能力。

由图1-5可以看出，采用上述合金成分及采用上述合金制作工艺所获得的铝铅合金，其铸态合金的显微组织特征是铅呈球状或团絮状均匀分布于合金的基体中。

实现上述技术方案的实施例如下，但这仅是其中的几例，而不是全部。

例1，金属摸绕注。坩埚的高度(H)与其直径(D)之比可采用约2∶1，在本实施例中坩埚的尺寸为高H＝220mm，直径D＝110mm。采用的搅拌桨的桨叶为三层，每层为三片桨叶，并且桨叶采用直片状，桨叶与搅拌轴的角度可在(5-40)度范围内选取。若采用一个搅拌桨，搅拌桨叶外径距坩埚内壁(5-15)mm，上层桨叶距液面15mm，下层桨叶距坩埚底10mm，转动速度为1600转/分。配制合金总量为2公斤，基合金成份为4％Si，2％Cu，0.5％Mg，0.5％Sn，0.5％Mn，0.8％Fe，余量为Al。在700℃熔化后加入铅粒，铅粒的平均重量为10克，采用边搅拌边加入的方式进行，加入铅量为合金总量的6％(重量百分比)，待铅块全部加入后继续搅拌5分钟，以形成均匀的悬浮浆液，静止片刻后浇注在尺寸为200×100×25mm的金属型内，以获得工业尺寸的铸件。其金相显微组织显示为，球状和团絮状的铅颗粒均匀的分布在铝合金的基体内，(见图1所示)其机械性能硬度HB＝34，抗拉强度σ_b＝120MPa。

例2，砂型浇注。采用同例1相同的合金和相同的方式冶炼，但铅的加入量为10％，浇注在尺寸为20×100mm的湿砂型中，金相组织为球状和团絮状铅颗粒均匀的分布在铝合金基体上，纵剖面分析表明：从顶部到底部，铅的分布基本一致，见图2-a(顶部)和图2-b(底部)。

例3，金属模浇注。采用同例1相同的熔炼方法。但是，其基合金的成分为Al-4％Si-0.5％Mn-0.8％Fe，铅的加入量为25％，金相显微照片显示为球状铅颗粒，其均匀分布在铝合金基体上。(见图4，扫描照片见图4-a。扫描形貌相及图4-b能谱相。

例4，Al-4％Si-2％Cu-0.5Mg-0.5％Sn-0.5％Mn-0.8Fe-10％Pb的铝铅合金板。其原始尺寸为150×40×4mm，在轧机(轧辊直径120mm)上经过6次轧制后，尺寸为400×40×2mm，在金相照片(见图5)上显示出采带状的金属铅相，其均匀分布在纤维状的合金基体上。

Claims

1.铸造铝铅合金滑动轴承材料，其特征是材料的成分为：

Al-Mn-Fe-Pb：(0.2-1)％Mn，(0.1-1)％Fe，(4-35)％Pb，余量Al。

2.权利要求1所述的铸造铝铅合金滑动轴承材料，其特征是，还含有(2-8)％Si。

3.权利要求1所述的铸造铝铅合金滑动轴承材料，其特征是，还含有(4-5.5)％Mg，(0.5-1.5)％Si。

4.权利要求1所述的铸造铝铅合金滑动轴承材料，其特征是，还含有(2-8)％Si，(0.5-4)％Cu，(0.1-1)％Mg，(0-1)％Sn。

5.权利要求1所述的一种铸造铝铅合金滑动轴承材料的制备工艺，其特征是，首先，除铅外，在上述范围内按比例配料，然后在坩埚内熔化，当达到合金熔点温度以上时加入铅粒、块，并边加入边搅拌，再经加完铅粒、块的后期搅拌，以形成均匀的悬浮浆液，短期静止后，浇注成铸锭，经均匀化退火后，轧制成所需厚度的板材，然后进行再结晶退火。

6.按权利要求5所述的一种铸造铝铅合金滑动轴承材的制备工艺，其特征是，上述所说的搅拌工序，其搅拌方向为单方向旋转，搅拌的速度为1100-3000转/分，搅拌的温度为合金熔点以上40-150℃，搅拌时间为6-16分钟，该时间包括加入铅粒、块时的搅拌时间和加完铅粒、块的后期持续搅拌时间。

7.按权利要求5所述的一种铸造铝铅合金滑动轴承材料的制备工艺，其特征是，加入的铅粒、块可以为球状或不规则的块状，平均重量约为10克，每块加入间隔时间约为5秒钟。

8.按权利要求5所述的一种铸造铝铅合金滑动轴承材料的制备工艺，其特征是，所说的轧制成所需要的板材可在室温下冷轧，轧制原始板材的厚度小于或等于4mm，每次压下量小于或等于0.5mm，可轧制成厚度小于0.5mm的板材，冷轧过程中无需退火。

9.权利要求5所述的一种铸造铝铅合金滑动轴承材料的制备工艺所用的设备，其特征是，用于熔化合金的坩锅可采用圆柱形，其高度H大于直径D的1.5倍，用于搅拌的工具可采用多层搅拌桨，桨的个数，每个桨的层数，每层桨的叶数，根据坩埚的尺寸可改变，桨叶为直片状，每层桨叶的间距为5-25mm。