CN107723522A - 一种铝锡镍铜基轴承合金及其制备方法 - Google Patents

一种铝锡镍铜基轴承合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于合金制备技术，涉及一种高塑性、高韧性与中硬度自润滑的铝锡镍铜基轴承合金及其制备方法。本发明合金各组分的重量百分比为：锡，5.5％～6.5％；镍，0.8％～1.2％；铜，1.0％～2.4％；铁，0.2％～0.5％；镁，0.3％～0.5％；硅，0.4％～1.0％；锰，0.3％～0.7％；钛，0.15％～0.3％；余量为铝。本发明的制备步骤如下：备料；熔化纯铝铸锭；成分调整；搅拌；浇注；开箱。本发明提出了一种铝锡镍铜基轴承合金及其制备方法，大幅度降低了轴承合金的成本，提高了塑性和韧性，并具有中硬度自润滑性能。

Description

一种铝锡镍铜基轴承合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金制备技术，涉及一种高塑性、高韧性与中硬度自润滑的铝锡镍铜基轴承合金及其制备方法。
背景技术
轴承合金材料是用来制造轴瓦、轴套等零件的材料，主要用于支撑轴或轴上的回转构件使其正常工作和转动，是国防军工行业中的重要构件。随着现代轨道交通行业机组向高速、大型化方向发展，对轴承合金的承载能力、润滑性能与可靠性等提出了更高的要求，传统的巴氏合金轴承合金高温承载能力较差，随着摩擦磨损服役环境温度升高，易出现严重的黏着磨损引发烧瓦。
铅基或锡基轴承合金的承载能力与疲劳性能较佳，但其表面顺应性、嵌藏性与润滑性能较差，易损伤轴承，使用时须在表面增设铅锡二元或三元合金镀层，制造成本随之上升。铝基轴承合金是近年发展起来的一种优良减摩材料，具有质轻、比强度高、抗疲劳性能好、导热性好及优异的耐蚀性能、耐摩擦磨损性能，在轨道交通行业、航空航天、机械制造等领域应用十分广泛。铝基轴承合金主要包括铝锡系、铝铅系、铝硅系与铝锌系，综合材料结构减重、制造成本与合金性能考虑，铝锡系轴承合金的应用最为广泛。
近年来，随着国内轨道交通运输行业的快速发展，高功率、高燃烧效率燃油机车的需求日益增多，燃油机车的核心部件齿轮箱主要用于转轴的传动，在齿轮高速旋转过程中需要润滑油进行传热与润滑，齿轮箱油路润滑密封所选合金需要同时具备一定的自润滑能力且具有较高的导热系数，综上，目前需要一种不仅成本较低，而且适应中高温度的工作环境同时材料具备高塑性、高韧性和中硬度自润滑的轴承合金。
发明内容
本发明的目的是：提出一种铝锡镍铜基轴承合金及其制备方法，以便降低轴承合金的成本，提高塑性和韧性，并具有中硬度自润滑性能。
本发明的技术方案是：一种铝锡镍铜基轴承合金，其特征在于，该合金由如下重量百分比的组分组成：锡，5.5％～6.5wt％；镍，0.8％～1.2wt％；铜，1.0％～2.4wt％；铁，0.2％～0.5wt％；镁，0.3％～0.5wt％；硅，0.4％～1.0wt％；锰，0.3％～0.7wt％；钛，0.15％～0.3wt％；余量为铝。
如上面所述的铝锡镍铜基轴承合金的制备方法，其特征在于，制备的步骤如下：
1、备料：按照合金中各成分的质量百分数称取各种原料，然后将原料放入烘箱内在200℃～280℃的温度下烘烤至少60min；原料为：99.99％的工业纯铝；纯锡铸锭，工业纯铝与纯锡铸锭的质量比为1：(6.02％～7.48％)；纯镁铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：(0.33％～0.58％)；纯铜铸锭，工业纯铝与纯铜铸锭的质量比为1：(1.09％～2.76％)；Al-10Ni中间合金，工业纯铝与Al-10Ni中间合金的质量比为1：(0.92％～1.45％)；Al-4Fe中间合金，工业纯铝与Al-4Fe中间合金的质量比为1：(0.25％～0.64％)；Al-12Si中间合金，工业纯铝与Al-12Si中间合金的质量比为1：(0.47％～1.24％)；Al-4Mn中间合金，工业纯铝与Al-4Mn中间合金的质量比为1：(0.37％～0.90％)；Al-5Ti中间合金，工业纯铝与Al-5Ti中间合金的质量比为1：(0.18％～0.38％)；
2、熔化纯铝铸锭：将纯铝铸锭放入300Kg～800Kg电阻熔化炉内，升温加热到780℃～810℃，保温45min～65min；
3、成分调整：将电阻熔化炉升温至820℃～840℃，加入Al-10Ni、纯Cu铸锭和Al-4Fe中间合金，熔炼时间为30min～45min，随后降温至740℃～750℃，再加入Al-5Ti-B中间合金、Al-4Mn中间合金和Al-12Si中间合金，熔炼时间为40min～55min，之后采用C2Cl6与TiO2精炼除气15min～20min，随后降温至680℃～700℃，加入纯Mg铸锭与纯Sn铸锭，熔炼时间为15min～20min，静置12min～15min，得到铝锡镍铜基轴承合金熔体；
4、搅拌：将铝锡镍铜基轴承合金熔体转移至工频保温炉内，调整工频保温炉温度为710℃～730℃，采用石墨棒持续搅拌6min～15min；
5、浇注：开启工频保温炉的浇注孔，在700℃～720℃温度范围内将铝锡镍铜基轴承合金熔体浇注至树脂砂、金属型或熔模壳型铸型中；
6、开箱：待铸型完全冷却后进行开箱，自浇注完成起算，在下述时间内完成开箱：树脂砂铸型6h～8h，金属型铸型4h～5h，熔模壳型铸型12h～14h。
本发明的优点是：提出了一种铝锡镍铜基轴承合金及其制备方法，大幅度降低了轴承合金的成本，提高了塑性和韧性，并具有中硬度自润滑性能。
附图说明
图1是实施例5中铝锡镍铜基轴承合金的金相组织照片，放大100倍。
图2是实施例5中铝锡镍铜基轴承合金断口SEM扫描照片。
图3是实施例5中铝锡镍铜基轴承合金环-块摩擦副表面SEM形貌照片。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。一种铝锡镍铜基轴承合金，其特征在于，该合金由如下重量百分比的组分组成：锡，5.5％～6.5wt％；镍，0.8％～1.2wt％；铜，1.0％～2.4wt％；铁，0.2％～0.5wt％；镁，0.3％～0.5wt％；硅，0.4％～1.0wt％；锰，0.3％～0.7wt％；钛，0.15％～0.3wt％；余量为铝。
如上面所述的铝锡镍铜基轴承合金的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
1、备料：按照合金中各成分的质量百分数称取各种原料，然后将原料放入烘箱内在200℃～280℃的温度下烘烤至少60min；原料为：99.99％的工业纯铝；纯锡铸锭，工业纯铝与纯锡铸锭的质量比为1：(6.02％～7.48％)；纯镁铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：(0.33％～0.58％)；纯铜铸锭，工业纯铝与纯铜铸锭的质量比为1：(1.09％～2.76％)；Al-10Ni中间合金，工业纯铝与Al-10Ni中间合金的质量比为1：(0.92％～1.45％)；Al-4Fe中间合金，工业纯铝与Al-4Fe中间合金的质量比为1：(0.25％～0.64％)；Al-12Si中间合金，工业纯铝与Al-12Si中间合金的质量比为1：(0.47％～1.24％)；Al-4Mn中间合金，工业纯铝与Al-4Mn中间合金的质量比为1：(0.37％～0.90％)；Al-5Ti中间合金，工业纯铝与Al-5Ti中间合金的质量比为1：(0.18％～0.38％)；
2、熔化纯铝铸锭：将纯铝铸锭放入300Kg～800Kg电阻熔化炉内，升温加热到780℃～810℃，保温45min～65min；
3、成分调整：将电阻熔化炉升温至820℃～840℃，加入Al-10Ni、纯Cu铸锭和Al-4Fe中间合金，熔炼时间为30min～45min，随后降温至740℃～750℃，再加入Al-5Ti-B中间合金、Al-4Mn中间合金和Al-12Si中间合金，熔炼时间为40min～55min，之后采用C2Cl6与TiO2精炼除气15min～20min，随后降温至680℃～700℃，加入纯Mg铸锭与纯Sn铸锭，熔炼时间为15min～20min，静置12min～15min，得到铝锡镍铜基轴承合金熔体；
4、搅拌：将铝锡镍铜基轴承合金熔体转移至工频保温炉内，调整工频保温炉温度为710℃～730℃，采用石墨棒持续搅拌6min～15min；
5、浇注：开启工频保温炉的浇注孔，在700℃～720℃温度范围内将铝锡镍铜基轴承合金熔体浇注至树脂砂、金属型或熔模壳型铸型中；
6、开箱：待铸型完全冷却后进行开箱，自浇注完成起算，在下述时间内完成开箱：树脂砂铸型6h～8h，金属型铸型4h～5h，熔模壳型铸型12h～14h。
本发明的工作原理是：添加Ni元素可有效地提高合金热稳定性能与强度，Cu元素的加入不仅减小了Al-Sn共晶网状结构的尺寸，同时固溶过程析出Al2Cu相的弥散强化效果，使得合金强度与疲劳性能得以提高；Si元素添加后硅相颗粒的“抛光机制”，改善了合金的承载能力与热膨胀系数；Mg元素可细化Sn相，抑制硅相颗粒与Al-Sn离异共晶组织的长大；Fe元素可细化晶粒组织并提高合金的热稳定性能，Al-Sn-Ni-Cu系轴承合金在国外得到了广泛的研究与工业应用。
实施例1，本发明制备的铝锡镍铜基轴承合金。
1、备料：按照合金中各成分的质量百分数称取各种原料，然后将原料放入烘箱内在240℃下烘烤65min；原料为：99.99％的工业纯铝；纯锡铸锭，工业纯铝与纯锡铸锭的质量比为1：6.04％；纯镁铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：0.35％；纯铜铸锭，工业纯铝与纯铜铸锭的质量比为1：1.11％；Al-10Ni中间合金，工业纯铝与Al-10Ni中间合金的质量比为1：0.94％；Al-4Fe中间合金，工业纯铝与Al-4Fe中间合金的质量比为1：0.28％；Al-12Si中间合金，工业纯铝与Al-12Si中间合金的质量比为1：0.51％；Al-4Mn中间合金，工业纯铝与Al-4Mn中间合金的质量比为1：0.39％；Al-5Ti中间合金，工业纯铝与Al-5Ti中间合金的质量比为1：0.19％；
2、熔化纯铝铸锭：将纯铝铸锭放入600Kg电阻熔化炉内，升温加热到800℃，保温50min；
3、成分调整：将电阻熔化炉升温至825℃，加入Al-10Ni、纯Cu铸锭和Al-4Fe中间合金，熔炼时间为35min，随后降温至741℃，再加入Al-5Ti-B中间合金、Al-4Mn中间合金和Al-12Si中间合金，熔炼时间为42min，之后采用C2Cl6与TiO2精炼除气16min，随后降温至685℃，加入纯Mg铸锭与纯Sn铸锭，熔炼时间为16min，静置13min，得到铝锡镍铜基轴承合金熔体；
4、搅拌：将铝锡镍铜基轴承合金熔体转移至工频保温炉内，调整工频保温炉温度为712℃，采用石墨棒持续搅拌8min；
5、浇注：开启工频保温炉的浇注孔，在705℃将铝锡镍铜基轴承合金熔体浇注至金属型铸型中；
6、开箱：待铸型完全冷却后进行开箱，选择在4.5h开箱，之后进行低温时效处理，时效温度为175℃，保温时间为10h。
对本发明实例1制备的铝锡镍铜基轴承合金进行本体剖切取样，表1所示为力学性能测试结果。
表1发明实例1铝锡镍铜基轴承合金力学性能测试结果
实施例2，本发明制备的铝锡镍铜基轴承合金。
1、备料：按照合金中各成分的质量百分数称取各种原料，然后将原料放入烘箱内在260℃下烘烤70min；原料为：99.99％的工业纯铝；纯锡铸锭，工业纯铝与纯锡铸锭的质量比为1：7.46％；纯镁铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：0.56％；纯铜铸锭，工业纯铝与纯铜铸锭的质量比为1：2.74％；Al-10Ni中间合金，工业纯铝与Al-10Ni中间合金的质量比为1：1.43％；Al-4Fe中间合金，工业纯铝与Al-4Fe中间合金的质量比为1：0.62％；Al-12Si中间合金，工业纯铝与Al-12Si中间合金的质量比为1：1.22％；Al-4Mn中间合金，工业纯铝与Al-4Mn中间合金的质量比为1：0.88％；Al-5Ti中间合金，工业纯铝与Al-5Ti中间合金的质量比为1：0.36％；
2、熔化纯铝铸锭：将纯铝铸锭放入600Kg电阻熔化炉内，升温加热到808℃，保温60min；
3、成分调整：将电阻熔化炉升温至838℃，加入Al-10Ni、纯Cu铸锭和Al-4Fe中间合金，熔炼时间为42min，随后降温至748℃，再加入Al-5Ti-B中间合金、Al-4Mn中间合金和Al-12Si中间合金，熔炼时间为54min，之后采用C2Cl6与TiO2精炼除气19min，随后降温至698℃，加入纯Mg铸锭与纯Sn铸锭，熔炼时间为19min，静置14min，得到铝锡镍铜基轴承合金熔体；
4、搅拌：将铝锡镍铜基轴承合金熔体转移至工频保温炉内，调整工频保温炉温度为728℃，采用石墨棒持续搅拌14min；
5、浇注：开启工频保温炉的浇注孔，在718℃温度范围内将铝锡镍铜基轴承合金熔体浇注至树脂砂铸型中；
6、开箱：待铸型完全冷却后进行开箱，选择在7.5h开箱，之后进行低温时效处理，时效温度为180℃，保温时间为8.5h。
对本发明实例2制备的铝锡镍铜基轴承合金进行本体剖切取样，表2所示为力学性能测试结果。
表2发明实例2铝锡镍铜基轴承合金力学性能测试结果
实施例3，本发明制备的铝锡镍铜基轴承合金。
1、备料：按照合金中各成分的质量百分数称取各种原料，然后将原料放入烘箱内在275℃下烘烤78min；原料为：99.99％的工业纯铝；纯锡铸锭，工业纯铝与纯锡铸锭的质量比为1:6.28％；纯镁铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：0.39％；纯铜铸锭，工业纯铝与纯铜铸锭的质量比为1：1.26％；Al-10Ni中间合金，工业纯铝与Al-10Ni中间合金的质量比为1：1.12％；Al-4Fe中间合金，工业纯铝与Al-4Fe中间合金的质量比为1：0.35％；Al-12Si中间合金，工业纯铝与Al-12Si中间合金的质量比为1：0.89％；Al-4Mn中间合金，工业纯铝与Al-4Mn中间合金的质量比为1：0.49％；Al-5Ti中间合金，工业纯铝与Al-5Ti中间合金的质量比为1：0.21％；
2、熔化纯铝铸锭：将纯铝铸锭放入650Kg电阻熔化炉内，升温加热到796℃，保温57min；
3、成分调整：将电阻熔化炉升温至824℃，加入Al-10Ni、纯Cu铸锭和Al-4Fe中间合金，熔炼时间为40min，随后降温至747℃，再加入Al-5Ti-B中间合金、Al-4Mn中间合金和Al-12Si中间合金，熔炼时间为53min，之后采用C2Cl6与TiO2精炼除气17min，随后降温至694℃℃，加入纯Mg铸锭与纯Sn铸锭，熔炼时间为18min，静置14min，得到铝锡镍铜基轴承合金熔体；
4、搅拌：将铝锡镍铜基轴承合金熔体转移至工频保温炉内，调整工频保温炉温度为726℃，采用石墨棒持续搅拌13min；
5、浇注：开启工频保温炉的浇注孔，在715℃将铝锡镍铜基轴承合金熔体浇注至熔模壳型铸型中；
6、开箱：待铸型完全冷却后进行开箱，选择在13h开箱，之后进行低温时效处理，时效温度为170℃，保温时间为8.2h。
对本发明实例3制备的铝锡镍铜基轴承合金进行本体剖切取样，表3所示为力学性能测试结果。
表3发明实例3铝锡镍铜基轴承合金力学性能测试结果
实施例4，本发明制备的铝锡镍铜基轴承合金。
1、备料：按照合金中各成分的质量百分数称取各种原料，然后将原料放入烘箱内在272℃温度下烘烤74min；原料为：99.99％的工业纯铝；纯锡铸锭，工业纯铝与纯锡铸锭的质量比为1:7.14％；纯镁铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：0.44％；纯铜铸锭，工业纯铝与纯铜铸锭的质量比为1：2.55％；Al-10Ni中间合金，工业纯铝与Al-10Ni中间合金的质量比为1：1.22％；Al-4Fe中间合金，工业纯铝与Al-4Fe中间合金的质量比为1：0.53％；Al-12Si中间合金，工业纯铝与Al-12Si中间合金的质量比为1：1.12％；Al-4Mn中间合金，工业纯铝与Al-4Mn中间合金的质量比为1:0.76％；Al-5Ti中间合金，工业纯铝与Al-5Ti中间合金的质量比为1:0.25％；
2、熔化纯铝铸锭：将纯铝铸锭放入700Kg电阻熔化炉内，升温加热到803℃，保温55min；
3、成分调整：将电阻熔化炉升温至833℃，加入Al-10Ni、纯Cu铸锭和Al-4Fe中间合金，熔炼时间为42min，随后降温至744℃，再加入Al-5Ti-B中间合金、Al-4Mn中间合金和Al-12Si中间合金，熔炼时间为44min，之后采用C2Cl6与TiO2精炼除气17min，随后降温至692℃，加入纯Mg铸锭与纯Sn铸锭，熔炼时间为18min，静置13min，得到铝锡镍铜基轴承合金熔体；
4、搅拌：将铝锡镍铜基轴承合金熔体转移至工频保温炉内，调整工频保温炉温度为727℃，采用石墨棒持续搅拌11min；
5、浇注：开启工频保温炉的浇注孔，在717℃将铝锡镍铜基轴承合金熔体浇注至树脂砂铸型中；
6、开箱：待铸型完全冷却后进行开箱，选择在6.8h开箱，之后进行低温时效，时效温度为180℃，保温时间为12h。
对本发明实例4制备的铝锡镍铜基轴承合金进行本体剖切取样，表4所示为力学性能测试结果。
表4发明实例4铝锡镍铜基轴承合金力学性能测试结果
实施例5，本发明制备的铝锡镍铜基轴承合金。
1、备料：按照合金中各成分的质量百分数称取各种原料，然后将原料放入烘箱内在255℃烘烤72min；原料为：99.99％的工业纯铝；纯锡铸锭，工业纯铝与纯锡铸锭的质量比为1：7.34％；纯镁铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：0.46％；纯铜铸锭，工业纯铝与纯铜铸锭的质量比为1：2.26％；Al-10Ni中间合金，工业纯铝与Al-10Ni中间合金的质量比为1：1.28％；Al-4Fe中间合金，工业纯铝与Al-4Fe中间合金的质量比为1：0.43％；Al-12Si中间合金，工业纯铝与Al-12Si中间合金的质量比为1：1.17％；Al-4Mn中间合金，工业纯铝与Al-4Mn中间合金的质量比为1：0.73％；Al-5Ti中间合金，工业纯铝与Al-5Ti中间合金的质量比为1：0.29％；
2、熔化纯铝铸锭：将纯铝铸锭放入600Kg电阻熔化炉内，升温加热到802℃，保温57min；
3、成分调整：将电阻熔化炉升温至834℃，加入Al-10Ni、纯Cu铸锭和Al-4Fe中间合金，熔炼时间为38min，随后降温至746℃，再加入Al-5Ti-B中间合金、Al-4Mn中间合金和Al-12Si中间合金，熔炼时间为49min，之后采用C2Cl6与TiO2精炼除气18min，随后降温至692℃，加入纯Mg铸锭与纯Sn铸锭，熔炼时间为17min，静置13min，得到铝锡镍铜基轴承合金熔体；
4、搅拌：将铝锡镍铜基轴承合金熔体转移至工频保温炉内，调整工频保温炉温度为724℃，采用石墨棒持续搅拌14min；
5、浇注：开启工频保温炉的浇注孔，在713℃温度范围内将铝锡镍铜基轴承合金熔体浇注至金属型铸型中；
6、开箱：待铸型完全冷却后进行开箱，选择在4.7h开箱，之后进行低温时效，时效温度为170℃，保温时间为14h。
对本发明实例5制备的铝锡镍铜基轴承合金进行本体剖切取样，表5所示为力学性能测试结果。
表5发明实例5铝锡镍铜基轴承合金力学性能测试结果
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种铝锡镍铜基轴承合金，其特征在于，该合金各组分的重量百分比为：锡，5.5％～6.5％；镍，0.8％～1.2％；铜，1.0％～2.4％；铁，0.2％～0.5％；镁，0.3％～0.5％；硅，0.4％～1.0％；锰，0.3％～0.7％；钛，0.15％～0.3％；余量为铝。
2.如权利要求1所述的铝锡镍铜基轴承合金的制备方法，其特征在于，制备的步骤如下：
2.1、备料：按照合金中各成分的质量百分数称取各种原料，然后将原料放入烘箱内在200℃～280℃的温度下烘烤至少60min；原料为：99.99％的工业纯铝；纯锡铸锭，工业纯铝与纯锡铸锭的质量比为1：(6.02％～7.48％)；纯镁铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：(0.33％～0.58％)；纯铜铸锭，工业纯铝与纯铜铸锭的质量比为1：(1.09％～2.76％)；Al-10Ni中间合金，工业纯铝与Al-10Ni中间合金的质量比为1：(0.92％～1.45％)；Al-4Fe中间合金，工业纯铝与Al-4Fe中间合金的质量比为1：(0.25％～0.64％)；Al-12Si中间合金，工业纯铝与Al-12Si中间合金的质量比为1：(0.47％～1.24％)；Al-4Mn中间合金，工业纯铝与Al-4Mn中间合金的质量比为1：(0.37％～0.90％)；Al-5Ti中间合金，工业纯铝与Al-5Ti中间合金的质量比为1：(0.18％～0.38％)；
2.2、熔化纯铝铸锭：将纯铝铸锭放入300Kg～800Kg电阻熔化炉内，升温加热到780℃～810℃，保温45min～65min；
2.3、成分调整：将电阻熔化炉升温至820℃～840℃，加入Al-10Ni、纯Cu铸锭和Al-4Fe中间合金，熔炼时间为30min～45min，随后降温至740℃～750℃，再加入Al-5Ti-B中间合金、Al-4Mn中间合金和Al-12Si中间合金，熔炼时间为40min～55min，之后采用C2Cl6与TiO2精炼除气15min～20min，随后降温至680℃～700℃，加入纯Mg铸锭与纯Sn铸锭，熔炼时间为15min～20min，静置12min～15min，得到铝锡镍铜基轴承合金熔体；
2.4、搅拌：将铝锡镍铜基轴承合金熔体转移至工频保温炉内，调整工频保温炉温度为710℃～730℃，采用石墨棒持续搅拌6min～15min；
2.5、浇注：开启工频保温炉的浇注孔，在700℃～720℃温度范围内将铝锡镍铜基轴承合金熔体浇注至树脂砂、金属型或熔模壳型铸型中；
2.6、开箱：待铸型完全冷却后进行开箱，自浇注完成起算，在下述时间内完成开箱：树脂砂铸型6h～8h，金属型铸型4h～5h，熔模壳型铸型12h～14h。
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