CN113441701B

CN113441701B - 厚壁铝基双金属轴承的制造方法及厚壁铝基双金属轴承

Info

Publication number: CN113441701B
Application number: CN202110807396.0A
Authority: CN
Inventors: 尹忠慰
Original assignee: Shanghai Lianyi Bearing Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Lianyi Bearing Technology Co ltd
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2021-07-16
Publication date: 2023-05-16
Anticipated expiration: 2041-07-16
Also published as: CN113441701A

Abstract

本发明公开了一种厚壁铝基双金属轴承的制造方法，其制备步骤包括：S1、准备钢背，对钢背表面进行除油和除锈处理；S2、将钢背置于助镀剂中进行助镀，取出钢背，于150℃下烘烤，待用；S3、将铝锭加热至熔化，然后加入铝基中间合金至熔化后再加入低熔点金属，熔化后，搅拌均匀，加入精炼剂进行精炼除气，最后在熔体表面撒上覆盖剂；S4、预热模具；S5、去除熔体表面的覆盖剂，将经助镀处理后的钢背浸入到铝合金熔体中，撒上覆盖剂并进行热浸镀处理；热浸镀完成后，去除表面的覆盖剂并取出钢背，将其固定在模具内对其进行浇铸；S6、将浇铸完成后的坯料于200‑400℃下保持1h‑2h，随后空冷。本发明的制造方法工艺简单、制造成本低、适合于大批量生产。

Description

厚壁铝基双金属轴承的制造方法及厚壁铝基双金属轴承

技术领域

本发明涉及一种双金属轴承的制造方法，具体涉及一种应用于金属凝固控制技术领域及滑动轴承制造领域的厚壁铝基双金属轴承的制造方法。此外，本发明还提供了一种由该方法制造得到的厚壁铝基双金属轴承。

背景技术

常用的金属类滑动轴承合金材料主要有巴氏合金、铜基合金和铝基合金。巴氏合金的显微组织是经典的“双相结构”，即软Sn或Pb基体组织中分布着硬脆的共晶体化合物相，软的Sn或Pb基体能提供良好的变形能力以及润滑特性。合金具有很好的嵌藏性、顺应性、抗咬合性、减摩性、低的热膨胀系数以及良好的工艺性能，硬质的共晶体化合物相可增加合金的耐磨性和机械强度，但其基体的强度很低、基体承载能力和疲劳强度在工作温度升高到100℃会大幅度下降，因此只能应用于小型、轻载的汽车发动机轴瓦或衬套。铜基合金比巴氏合金具有更高的疲劳强度，且其在添加了某些软金属，如锡、铅、镉、锑、锌和铋等之后具有了较好的自润滑性，能够满足现代高速高载发动机在各种工况下的使用要求，但其在嵌藏性、顺行性、抗咬合性方面比巴氏合金差。铝基合金中加入Zn、Cu元素固溶到铝基体中，能起到固溶强化的作用，加入Si元素在基体中则能形成硬质Si颗粒相，起到强化合金机械性能的作用。另一方面，在铝合金中添加Sn元素，能在合金基体中形成软质的Sn相，从而起到良好的润滑特性。因此，铝合金不仅拥有良好的疲劳强度和承载能力，又拥有巴氏合金所不具备的耐高温性能。由于铝合金具有较高的综合力学性能、热传导性能和良好的耐腐蚀性能，且资源丰富、价格低廉，铝基轴承合金的应用越来越广泛。

目前，铝基双金属轴承的制造方法主要有轧制复合法和溅射沉积法。轧制复合法对设备的要求较高，轧制过程需要产生大的机械变形、耗能大，且轧制后还需要经过长时间的扩散退火才能形成良好的冶金结合界面，生产流程复杂，不适合大批量生产。另外，轧制复合法仅适用于薄壁轴瓦的制造，其铝合金层的厚度为0.4-1.5mm，钢背层的厚度为1-4mm左右。溅射沉积法对设备的要求高、制备成本高、生产效率低，制备的铝合金层厚度在几微米到几十微米，不适用于大批量生产。而且，在风电和船舶行业，对轴承要求包括：需要承受高温、较大的轴向力、较大的载荷变化和冲击，因此，薄壁铝基轴瓦在此类行业的使用受到限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、操作方便、制造成本低、适合于大批量生产厚壁铝基双金属轴承的制造方法。此外，本发明的另一目的在于提供一种由该方法制得的厚壁铝基双金属轴承，其可广发应用于风电、船舶等行业。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种厚壁铝基双金属轴承的制造方法，包括以下制备步骤：

S1、准备钢背，并对钢背表面进行除油处理和除锈处理；

S2、将步骤S1中经除油除锈处理后的钢背置于助镀剂中进行助镀处理，随后取出钢背，烘烤待用；

S3、将铝锭加热至熔化，然后加入铝基中间合金至熔化后再加入低熔点金属，待各物质充分熔化后，搅拌均匀，并加入精炼剂进行精炼除气，最后在熔体表面撒上覆盖剂；

S4、预热模具；

S5、去除步骤S3中得到的熔体表面的覆盖剂，露出铝合金熔体，将步骤S2中经助镀处理后的钢背浸入到铝合金熔体中，并撒上覆盖剂，进行热浸镀处理；热浸镀处理完成后，去除表面的覆盖剂并取出钢背，将热浸镀处理后的钢背固定在模具内，并对其进行浇铸；

S6、将步骤S5中浇铸完成后的坯料进行保温处理，随后空冷即得所述厚壁铝基双金属轴承。

优选地：步骤S1中的除油处理包括：将钢背浸入NaOH溶液进行除油，随后取出清水清洗去除钢背表面残余的NaOH溶液。

优选地：步骤S1中的除锈处理包括：将钢背于浸入HCl溶液进行除锈，随后取出以清水清洗去除钢背表面残余的HCl溶液。

优选地：步骤S2中，所述助镀剂为水溶性盐溶液，且所述助镀处理的温度为60-80℃，时间为2-7min。

优选地：所述助镀剂为KF·2H₂O、KCl、以及Ni₂Cl的混合溶液。

优选地：步骤S3中，所述铝基中间合金为Al-Cu合金或Al-Si合金，所述低熔点金属为Sn或Zn。

优选地：步骤S5中，热浸镀处理的温度为700-760℃，时间为3-7min。

优选地：步骤S6中，所述保温处理的温度为200-400℃，时间为1-2h。

本发明的另一目的，提供了一种由如上所述的厚壁铝基双金属轴承的制造方法制得的厚壁铝基双金属轴承。

根据本发明的一实施方式：所述厚壁铝基双金属轴承包括铝基合金层、钢背以及位于铝基合金层和钢背之间的中间结合层。

与轧制复合铝基轴瓦相比，本发明的有益效果在于：1)轧制复合制备铝基轴瓦的工艺复杂，需经过钢板和铝板的前处理、轧制、轧后热处理、剪边、校直、卷圆等步骤；而本发明的制备工艺仅需经过前处理、助镀、熔炼、热浸镀和浇铸、以及保温冷却即可制备出成品轴瓦，工艺过程相对简单；2)轧制复合工艺制备的铝基轴瓦钢背的厚度和铝层的厚度都有限制，其中钢背的厚度在1mm-4mm之间，铝合金层的厚度在0.4mm-1.5mm之间；而本发明制得的铝基轴瓦钢背的厚度和铝层的厚度理论上没有限制，可以设计任意厚度的铝基复合轴瓦；3)轧制复合工艺制备的铝基轴瓦刚度不足，对轴承座的加工精度要求高，通常只能应用于汽车发动机、柴油机上，而本发明制得的厚壁铝基轴瓦，具有较高的强度和刚度，应用领域更加广泛，尤其可适用于风电、船舶等行业。

附图说明

图1示出了本发明所述的厚壁铝基双金属轴承的结构示意图。

具体实施方式

根据本发明的一个方面，提供了一种厚壁铝基双金属轴承(钢背+耐磨层)与内径之比大于0.05)的制造方法，其包括以下制备步骤：

S1、钢背表面前处理：在铸造铝基合金轴承之前，钢背的表面必须经过除油、除锈预处理，若不经除油和除锈处理，则钢背表面的油污和氧化膜会严重阻碍铝液和钢背的元素间的相互扩散，导致无法形成完整的冶金结合层，使得轴承的结合强度低、材料性能差。

在本发明中，除油过程采用将质量浓度为15％的NaOH溶液加热到60-80℃，然后将钢背浸入到加热后的NaOH溶液中保持5-10min，随后取出以清水清洗去除钢背表面残余的NaOH溶液。本发明采用NaOH溶液作为除油液，油脂和氢氧化钠发生皂化反应生成高级脂肪酸钠和能与水混溶的甘油，从而达到除油的目的。除油的目的在于提高后续助镀处理中，助镀液与钢背间的浸润性，若除油不彻底，则会导致钢背有油区域的浸润性差，将产生漏镀，而漏镀区域氧化后产生氧化膜，会阻止钢和铝元素之间的相互扩散，进而影响中间冶金层的完整性，导致氧化膜区域结合性差的问题。

此外，在上述除油过程中，NaOH的浓度优选15wt％，当浓度过大时，溶液碱性较强，腐蚀性也较强，影响生产安全性和环保性；而浓度过小时，则会导致除油时间延长，影响生产效率。另外，NaOH溶液的温度过高则会导致能源消耗增大，溶液蒸发加快，最终导致溶液浓度失控；而温度过低，则会导致皂化反应慢、除油时间长，影响生产效率。

所述除锈过程为将经除油处理后的钢背于常温下浸入质量浓度为15％的HCl中保持1-5min，随后取出以清水清洗去除钢背表面残余的HCl即可。

本发明采用酸洗除锈，铁的氧化物和盐酸反应生成FeCl₃或FeCl₂和水，从而达到去除氧化物的作用。除锈的目的是去除钢背上残余的氧化膜，如上所述，氧化膜的存在会阻止钢和铝元素间的相互扩散，影响中间冶金层的完整性，导致存在氧化膜区域结合差。

此外，在除锈过程中，HCl的质量浓度优选15％，浓度过大时Fe基体腐蚀严重，并且容易形成钝化膜，进而影响后续工艺过程；而浓度过低，则会导致酸洗时间过长，影响生产效率。

S2、助镀处理：将步骤S1中经除油除锈预处理后的钢背置于助镀剂中，于60-80℃下助镀2-7min，随后取出钢背，并于150℃下烘烤10min，待用。通过助镀处理，可在钢背表面覆盖一层致密的盐膜，其一方面可起到隔绝空气，防止钢背二次氧化的作用，另一方面，致密的盐膜在一定温度下可与钢表面的氧化物反应达到溶解和去除钢背表面氧化物的目的。此外，盐膜可降低熔融铝液的表面张力，增加铝液与钢背间的浸润性。

在本发明中，所述助镀剂优选采用浓度为100g/l-500g/l的水溶性盐溶液，其中，所述水溶性盐溶液为KF·2H₂O、KCl、以及Ni₂Cl的混合溶液，并且，KF·2H₂O、KCl、以及Ni₂Cl之间的用量比优选为3.2:2:1；若助镀剂浓度过高，则在后续的处理过程中，热浸镀铝表面附着残余的助镀剂，浇铸时与铝液反应产生气孔或渣孔，会保留在结合面上，影响结合性能；而助镀剂浓度过低，则无法形成完整的盐膜或是盐膜较薄(小于100μm)，在热浸镀时则会产生漏镀，影响结合性能；此外，助镀的温度优选60-80℃，助镀温度过低，会影响溶液的活性，增加助镀时间，影响生产效率；而助镀温度过高，则会显著增大能耗，且导致溶液蒸发加快，溶液浓度失控。

S3、熔炼处理：铝合金的熔炼处理在中频感应熔炼炉中进行，其过程包括：将纯铝锭置于中频感应熔炼炉中加热至730℃熔化，然后加入Al-Cu或Al-Si中间合金，最后根据轴瓦应用场景的不同，加入纯锡或纯Zn等低熔点金属，待各物质充分熔化后，使用石墨棒搅拌均匀，并以熔炼的金属的质量计，加入0.3wt％的精炼剂进行精炼除气，最后在熔体表面均匀撒上覆盖剂；其中，以熔炼的总金属的质量计，所述Sn的加入量为6％-40％，加入Sn后得到的Al-Sn合金具有耐磨性、耐蚀性、可嵌藏性优异的特点，同时承载能力和疲劳强度相对较高，被广泛应用于汽车、拖拉机、船舶等发动机上；而所述Zn的加入量为3％-5％，加入Zn后得到的Al-Zn合金承载能力高，可应用于重载轴承中；此外，在本发明中，所述精炼剂可采用本领域已知的惯用精炼剂，其主要成分为C₂Cl₆、KCl，K₃AlF₆等，所述覆盖剂也可采用本领域已知的惯用覆盖剂，其主要成分为KCl，NaCl，Na₃AlF₆等。本发明通过熔炼处理配置铝合金的成分，得到预定的铝合金熔体。

S4、模具预热：浇铸之前将模具置于400℃的炉子中预热，以防止浇铸过程中熔体热量损失过快而导致的浇铸失败，预热温度优选400℃，预热温度过低，浇铸过程中熔体热量损失过快会导致浇铸失败或者浇铸缺陷；而预热温度过高，则会显著增加能耗。

S5、热浸镀和浇铸：使用熔炼勺去除步骤S3中得到的熔体表面的覆盖剂，露出光亮的铝合金熔体，将步骤S2中经助镀处理后的钢背浸入到铝合金熔体中，并撒上覆盖剂，于700-760℃下热浸镀处理3min-7min；热浸镀完成后，去除表面的覆盖剂，露出光亮的铝合金熔体，并迅速取出钢背，将热浸镀后的钢背固定在预热后模具内，迅速对其进行浇铸，浇铸温度为700-760℃。

上述热浸镀过程中，钢背浸入铝液(铝合金熔体)中，助镀剂与氧化物发生反应去除表面氧化物，同时铝液与钢浸润，铝元素和钢中的铁元素相互扩散，在接触界面处形成扩散层，将钢背从熔池中取出时，钢表面覆盖有一层未完全凝固的铝，将热浸镀后的钢背固定在模具内，并将熔炼号的具有固定成分的铝液浇入模具中，此时，浇入的铝液与钢表面未凝固的铝液相互熔合并凝固，形成钢-冶金结合层-铝合金结构的复合材料。

对于热浸镀温度，本发明优选700-760℃，温度过低，则一方面助镀剂需要长时间的助镀才能反应完全，且温度过低容易导致冶金结合层薄，结合力较差；若温度过高，则一方面会导致钢表面覆盖一层未完全凝固的铝，表面氧化严重，后续浇铸时容易留在结合面上，影响结合强度，另一方面会导致冶金结合层太厚，增加结合层脆性，降低结合力。热浸镀时间过长，则会导致冶金结合层太厚，结合层脆性增加，结合力较差；若助镀时间过短，则冶金结合层薄，结合力也较差。最后，对于浇铸温度，本发明优选700-760℃，浇铸温度过低，则浇入的铝液与钢表面未凝固的铝液不能完全融合，将产生分层，导致结合强度降低；而浇铸温度过高，则会增大能耗，并会导致铝合金组织粗大。

S6、保温处理：将步骤S5中浇铸完成后的坯料置于200-400℃的烤箱中保持1h-2h，随后空冷即得本发明所述的厚壁铝基双金属轴承。浇铸完成后的该保温过程可确保凝固过程中铝合金的均匀收缩，避免产生较大的热应力而导致结合界面开裂。保温温度过低或保温时间过短，则会提高结合层开裂的倾向，严重时甚至脱层；而保温温度过高或保温时间过程，则会导致合金的晶粒粗大，导致材料性能下降。

根据本发明的另一个方面，其提供了一种由上述方法制得的厚壁铝基双金属轴承，其具有如图1所示的结构，包括铝基合金层1、钢背3以及位于铝基合金层1和钢背3之间含有Fe、Al等元素的中间结合层2。其中，中间结合层2的厚度一般为10-20μm；钢背3提供足够的强度和支撑，而铝基合金层1则为工作层。

实施例1

一种扇形铝基双金属轴瓦的制造方法，其包括以下制备步骤：

S1、根据扇形轴瓦的设计尺寸加工钢背和配套浇铸模具，钢背的尺寸尽量留出机加工余量1mm-2mm；

S2、对钢背进行除油处理以及除锈处理，其中，所述除油处理包括：采用水浴锅将浓度为15wt％NaOH溶液加热到70℃，然后将钢背浸入到该热的NaOH溶液中并保持8min后取出以清水清洗去除钢背表面残余的NaOH；所述除锈处理包括：在常温下，将钢背浸入到浓度为15％的HCl溶液中并保持3min，取出后以清水清洗去除钢背表面残余HCl；

S3、将步骤S2中经除油除锈处理的钢背浸入浓度为100g/l的助镀剂中，于70℃下助镀处理5min，随后取出钢背并于150℃下烘烤10min，待用，其中，所述助镀剂为KF·2H₂O、KCl、以及Ni₂Cl的混合溶液，并且，KF·2H₂O、KCl、以及Ni₂Cl之间的用量比为3.2:2:1；

S4、将纯铝锭置于中频感应熔炼炉中加热至730℃熔化，然后向其中加入Al-Cu合金至熔化后，加入20％的低熔点金属纯Sn，待各物质充分熔化后，以石墨棒搅拌均匀后，加入熔炼的金属重量的0.3％的精炼剂进行精炼除气，随后在熔体表面均匀撒上覆盖剂；

S5、浇铸之前将模具提前置于400℃的炉子中进行预热；

S6、使用熔炼勺去除步骤S4中得到的熔体表面的覆盖剂，露出光亮的铝合金熔体，将步骤S3中经助镀处理后的钢背浸入到铝合金熔体中，并撒上覆盖剂，使其均匀覆盖熔体表面，于730℃下热浸镀处理5min；热浸镀完成后，去除表面的覆盖剂，露出光亮的铝合金熔体，并迅速取出钢背，将热浸镀后的钢背固定在模具内，迅速对其进行浇铸，浇铸温度为750℃；

S7、将步骤S6中浇铸完成后的坯料置于300℃的烤箱中保持1h，随后空冷；

S8、将浇铸好的坯料机加工成扇形瓦片，并固定在瓦座上，制成推力轴承成品。

按ISO4386-2-2012测试了本实施例中轴承的双金属层的结合强度，为44MPa。

实施例2

一种厚壁铝基双金属轴承的制造方法，其包括以下制备步骤：

S1、设计尺寸加工钢背和配套浇铸模具，钢背的尺寸尽量留出机加工余量1mm-2mm；

S2、对钢背进行除油处理以及除锈处理，其中，所述除油处理包括：采用水浴锅将浓度为15wt％NaOH溶液加热到80℃，然后将钢背浸入到该热的NaOH溶液中并保持6min后取出以清水清洗去除钢背表面残余的NaOH；所述除锈处理包括：在常温下，将钢背浸入到浓度为15％的HCl溶液中并保持5min，取出后以清水清洗去除钢背表面残余HCl；

S3、将步骤S2中经除油除锈处理的钢背浸入浓度为300g/l的助镀剂中，于60℃下助镀处理7min，随后取出钢背并于150℃下烘烤10min，待用，其中，所述助镀剂为KF·2H₂O、KCl、以及Ni₂Cl的混合溶液，并且，KF·2H₂O、KCl、以及Ni₂Cl之间的用量比为3.2:2:1；

S4、将纯铝锭置于中频感应熔炼炉中加热至730℃熔化，然后向其中加入Al-Si合金至熔化后，加入3％低熔点金属纯Zn，待各物质充分熔化后，以石墨棒搅拌均匀后，加入熔炼金属重量的0.3％的精炼剂进行精炼除气，随后在熔体表面均匀撒上覆盖剂；

S5、浇铸之前将模具提前置于400℃的炉子中进行预热；

S6、使用熔炼勺去除步骤S4中得到的熔体表面的覆盖剂，露出光亮的铝合金熔体，将步骤S3中经助镀处理后的钢背浸入到铝合金熔体中，并撒上覆盖剂，使其均匀覆盖熔体表面，并于760℃下热浸镀处理3min；热浸镀完成后，去除表面的覆盖剂，露出光亮的铝合金熔体，并迅速取出钢背，将热浸镀后的钢背固定在模具内，迅速对其进行浇铸，浇铸温度为760℃；

S7、将步骤S6中浇铸完成后的坯料置于400℃的烤箱中保持1h，随后空冷；

S8、将浇铸好的坯料机加工成轴瓦，制得径向轴承成品。

按ISO4386-2-2012测试了本实施例中轴承的双金属层的结合强度，为42MPa。

本发明已通过优选的实施方式进行了详尽的说明。然而，通过对前文的研读，对各实施方式的变化和增加也是本领域的一般技术人员所显而易见的。申请人的意图是所有这些变化和增加落在了本发明权利要求的保护范围中。本文中使用的术语仅为对具体的实施例加以说明，其并非意在对本发明进行限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)均与本发明所属领域的一般技术人员的理解相同。任何对此产品进行的修饰与改良，在专利范围或范畴内同类或相近物质的替代与使用，均属于本发明专利保护范围。

Claims

1.一种厚壁铝基双金属轴承的制造方法，其特征在于：包括以下制备步骤：

S1、准备钢背，并对钢背表面进行除油处理和除锈处理，其中，所述除油处理包括：将钢背浸入到60-80℃的、质量浓度为15％的NaOH溶液进行除油，随后取出清水清洗去除钢背表面残余的NaOH溶液；所述除锈处理包括：将钢背于浸入质量浓度为15％的HCl溶液进行除锈，随后取出以清水清洗去除钢背表面残余的HCl溶液；

S2、将步骤S1中经除油除锈处理后的钢背在60-80℃下置于助镀剂中进行助镀处理2-7min，随后取出钢背，烘烤待用，其中，所述助镀剂为KF·2H₂O、KCl、以及NiCl₂的混合溶液，且其浓度为100g/l-500g/l，KF·2H₂O、KCl与NiCl₂之间的用量比为3.2:2:1；

S3、将铝锭加热至熔化，然后加入铝基中间合金至熔化后再加入低熔点金属，待各物质充分熔化后，搅拌均匀，并加入精炼剂进行精炼除气，最后在熔体表面撒上覆盖剂，其中，所述铝基中间合金为Al-Cu合金或Al-Si合金，所述低熔点金属为Sn或Zn，并且，所述Sn的加入量为6％-40％，所述Zn的加入量为3％-5％；

S4、于400℃下预热模具；

S5、去除步骤S3中得到的熔体表面的覆盖剂，露出铝合金熔体，将步骤S2中经助镀处理后的钢背浸入到铝合金熔体中，并撒上覆盖剂，于700-760℃下热浸镀处理3min-7min；热浸镀处理完成后，去除表面的覆盖剂并取出钢背，将热浸镀处理后的钢背固定在模具内，并对其在700-760℃下进行浇铸；

S6、将步骤S5中浇铸完成后的坯料进行保温处理，保温温度为200-400℃，时间为1-2h，随后空冷即得所述厚壁铝基双金属轴承。

2.一种厚壁铝基双金属轴承，其特征在于：其由权利要求1所述的厚壁铝基双金属轴承的制造方法制得。

3.根据权利要求2所述的厚壁铝基双金属轴承，其特征在于：其包括铝基合金层、钢背以及位于铝基合金层和钢背之间的中间结合层。