CN1334353A - 铝轴承合金 - Google Patents

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Abstract

一种铝轴承合金,包含,以质量计,3～40%的Sn0.5～7%的Si,0.05～2%的Fe,余量为Al,以及不可避免的杂质。在此合金中,包含Al－Si－Fe的三元金属间化合物和Si颗粒作为硬粒子。

Description

铝轴承合金
技术领域
本发明涉及通常用于汽车和工业机械中大功率发动机的轴承的一种铝轴承合金。
背景技术
上述类型的铝合金通常包含Sn以提供磨合性。Pb也提供铝合金磨合性。然而，Pb不易于均匀分布于合金中，并且是有害的元素之一。由于此原因，不使用Pb。
含Sn的板型铸铝轴承合金包覆到一支撑钢板上以便用于轴承。使用上述铝轴承合金制造轴承时，为了提高轴承合金的韧性和轴承合金与支撑钢板之间的粘附强度，包覆之后的退火是必需的。当退火使含Sn铝轴承合金处于高温条件时，合金组织中的Al晶粒和Sn相粗化以致于铝轴承合金的高温硬度和疲劳强度降低。
基于以上问题，已建议微小硬粒子，例如，具有直径小于5μm的Si颗粒应包含在铝合金中以便阻止Sn相和Al晶粒的粗化，并且提高Al基体的强度，因此铝轴承合金在高负荷和高温条件下提供好的轴承特性。
再者，JP-A-58-64332和JP-A-58-67841各自对上述相同目的出于不同于强化铝基体的考虑建议包含硬粒子。前者，JP-A-58-64332，揭示Si颗粒用做硬粒子，Si颗粒的尺寸和分布应使轴承特性特别是磨合性和抗擦伤性(anti-seizure)在高负荷和高温条件下快速地提高。常规Si颗粒大体上直径小于5μm。然而，作为热处理等条件改进的结果可以获得具有直径范围5μm和40μm的粗Si颗粒。粗Si颗粒在最初滑动阶段刮去轴表面的突起和轴表面上类似于环绕球状石墨的飞边的边，导致轴承平滑滑动(研磨)。结果，甚至在高负荷条件下擦伤也被阻止，因此，抗擦伤特性显著提高。
另一方面，后一公开，JP-A-58-67841，揭示含有Mn，Fe，Mo，Ni，Zr，Co，Ti，Sb，Cr和Nb中至少之一或由其组成的颗粒结晶成一单独金属或与铝析出或形成含Mn等的金属间化合物。其进一步揭示具有直径范围5到40μm的析出的金属间化合物或结晶的单独金属具有与上述JP-A-58-64332中Si颗粒相同的效果。例如，当加入到铝合金时，虽然不能确定结晶性，但含Mn等的硬粒子确定存在，或Mn等结晶成单独金属。这样，JP-A-58-64332建议Mn，Fe等在不含Si的合金中作为加速合金中硬粒子的形成的元素。
考虑含Si合金，仅仅Si颗粒是通常在铝轴承合金中结晶出的硬粒子。考虑不含Si的合金，加入的金属在初始条件下结晶，或者建议结晶两元金属间化合物而不具体描述结晶物质。此外，粗硬粒子引起轴的研磨，因此，抗擦伤特性提高。
Al中含有的硬粒子为了提高强度通常均匀地分布。随着颗粒尺寸变小，产生大的效果。因此，当硬粒子如Si象上述公开中的粗化时，铝基体的强度降低以致于抗疲劳性降低。换言之，对于结晶颗粒的尺寸，当为了提高抗疲劳强度而减小结晶颗粒的直径时，抗擦伤性并不能提高。相反，结晶颗粒的直径增加以使抗擦伤性提高时，抗疲劳强度不能提高。
发明内容
因此，本发明的目的是提供铝轴承合金，通过硬粒子提高其抗擦伤特性而不降低其抗疲劳性。
在铝轴承合金中上述目的可以通过结晶Al-Si-Fe的三元金属间化合物或Al-Si-Fe基的多元金属间化合物实现。更确定地，本发明提供铝轴承合金，其特征在于，以质量计，3～40％的Sn，0.5～7％的Si，0.05～2％的Fe，余量为Al，以及不可避免的杂质，并且其中包含Al-Si-Fe的三元金属间化合物和Si颗粒作为硬粒子。
第一种优选形式中，铝轴承合金进一步的特征在于，具有其量或总量为0.01～3％的Mn，V，Mo，Cr，Co，Ni和W中的至少一种或多种，其中所述Mn，V，Mo，Cr，Co，Ni和W中的一种或多种加入到Al-Si-Fe中以获得作为硬粒子的多元金属间化合物。
在第二种优选形式中，在轴承表面硬粒子具有最大直径为1～20μm，每1mm2硬粒子的数量为6～100个。
在第三种优选形式中，所述合金包含，以质量计，0.01～2％的至少一或多种B，Ti和Zr。
在第四种优选形式中，所述合金包含，以质量计，0.1～5％的至少一或多种Cu，Mg和Zn。
下面描述Al-Si-Fe金属间化合物的结晶。首先，在众所周知的三元态Al-Si-Fe中，三元共晶化合物是Fe2Al9Si2相，以及具有573℃的结晶温度。共晶反应表示成 。
图1表示本发明权利要求1要求的Al-Sn-Si-Fe合金的组织。由图1明显地看出，Al-Si-Fe三元金属间化合物结晶成针状、棒状或板状共晶化合物。图2表示本发明权利要求2要求的合金如Al-Sn-Si-Fe-Mn合金的组织。图2中可以看出Al-Si-Fe-Mn的多元金属间化合物。图3表示Al-Sn-Si-Fe-Cr合金的组织。图3中可以看到Al-Si-Fe-Cr的多元金属间化合物。
多元金属间化合物如Al-Si-Fe-Mn或Al-Si-Fe-Cr具有多种形式，并且结晶成共晶化合物，其中包含具有三维不确定厚度的针状、棒状和板状形状的那些的化合物以复杂形式结合在一起。Al-Si-Fe三元金属间化合物和包含以Al-Si-Fe为基的多元金属间化合物非常稳定，其基本形状甚至在包覆支撑金属之后的热处理时也不改变。这些金属间化合物不同于仅含Si的合金。更确定地，Si结晶成类似三维相连的珊瑚的共晶。结晶Si通过铸造之后的轧制或包覆支撑金属之后的轧制而被压成碎片。进一步，Si在随后的热处理中也改变其形状。这是Si的一个特点，特别是在超过300℃的热处理中，Si改变成相对圆形以致于其表面张力降低。此倾向在含大量Sn的材料如Al-Sn轴承合金中增强。
然而，本发明中所述的三元金属间化合物或多元金属间化合物在通常热处理下不改变其结晶形态并且不改变其形状。进一步，三元或多元金属间化合物在塑性变形轧制步骤或轴承制造过程中的包覆步骤中被压碎。然而，作为压碎的结果，金属间化合物呈具有尖锐边缘的形状如刃具的碎片。图4至图6表示此形状的一个例子。虽然Si颗粒通过轧制和热处理步骤圆形化并且破碎成小块，所说的三元或多元金属间化合物保留具有尖锐边缘的攻击性形状。
三元或多元金属间化合物即使其含量很小对副轴也具有研磨效应。特别地，三元或多元金属间化合物稳定了具有不稳初始磨损的轴和轴承之间的关系。这样，三元或多元金属间化合物可以有效地提高磨合性。更具体地，三元或多元金属间化合物刮去副轴表面的突起和副轴表面类似于环绕球状石墨的飞边的边。三元或多元金属间化合物进一步阻止由于与副轴的粘附造成的铝轴承合金的磨损，粘附是铝轴承合金的一个缺点。此外，三元或多元金属间化合物进一步刮去粘附物因此阻止由于粘附物造成的擦伤。再者，三元或多元金属间化合物甚至在轧制步骤之后也相对较大。细小粉碎的Si颗粒分布于Al基体中，因此提高Al基体的强度。结果，可以实现抗磨性和抗擦伤特性的提高以及抗疲劳强度的提高。
为了具有前述效果的金属间化合物可以刮去轴上的粘附物，轴承表面硬粒子如权利要求3所述，优选具有最大直径1至20μm，并且每1mm2上硬粒子的数量优选在6至100的范围。进一步，Si颗粒优选具有最大直径小于0.5μm，每1mm2上Si颗粒的数量优选200或更多。
每一种前述组分数量限制的原因描述如下。(1)Sn(3～40质量％)
Sn提高作为轴承的表面特性如抗擦伤特性、磨合性和可嵌入性。当Sn含量少于3％时，上述效果很小。当其超过40％时，轴承合金的机械特性变坏造成轴承特性的降低。优选Sn含量为6～20％。(2)Si(0.5～7质量％)
Si溶解于铝基体中，特别地结晶成Si颗粒的单一物质而细小分散，以便提高材料的抗疲劳强度和提高抗擦伤性和耐磨性。另一方面，为了形成Al-Si-Fe金属间化合物，Si是一个必要元素，并且Si提高研磨性能、抗擦伤性和耐磨性。当Si含量少于0.5％时，Si溶解到Al基体中，上述效果很小。当其超过7％时，其结晶粗化，因而降低轴承合金的疲劳强度。优选Si含量为2～6％。(3)Fe(0.05～2质量％)
为了产生上述效果，Fe主要以Al-Si-Fe金属间化合物的形式结晶。含Fe的金属间化合物阻止与副轴的擦伤(咬合)和提高耐磨性。当Fe含量在0.05～2％时此特点有效。当Fe含量少于0.05％时，上述效果很小。当Fe含量超过2％时，化合物粗化，轴承合金变脆，因此引起轧制加工困难。优选Fe含量为0.07％～1％。(4)Mn，V，Mo，Cr，Co，Ni和W(至少这些元素之一：总量为0.01～3质量％)
这些是组成本发明多元金属间化合物的可选元素。更具体地，当选择元素α加入到Al-Si-Fe中时，生成多元金属间化合物Al-Si-Fe-α。所选元素以单一物质形式溶解于铝基体中，以强化基体。当每种元素的含量少于0.01％时多元金属间化合物的效果不能获得。当每种元素的含量超过3％时，多元金属间化合物过分粗化，轴承合金的物理特性降低，并且，轴承合金的塑性加工性如轧制性能降低。优选含量为0.2％～2％。(5)B，Ti和Zr(至少这些元素之一：总量为0.01～2质量％)
这些可选元素溶解到铝基体中以提高轴承合金的疲劳强度，而对Al-SI-Fe金属间化合物的形成无贡献。当含量少于0.01％时前述效果很小。当含量超过2％时，轴承合金变脆。优选含量为0.02％～0.5％。(6)Cu，Mg和Zn(至少这些元素之一：总量为0.1～5质量％)
这些可选元素是提高铝基体强度的附加元素。固溶处理使这些元素溶解到铝基体中。当溶解有这些元素的基体冷却和时效时，可析出细小的化合物。当加入量少于0.1％时不能获得此效果。当加入量超过5％时，化合物变粗大。优选加入量为0.5％～4％。
附图说明
仅仅出于举例，本发明参考附图描述如下：
图1表示具有结晶的Al-Si-Fe三元金属间化合物的铝合金的显微照片；
图2表示具有结晶的Al-Si-Fe-Mn多元金属间化合物的铝合金的显微照片；
图3表示具有结晶的Al-Si-Fe-Cr多元金属间化合物的铝合金的显微照片；
图4是包含Al-Si-Fe三元金属间化合物的铝合金的显微照片，表示热轧之后合金的状态；
图5是包含Al-Si-Fe-Mn多元金属间化合物的铝合金的显微照片，表示热轧之后合金的状态；
图6是包含Al-Si-Fe-Cr多元金属间化合物的铝合金的显微照片，表示热轧之后合金的状态；
图7A和图7B表示对于Al-Si-Fe金属间化合物的组成和存在与否的检测结果；
图8表示Si颗粒的粒径和形状，以及Al-Si-Fe金属间化合物的粒径和形状的检测结果；以及
图9A和图9B表示疲劳、擦伤和磨损试验结果。
优选实施方式描述
本发明通过一个优选实施例描述。首先描述轴承制造方法。熔化具有图7B所示组成的铝轴承合金并通过连铸制作成15mm厚的板。在通过连铸制作的铝轴承合金板中，如图1所示Al-Si-Fe三元金属间化合物结晶或如图2或图3所示Al-Si-Fe和Mn、V、Mo、Cr、Co、Ni和W的一个或多个元素的多元金属间化合物结晶。进一步，Si颗粒析出。在前述铸造步骤中使合金板淬火。控制冷却速度以便结晶金属间化合物的尺寸优选在40～55μm之间。进一步，在铸造阶段Si共晶组织的尺寸优选小于40μm。
为了刮去连铸铝轴承合金板表面的偏析部分，进行了处理。之后，通过冷轧连续轧制合金板以便具有6mm的厚度。为了制备结合层在铝轴承合金板上包覆铝箔。合金板然后包覆到支撑钢板上以便制备双金属。随后进行退火以提高合金板与支撑钢板之间的结合强度。之后，进行固溶处理以强化合金。固溶处理中，双金属置于470℃的环境下20分钟。水淬之后，对双金属中的合金进行时效处理。在时效处理中双金属置于170℃环境下15小时。
作为进行前述轧制等的结果，金属间化合物被压碎，从而使其尺寸由初始的40～55μm降低到1～20μm。结果，金属间化合物形成具有锐边的多角形状。进一步，每平方毫米分布6～100个由金属间化合物组成的硬粒子。甚至在随后的热处理中硬粒子的尺寸和分布也几乎保持不改变。另一方面，在轧制等过程中Si颗粒也被压碎。时效处理之后，Si颗粒最终成为圆形，其最大直径小于5μm，每平方毫米上分布有200或更多个Si颗粒。接着，此双金属被机械加工成半圆柱形或半轴承。为了用于发动机上，两个这样的半轴承相互对接成圆柱形。
图7A和7B表示传统产品1～7和通过上述步骤制成的本发明的具有其中所示各自组成的产品8～25。考虑1～25的每一个产品，本发明人检测了Al-Si-Fe金属间化合物的存在与否以及其组成。图7A和7B还表示了检测结果。考虑每一个产品，本发明人还检测Si颗粒的晶粒直径(最大直径)和形状以及Al-Si-Fe金属间化合物的晶粒直径和形状。图8还表示检测结果。此外，本发明人还对产品1～25中的每一个进行了疲劳、擦伤和磨损试验。图9A和9B表示试验结果。在图9A和9B中，热处理包括固溶处理(470℃20分钟)和时效处理(170℃15小时)。表1至3表示疲劳、擦伤和磨损试验各自的条件。
                表1
                试验条件疲劳试验
油入口温度供油压力润滑油轴材料评价方法     100℃0.49MpaVG68JIS-S55C无疲劳发生的最大比载荷
               表2
               试验条件擦伤试验
转速圆周速度试验载荷油入口温度油流速润滑油轴材料评价方法     7200rpm20m/秒每10分钟增加10MPa100℃150ml/分钟VG22JIS-S55C当轴承背面的温度超过200℃或扭矩波动引起轴驱动带打滑时判断擦伤发生
             表3
             试验条件磨损试验
转速圆周速度试验载荷试验时间油流速润滑油轴材料     1000rpm1.0m/秒10MPa10小时运行：60秒 停止：30秒2ml/分钟VG22JIS-S55C
由图9A和9B可以明显地看出，本发明产品在抗疲劳、抗擦伤性和耐磨性方面相当于或好于现有技术产品。原因被认为是由于具有尖锐边缘的三元和多元金属间化合物的研磨效果以及由于细小Si颗粒的分布对Al基体的强度提高的效果。进一步，特别地对本发明的产品21～25的每一个进行了固溶处理和时效处理，Cu、Mg、Zn等在Al基体中溶解(固溶)以使基体的强度提高。进一步，产品21～25的每一个由于硬化引起的强度提高而具有好的疲劳性能。
前面的描述和图解仅仅是对本发明的原理性说明，并非是限制性解释。各种改变和改进对于本领域熟练的技术人员是明显的。所有这些改变和改进都在本发明权利要求书所定义的范围之内。

Claims (16)

1.一种铝轴承合金，其特征在于包括，以质量计，3～40％的Sn，0.5～7％的Si，0.05～2％的Fe，余量为Al，以及不可避免的杂质，并且包含Al-Si-Fe的三元金属间化合物和Si颗粒作为硬粒子。
2.根据权利要求1的铝轴承合金，其特征还在于包括，至少一种或多种Mn、V、Mo、Cr、Co、Ni和W，其量或总量为0.01～3％，并且所述一种或多种Mn、V、Mo、Cr、Co、Ni和W加入到Al-Si-Fe中以便包含多元金属间化合物作为硬粒子。
3.根据权利要求1的铝轴承合金，其特征在于轴承表面的硬粒子具有最大直径1～20μm并且每1mm2上硬粒子的数量为6～100。
4.根据权利要求2的铝轴承合金，其特征在于轴承表面的硬粒子具有最大直径1～20μm并且每1mm2上硬粒子的数量为6～100。
5.根据权利要求1的铝轴承合金，其特征进一步在于包括，以质量计，0.01～2％的至少一种或多种B、Ti和Zr。
6.根据权利要求2的铝轴承合金，其特征进一步在于包括，以质量计，0.01～2％的至少一种或多种B、Ti和Zr。
7.根据权利要求3的铝轴承合金，其特征进一步在于包括，以质量计，0.01～2％的至少一种或多种B、Ti和Zr。
8.根据权利要求4的铝轴承合金，其特征进一步在于包括，以质量计，0.01～2％的至少一种或多种B、Ti和Zr。
9.根据权利要求1的铝轴承合金，其特征进一步在于包括，以质量计，0.1～5％的至少一种或多种Cu、Mg和Zn。
10.根据权利要求2的铝轴承合金，其特征进一步在于包括，以质量计，0.1～5％的至少一种或多种Cu、Mg和Zn。
11.根据权利要求3的铝轴承合金，其特征进一步在于包括，以质量计，0.1～5％的至少一种或多种Cu、Mg和Zn。
12.根据权利要求4的铝轴承合金，其特征进一步在于包括，以质量计，0.1～5％的至少一种或多种Cu、Mg和Zn。
13.根据权利要求5的铝轴承合金，其特征进一步在于包括，以质量计，0.1～5％的至少一种或多种Cu、Mg和Zn。
14.根据权利要求6的铝轴承合金，其特征进一步在于包括，以质量计，0.1～5％的至少一种或多种Cu、Mg和Zn。
15.根据权利要求7的铝轴承合金，其特征进一步在于包括，以质量计，0.1～5％的至少一种或多种Cu、Mg和Zn。
16.根据权利要求8的铝轴承合金，其特征进一步在于包括，以质量计，0.1～5％的至少一种或多种Cu、Mg和Zn。
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