CN1817634A - 新型双层铝基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属金属复合材料技术领域，具体为一种双层铝合金板与钢板轧结而成的多层金属复合材料。其表面层为铝锡20铜合金，中间层为铝锌铅硅合金，底层为钢板。多层复合材料的制备方法包括合金的熔铸，合金的热处理、双铝合金板的轧制和复合板轧制等步骤，这里涉及熔铸温度的控制，热处理温度的控制，轧结变形量、轧结温度和轧结速度的控制等。本发明制备的多层复合材料具有良好的抗疲劳性、耐磨性、顺应性和嵌入性，可用于制备高转速、高负荷发动机的滑动轴瓦材料。

Description

新型双层铝基复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属金属复合材料技术领域，具体涉及一种双层铝合金与钢板轧结而成的多层复合材料及其制备方法和应用。

技术背景

作为发动机滑动轴承材料它应具有良好的抗疲劳性、耐磨性、顺应性和嵌入性、抗腐蚀性。

我国在七十年代初用轧结的方法研制成铝锡20铜合金一钢双金属板。此材料它的工作表面可不加镀层，直接与曲轴匹配，这对用于发动机的滑动轴承材料来说是一大突破，为以后几十年内汽车工业、农业机械、工程机械等行业的飞猛发展起了很大的作用。经过几十年实践证明，铝锡20铜合金由于其锡含量较高(20％)铜含量较低(1％)，合金较软，其抗疲劳值偏低(Mpa35)，仅适合于中等负荷、中等速度的发动机。随着发动机的升级换代朝高负荷，中高等速度小体积方向发展，因此铝锡20铜合金已满足不了发动机升级的要求。必须开发新品种合金。根据资料介绍，金属锌能使铝的抗拉强度及硬度成线性关系上升，锌在铝中可以成固溶态改变空间点阵间距，因而可降低铝的粘附性能。根据锌元素的特点，在九十年代初国内试制了铝锌铅硅合金(AlZn5Si1.5CuPbMg)，它的抗疲劳值(MPa50)，大大高于铝锡20铜合金，而铝锌铅硅合金的硬度(HB48-58)也远高于铝锡20铜合金(HB30-40)。由于此合金硬度高，其工作表面不能直接使用，必须电镀一层铅锡二元合金(Pbsn10)，不然对发动机曲轴或连杆的磨损较大。但又因为当锌含量过高时，可能引起应力腐蚀裂纹(尤其是热处理后的开裂)，在表面有镀层的情况下，锌可使镀层粘结性能下降，还会对轧结的粘结性能产生不利的影响，因此在铝锌铅硅合金上电镀铅锡(PbSn10)二元合金难度较大且不稳定，镀层易剥落。铝锌铅硅合金虽有较高的抗疲劳值，由于有上述缺点，作为发动机轴瓦材料的推广应用性较小。鉴于锌元素对铝合金有利和不利的因素，以及铝锡20铜合金材料本身具有的优缺点，为使合金材料的抗疲劳强度值满足中、高等发动机需要，申请人确定选用双层铝合金与钢板轧结成多层复合材料。多层复合材料对加工工艺带来新的挑战，尤其是多层合金的粘结牢度、各层的厚度控制，经过不断的探索和试验，攻克了工艺难关。

发明内容

本发明目的在于提供一种既有较高的抗疲劳性和耐磨性，又有较好的顺应性、嵌入性和抗腐蚀性的金属复合材料及其制备方法，并将该材料用于高负荷、高转速发动机的滑动轴瓦的制备。

本发明提出的金属复合材料是由双层铝合金与钢板轧结制成的多层复合材料，各层的材料组成成分如下：

1、表面层：铝锡20铜合金，厚度为0.3-0.6mm，

a.成份(重量％)：

Sn：17.5-22.5，Cu：0.7-1.3，Fe：≤0.5，Al：余量。

b.力学性能：

抗拉强度MPa  95-115，

屈服强度MPa  45-60，

伸长率％     20-26，

硬度HB       30-40。

c.其金相结构为α基体上铝锡共晶均匀弥散分布。

2.中间层：铝锌铅硅合金，厚度为0.3-0.4mm；

a.成份(重量％)：

Zn：4.5-5.5，Pb：0.7-1.3，Si：1.0-2.0，

Cu：0.9-1.2，Mg：0.4-0.6，Al：余量。

b.力学性能：

抗拉强度MPa  190-220，

屈服强度MPa  90-105，

伸长率％     17-21，

硬度HB       48-58。

c.其金相结构为α基体上铅硅呈游离状均匀分布。

将上述两种铝基合金材料轧结成双铝合金板，其力学性能：

抗拉强度MPa  115-140，

屈服强度MPa  55-70，

伸长率％     18-26，

硬度HB 铝锡20铜 30-40  铝锌铅硅40-50

3.底层：钢板(例如采用牌号为SPHC，外购)，厚度为1.5-5.5mm。

a.成份(重量％)：

C：≤0.15，Si：≤0.05，Mn：≤0.60，P≤0.035，S≤0.035，Fe：余量。

b.力学性能：

抗拉强度MPa≥270，

硬度HB   160-220，

伸长率％ ≥31。

上述多层金属复合材料的制备方法，包括合金熔铸、合金处理、双铝合金板轧制和复合板轧制等步骤，具体过程如下：

①合金熔铸

铝锡20铜合金：以前述组分的重量百分比配制锡、铜、铝，在熔炼炉中溶炼，熔炼温度730-750℃，浇铸成合金锭。例如浇铸成22×300×700mm的铸锭。

铝锌铅硅合金：以前述组分的重量百分比配制锌、铅、硅、铜、镁、铝，在熔炼炉中溶炼，熔炼温度750-770℃，浇铸成合金铸。例如浇铸成22×300×700mm的铸锭。

②合金处理：

铝锌铅硅合金：

a：多次热处理，一般为2-3次，热处理温度400-500℃，时间2.5-3.5小时，使其组织均匀。

b：热轧，380-410℃。

铝锡20铜合金：用轧结方法在此合金两表面包复纯铝层，以防止热处理时锡渗出。

③双铝合金板轧制：用轧结的方法把铝锌铅硅合金与包复纯铝后的铝锡20铜合金轧成板材。一般控制其轧结变形量不小于40％，轧结速度为4-6米/分。

轧结时，铝锡20铜合金为冷轧；铝锌铅硅合金为热轧，即将铝锌铅硅合金加热到300-350℃，然后轧制。

④钢板表面处理：清洗、抛光。

⑤用轧结的方法将双铝合金板与钢板复合，使其成为多层复合材料。一般控制其轧结变形量不小于45％，轧结速度为4-6米/分，冷轧。

上述方法中关键技术如下：

①由于铝锌铅硅合金中锌的含量较高，而硅及锌在400℃左右具有最佳热塑性，故需用热轧的方式对合金铸锭进行加工。

②为保证铝锌铅硅合金与铝锡20铜合金之间的粘结牢度，故在铝锡20铜合金两表面上包复两层纯铝，它的作用：(a)防止热处理时低熔点锡渗出影响成份，(b)增强铝锌铅硅合金与铝锡20铜合金的粘结力。

③双铝合金板的轧制时，其变形量控制40％以上，以保证双铝的牢度不分层，又保证两层合金的各自厚度要求。

④双铝合金板的疲劳强度值取决于双铝中两层合金的厚薄分配以及铝锌铅硅合金中的铅、硅呈游离状均匀分布，因此在合金熔炼时分别添加铝钛硼稀土作为晶粒细化剂(加入量分别为该合金重量的2-2.5％)，使其达到弥散均匀分布。

⑤双铝合金板与钢板结合牢度与轧结力有关，经过反复试验，其轧结变形量控制在45％以上。经弯曲试验表明，其粘结牢度非常好。

由本发明制得的上述多层金属复合材料具有良好的加工工艺性能，双铝合金板与钢板复合后其结合性能良好，弯曲试验无分层，合金表面无气泡、裂纹和杂质物。双铝合金板具有较高的疲劳强度和承载能力，其工作表面不加镀层，可直接使用。该多层金属复合板可用于制备高负荷、高转速发动机的轴瓦。其综合性能优于目前常用的轴瓦材料。其性能对比如下表：

	CuPb24Sn4	AlS20Cu	AlEn5PbSi	双铝合金
					抗拉强度MPa	140	105	210	115-140
屈服强度MPa	70	55	95	55-70
					伸长率％	6	20	18	18-26
疲劳值N/mm2	＜50	＜35	＜50	＜45
					工作特性	需加PbSnCu镀层	不加镀层	需加PbSn镀层(镀层极不稳定)	不加镀层
使用特性	具有较高的疲劳强度和承载能力，适用于中高速发动机	具有中等疲劳强度和承载能力，适用于中速发动机	具有较高的疲劳强度和承载能力，	具有较高的疲劳强度和承载能力，适用于中高速发动机

综上所述，本发明的各项性能指标高于铝锡20铜合金，与铜铅合金相仿，同时本发明具有工作表面不加镀层可直接与轴匹配等特点。

具体实施方式

实施例1

表面层：铝锡20铜合金

Sn％    Cu％   Fe％    Al％

19.68     1.2      0.34      余量；

硬度值HB 32.4；

中间层：铝锌铅硅合金

Zn％    Cu％    Mg％    Pb％    Si％    Al％

4.52      0.99      0.58      1.28      1.47      余量；

硬度值HB 46；

底层：钢板，采用SPHC。

力学性能符合要求，经180°弯曲多层复合材料无分层。

实施例2：

表面层：铝锡20铜合金

Sn％    Cu％    Fe％    Al％

19.3      1.15      0.31      余量；

硬度值HB 33.2；

中间层：铝锌铅硅合金：

Zn％    Cu％    Mg％    Pb％    Si％    Al％

4.72      0.93      0.56      1.34      1.53      余量；

硬度值HB 42；

底层：钢板，采用SPHC。

力学性能符合要求，经180°弯曲多层复合材料无分层。

实施例3：

表面层：铝锡20铜合金：

Sn％    Cu％    Fe％    Al％

18.9      1.03      0.23      余量；

硬度值HB 34.2；

中间层：铝锌铅硅合金：

Zn％    Cu％    Mg％    Pb％    Si％    Al％

4.96      1.03      0.48      1.43      1.64      余量；

硬度值HB 43.2；

底层：钢板，采用SPHC。

力学性能符合要求，经180°弯曲多层复合材料无分层。

实施例4：

表面层：铝锡20铜合金

Sn％    Cu％    Fe％    Al％

19.3      1.07      0.36      余量

硬度值HB 34.2

中间层：铝锌铅硅合金

Zn％    Cu％    Mg％    Pb％    Si％    Al％

5.11      1.08      0.43      1.54      1.32      余量

硬度值HB 43.6；

底层：钢板，采用SPHC。

力学性能符合要求，经180°弯曲多层复合材料无分层。

实施例5：

表面层：铝锡20铜合金：

Sn：19.28％，Cu：1.02％，Fe：0.38％，Al：余量；

硬度值HB 33.5；

中间层：铝锌铅硅合金

Zn：4.50％，Cu：0.97％，Mg：0.56％，Pb：1.28％，Si：1.6％，Al：余量。

硬度值HB 48；

双铝合金板的力学性能：

抗拉强度MPa 130，

屈服强度MPa 64，

伸长率％    24，

弯曲180°，无分层。

上实施例中制备工艺参数选取如下：

工艺条件		例1	例2	例3	例4	例5
							表面层熔铸	温度(℃)	730	740	750	750	730
细化剂加入量(％)	2	2.5	2.3	2.5	2
						中间层熔铸		温度(℃)	750	760	770	760	750
细化剂加入量(％)	2	2.5	2.3	2.5	2

中间层处理	热处理温度(℃)	400	430	450	440	400
							热轧温度(℃)	380	390	400	410	410
	双铝合金板轧制	变形量(％)	40	45	50	40							45
速度							4	5	6	5.5	6
		多层复合板轧制	变形量(％)	45	50	55						48	50
速度	4						5	6	5.5	6

上述实施例制备的多层复合材料均具有优良的机械力学性能和工艺加工性能，可以用作各种高转速发动机的轴承材料。

Claims (5)

1、一种双层铝基复合材料，其特征在于由双层铝合金与钢板轧结制成，其各层组成成分如下：

表面层：铝锡20铜合金，厚度为0.3-0.6mm，

按重量％计的成份：

Sn：17.5-22.5，    Cu：0.7-1.3，     Fe：≤0.5，    Al：余量；

中间层：铝锌铅硅合金，厚度为0.3-0.4mm；

按重量％计的成份：

Zn：4.5-5.5，  Pb：0.7-1.3，  Si：1.0-2.0，

Cu：0.9-1.2，  Mg：0.4-0.6，  Al：余量。

底层：钢板，厚度为1.5-5.5mm。

2、一种如权利要求1所述的双层铝基复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

①合金熔铸

铝锡20铜合金：以所述组分的重量百分比配制锡、铜、铝，在熔炼炉中溶炼，熔炼温度730-750℃，浇铸成合金锭；

铝锌铅硅合金：以所述组分的重量百分比配制锌、铅、硅、铜、镁、铝，在熔炼炉中溶炼，熔炼温度750-770℃，浇铸成合金铸；

②合金处理：

铝锌铅硅合金：

a：多次热处理，热处理温度400-500℃，时间2.5-3.5小时，使其组织均匀；

b：热轧，380-410℃；

铝锡20铜合金：用轧结方法在此合金两表面包复纯铝层，以防止热处理时锡渗出；

③双铝合金板轧制：用轧结的方法把铝锌铅硅合金与包复纯铝后的铝锡20铜合金轧成板材；

④钢板表面处理：清洗、抛光；

⑤用轧结的方法将双铝合金板与钢板复合，使其成为多层复合材料。

3、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述两种合金熔铸时，分别加入晶粒细化剂铝钛硼稀土，加入量为该合金重量的2-2.5％。

4、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述双层铝合金板轧制时，轧结变形量不小于40％，轧结速度为4-6米/分；轧结时，铝锡20铜为冷轧，铝锌铅硅为热轧：先加热到300-350℃，然后轧制。

5、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述双层铝合金板与钢板轧制时，轧结变形量不小于45％，轧结速度为4-6米/分，冷轧。