CN1818112B - 高强度中锡铝基合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属复合材料技术领域，具体为一种高强度中锡铝基合金材料及其制备方法和应用。该合金材料以铝为基体，添加锡(形成较软的铝锡共晶组成)、铜(强化基体强度)硅(增加耐磨性)，其中，硅的含量比较高。制备过程中，在合金熔铸阶段添加变质剂和晶粒细化剂；对熔铸的合金锭进行多次热处理，使其结构均匀化，然后进行小变形压延，以改变其组织结构。该合金材料具有良好的力学性能，具有高的抗疲劳性、耐磨性，有较好的顺应性、嵌入性和抗腐蚀性。该合金板材经包覆纯铝层后与钢板复合，可用作高速度、高强度发动机的滑动轴承材料。

Description

高强度中锡铝基合金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，具体涉及一种中锡铝基合金材料及其制备方法和应用。
技术背景
作为滑动轴承材料，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。
而以往绝大多数高转速、高强度发动机上滑动轴承大多选用抗疲劳性高烧结制成的铜铅-钢双金属材料，其中铜铅合金主要成份为铜、铅、锡(典型成份Pb：24％Sn：10％余量为Cu)，在加工成型后轴瓦内表面需用电镀的方式镀一层较软的铅锡铜(典型成份Sn：10％Cu：2％余量为Pb)镀层以提高其顺应性及嵌入性，保护连杆曲轴的磨损。
由于铜铅-钢双金属材料具有较高的抗疲劳性、耐磨性，因此近几十年来在高转速、高强度的发动机上被广泛采用。但同时材料本身的缺点也逐渐显露：a.由于我国燃油大多为酸性油，因此对铜的腐蚀作用明显。b.铜铅合金及镀层合金中含有大量Pb，它虽然增加了合金材料的顺应性及嵌入性，但在制造过程中对人体的危害较大，Pb污水，Pb蒸汽的环保处理难度较大。C.由于国际铜价的不断上扬，使材料成本不断上扬，同时使用时轴承工作表面需加电镀层，增加其制造成本。
为了克服上述弊端，申请人开始研发不含铅的，但抗疲劳性、耐磨性，都与铜铅相仿的新型材料，而且这新型材料又应具有较好的顺应性、嵌入性，工作表面不加镀层可直接使用，降低制造成本等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较高的抗疲劳性、耐磨性，有较好的顺应性、嵌入性、抗腐蚀性的高强度中锡铝基合金材料及其制备方法和应用。
发明人参照德国卡尔.斯密特公司(Karl Schmidt)KS980-1、英国格来西亚公司(Glacier)AS104等标准，确定选用以铝为基体，添加锡元素(形成较软的铝锡共晶组织)、铜元素(强化基体的强度)和硅元素(增加耐磨性)组成一种新型软基体硬质点的合金材料。但是由于锡、铜、硅各自的相对应的加工工艺差异较大，使这种新型合金的加工工艺较复杂，经过几十次的反复研究，攻克了工艺难关。
本发明提出的高强度中锡铝基合金材料，记其牌号为YS10S4(俗称中锡)，其组成成分和力学性能如下：
合金YS10S4成份(按质量％计)：
  Sn   Si   Cu   Al  Fe
  8-12   3.5-4.5   1.5-2.5   余量  ＜0.5
合金材料主要力学性能：
 抗拉强度MPa  屈服强度MPa   延长率％   HB
 120-1 30  55-65   8-15   35-45
YS10S4合金的晶相结构为α基体上铝锡共晶弥散细小均匀分布，硅硬质点均匀分布。
针对上述特点发明人对制备工艺进行一系列探索及修正，使其达到预期要求。
制备方法的具体步骤如下：
①合金熔铸：以重量百分比配制锡、铜、硅，进行熔铸，熔铸温度700-800℃，浇铸成合金锭块。锭块大小可视情况而定。熔铸时可添加适量变质剂(如Na)和晶粒细化剂(如Al-Ti-B合金)，以消除初生硅，改善晶相，变质剂的加入量为合金重量的1-1.5％，晶粒细化剂的加入量为合金重量的2-2.5％。
②合金均匀化处理：对上述合金锭块进行多次(一般为3-4次)热处理，热处理温度为400-500度，使其组织均匀化。
③铸锭小变形量处理：用小于5％变形量多次(一般为6-10次)压延，使其改变组织结构，形成板材。
④包覆纯铝：用轧结方法在上述合金板两表面包覆纯铝，以增强其与钢板的结合力。
由于合金中硅含量较高，且硅为高熔点高硬度故需热加工，而锡是低熔点较软应冷加工，这二者结合使加工工艺难度增加，本发明采用多次热处理方式来调整硅颗粒，使其适合冷加工的工艺，正常生产出合格产品。
合金抗疲劳强度值取决于硅质点的均匀分布和硅颗粒大小控制，本发明在合金熔炼时添加(Na)变质剂及(Al-Ti-B)晶粒细化剂以消除初生硅，从而改善晶相结构(见晶相图)。
由本发明制备的上述中锡铝基合金材料(YS10S4)可用作高转速、高强度发动机上的滑动轴承材料，该轴承材料由上述两面包覆有纯铝层的合金材料(YS10S4)与钢板复合组成，是一种多层结构的复合材料。该复合材料可由包覆纯铝后的YS10S4合金板用轧结的方法与钢板复合，其轧结力为45％以上，可使两层材料粘结牢固。对该层复合材料经弯曲测试，无分层现象发生，合金表面无气泡、无裂纹。由该多层复合材料作为滑动轴承材料，具有良好的抗疲劳性、耐磨性、顺应性和嵌入性、抗腐蚀性。
本发明的合金材料与现有同类合金材料性能对比如下：
a.成分％
  Cu Pb24Sn4   AlS20Cu   YS40C   YS6N   YS<sub>10</sub>S<sub>4</sub>
  Pb   19.0-27.0
  Cu Pb24Sn4   AlS20Cu   YS40C   YS6N   YS<sub>10</sub>S<sub>4</sub>
  Sn   3.0-4.5   17.5-22.5   35.0-45.0   5.5-7.0   8-12
  Cu   余量   0.7-1.3   0.7-1.3   0.7-1.3   1.5-2.5
  Ni   0.5   0.7-1.3
  Si   3.5-4.5
  Al   余量   余量   余量   余量
b：力学性能和使用特性
  Cu Pb24Sn4   AlS20Cu   YS40C   YS6N   YS<sub>10</sub>S<sub>4</sub>
  抗拉强度MPa 140 105 95 130 120
  屈服强度MPa 70 55 55 63 60
  伸长率％ 6 20 16 20 10
  硬度HB   45   33   30   35   40
  推存疲劳值N/mm<sup>2</sup> ＜50 ＜35 ＜20 ＜40 ＜45
  工作面特性   需加PbSnCu镀层   不加镀层   不加镀层   需加Pbsn镀层   不加镀层
  使用特性   具有高的疲劳强度及承载能力   具有中等疲劳强度和承载能力   软，有好的耐磨性，适用于低速   具有中等到较高的疲劳强度和承载能力   具有高的疲劳强度和承载能力
由上可见，本发明合金材料的各项性能指标均可与铜铅合金相仿，其组合指标强于其它类型铝锡合金，同时本发明具有工作表面不加电镀层，无污染，原料成本低等优点，是代替铜铅合金首选材料。
附图说明
图1为合金晶相照片。
具体实施方式
本发明按照前述YS10S4的制备工艺，进行合金熔铸、合金均匀化处理、铸锭小变形量处理制得YS10S4合金板材。其中，合金熔铸温度分别选择700℃、750℃、800℃，加入变质剂Na，加入量为合金重量的1-1.5％，加入晶粒细化剂Al-Ti-B，加入量为合金重量的2-2.5％；合金均匀化处理时，对合金锭热处理分别为3、4、4次，热处理温度分别为400℃、450℃、500℃等，对合金铸压延处理时，变形量控制小于5％，压延8-10次，制得合金板材。再用轧结方法在合金板两表面包覆纯铝层，然后用轧结方法与钢板复合，其中钢板成分(质量百分比％)和主要力学性能如下：
  钢板成分％
  C：≤0.15 Si：≤0.05 Mn：≤0.60 P：≤0.035 S：≤0.035
  钢板主要力学性能
  抗拉强度MPa≥270 延长率％≥31 硬度HB  160-220
不同组成成分的YS10S4与钢板的复合的测试例子如下：
(1)YS10S4组分：
Figure G2006124298520060310D000041
合金力学性能：
抗拉强度MPa 122  屈服强度MPa  59  伸长率％10
硬度值：
合金：HB 39.6    钢板：HB 187
复合材料力学性能符合(作为轴承材料)的要求，弯曲180°无分层。
(2)YS10S4组分：
Figure G2006124298520060310D000042
YS10S4合金HB  37.4    钢板HB  199
力学性能符合要求，经180°弯曲双金属无分层。
(3)YS10S4组分：
YS10S4合金HB 40.1    钢板HB  203
力学性能符合要求，经180°弯曲双金属无分层。
(4)YS10S4组分：
Figure G2006124298520060310D000052
YS10S4合金HB  38.3    钢板HB  186
力学性能符合要求，经180°弯曲双金属无分层。
(5)YS10S4组分：
Figure G2006124298520060310D000053
YS10S4合金HB  38.0    钢板HB  193
力学性能符合要求，经180°弯曲双金属无分层。
YS10S4晶相组织：
α基体上铝锡共晶组织呈弥散细小均匀分布，硬质点硅呈游离状均匀分布(见图1)。

Claims (3)

1.一种高强度中锡铝基合金材料的制备方法，该合金材料组成按质量百分比计如下：
Sn：  8-12％，
Si：  3.5-4.5％，
Cu：  1.5-2.5％，
0.15％≤Fe＜0.5％，
Al：  余量。
其特征在于具体步骤如下：
①合金熔铸：以重量百分比配制锡、铜、硅，进行熔铸，熔铸温度700-800℃，浇铸成合金锭块，熔铸时添加变质剂Na和晶粒细化剂Al-Ti-B合金，以消除初生硅，改善晶相，变质剂的加入量为合金重量的1-1.5％，晶粒细化剂的加入量为合金重量的2-2.5％；
②合金均匀化处理：对上述合金锭块进行多次热处理，热处理温度为400-500度，使其组织均匀化；
③铸锭小变形量处理：用小于5％变形量多次压延，使其改变组织结构，形成板材；
④包覆纯铝：用轧结方法在上述合金板两表面包覆纯铝，以增强其与钢板的结合力。
2.一种如权利要求1所述方法制备获得的高强度中锡铝基合金材料。
3.如权利要求2所述的高强度中锡铝基合金材料在制备高速、高强度发动机滑动轴承材料中的应用，其特征在于所述合金板由轧结方法在两表面包覆纯铝层，再用轧结方法与钢板复合，组成多层结构的复合材料，用于制备滑动轴承。
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