CN86104271A - 轴承材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轴承材料及其生产工艺。该轴承合金是铝基的，包含以下成分(以重量百分数表示)：8～35锡、1～3铜、2～10硅、除伴随的杂质外，其余皆为铝。最好是将合金与钢结合在一起，然后增高复合材料的温度，最好达到450～500℃的范围，总加热时间在90秒和10分钟之间，随后最低限度以50℃/分的冷却速度冷却，至少使局部温度降到环境温度。可选择性地对复合材料进行附加的热处理，据此进一步改善它的性能。

Description

本发明涉及轴承材料及其生产工艺，特别是涉及铝基轴承材料，这种材料所含有的合金添加剂，举例说，包括铜、硅和象锡一类的比较软的相。

一种以铝为基、组成大致为20%（重量）Sn和1%（重量）Cu的轴承材料是众所周知的，並得到了广泛的应用，例如，在汽车制造业中用于生产普通轴颈轴承。虽然这种材料的疲劳强度和相容性，即抗轴承合金和旋转轴之间局部焊合的能力，在大部分应用中都是满足要求的，但是，当把这种材料用于高速引擎时，就会出现疲劳问题。此外，当用于同铸铁轴相配合时，这种材料的相容性稍低于所要求的值。通常，铸铁轴轴颈上可达到的表面光洁度比钢轴的光洁度差，从而铸铁轴倾向于此钢轴更易于磨损。

另一种比Al-Sn20-Cu1合金疲劳强度高的熟知的铝基材料是Al-Si11-Cu1合金，通常，硅是作为一种遍及基体均匀分布的颗粒存在于合金之中。尽管由于基体较短的特性使这种材料有高的疲劳强度，但它的适应性却相当差。为解决适应性问题，亦即使轴承合金具有调节其自身和旋转轴之间小的不同轴性的能力，后者的材料在工作时表面上常带有电解沉积层，例如，pb-Sn10电解沉积层，而且在沉积层和轴承合金之间还有镍的中间层。这种软的沉积层既可解决适应性问题，又有吸入污垢的能力。

吸入污垢的能力正变得愈加重要，因为现代柴油机越来越倾向于用次精燃油进行工作，由次精柴油排出的燃烧产物对软的沉积层产生磨蚀和腐蚀作用，从而导致使用寿命的缩短。而且，沉积层被磨损之处，露出大面极镍的中间层，这种迹象暗示轴承卡住的危险性增大。

在使用铸铁轴的汽车发动机中，沉积层磨损的速率还将进一步增加。

广泛的研究证明，将硅加入铝基轴承材料中，可以改善疲劳强度，改善它同铸铁轴的适应性和相容性，与此同时，基体中仍保留有软相。我们共同未决的专利申请GB2，144，149介绍了其中含有8～35%（重量）锡、1～11%（重量）硅和0.2～3%（重量）铜的铝基轴承材料，这类材料所具有的疲劳强度及同铸铁轴的相容性优于Al-Sn20-Cu1合金，其适应性优于无镀层的Al-Si11-Cu1合金。然而，这类合金的疲劳强度不如下面所介绍的材料的疲劳强度高。

对于需要附加镀层处理的Al-Si11-Cu1材料的另一问题是要对经镀层的最终轴承表面进行车削或其它形式的机加工，它不同于另外较便宜的镗孔工艺，因而导致生产过程成本的增加。

本发明的一个目的是提供疲劳强度有很大改善、同铸铁轴的相容性超过Al-Sn20-Cu1的一种轴承材料。另一个目的是提供一种疲劳强度相当于Al-Si11-Cu1的无镀层轴承材料，并能以镗孔工艺加工到最终尺寸。

曾意外地发现，通过适当的热处理，处于GB2，144，149所公布的范围内的合金，就有可能达到上述目的。而且，通过在规定范围内调整热处理工艺，就可以控制轴承材料的最终性能，使其适合于特殊的用途。

按照本发明的一个方面，对于成分处于如下范围的轴承材料（以重量百分数表示）：8～35%锡、1～3铜、2～10硅、除伴随的杂质外，其余皆为铝，它的生产工艺包括以下步骤：把所需合金铸成适当的形状，增高合金的温度使其超过400℃、但低于525℃，随后最低限度以50℃/分的冷却速度使合金冷却、至少使局部温度降到环境温度。

最佳锡含量可能处于9～13%（重量）和15～25%（重量）两个范围中的一个，与此类似，最佳铜含量在1.5～2.5%（重量）范围之内。当锡含量在9～13%（重量）范围内时，硅含量最好在3～5%（重量）的范围内。而当锡含量在15～25%（重量）范围内时，硅含量最好在2～4%（重量）的范围内。

合金最好以至少50℃/分的冷却速度冷到200℃以下的温度，在此之后，必要时可以改变冷却速度。

以上给出的工艺通常适用于单一形式的合金，然而，当采用双金属形式的轴承材料时，例如，当把轴承合金与像钢一类的高强度背衬材料结合在一起，用来生产所谓的薄壁轴承时，本发明具有最大的优越性。

与背衬材料（例如钢）相连的铝基合金，通常是通过连续或半连续生产工艺制成的，其中为了最终加工成单个轴承，需要制成双金属的大型带卷。

对与铁基衬底相连的铝基合金进行热处理时，一个最重要的需要考虑的问题是在或靠近铝和钢之间的界面处，有可能形成金属间化合物。这种化合物的形成对轴承合金和钢之间结合的牢度会产生灾难性的影响，况且，在所形成的金属间化合物长大到光学显微镜下可见的程度以前，这种灾难性的影响就会发生。

所以，任何热处理都必须避免形成铁和铝的金属间化合物，而不管它在光学显微镜下或其它设备中是否可以看到。现已发现，温度事实上是可以利用的，而在此以前，曾认为对于与钢相连的铝基合金，由于形成这种脆性金属间化合物，温度是不可用的。温度的可用性的条件是：加热所达温度的速度要高，而在该温度下的停留时间要足够短。此外，也曾发现，上面提及的高加热速度和短加热时间，能使铜和硅充分固溶，以便所得到的轴承材料能达到本发明提出的疲劳强度和可扩孔性等指标。

按照本发明的第二个方面，对于带有钢背衬、成分处于如下范围的铝基轴承材料（以重量百分数表示）：8～35锡、1～3铜、2～10硅、除伴随的杂质外，其余皆为铝，它的生产工艺包括以下步骤：把所需合金制品制成适当的形状，并把合金与钢结合在一起，增高复合材料的温度使其至少达到400℃，但低于525℃，其中加热到该温度並在此温度下停留的累计时间应在60秒到240分钟的范围内，随后最低限度以50℃/分的冷却速度使复合材料冷却，至少使局部温度降到环境温度。

材料的加热温度最好在425℃～500℃的范围内，而累计时间最好在120秒～10分钟的范围内，温度处于450℃～490℃的范围则更佳。

在本发明的一个最佳实施方案中，这种材料还可以包括一种中间层，例如，在轴承合金和钢背衬之间的铝中间层，这种中间层可以通过合金坯的包覆层来产生，例如，在与钢背衬结合之前，通过轧制压力使合金坯结合上包覆层。

我们还发现，本发明工艺的另一个好处是，高的温度和短的时间足以在制品的组织内产生网状结构的锡相，並足以强化合金和钢之间的结合。可以确信，只有得到网状结构，才可能使这种材料具有出乎意料的高性能。

然而，按照本发明，复合材料的热处理可以在现行技术中已知的其它热处理之后进行，这种热处理中的一个典型实例是在350℃左右的温度加热约3小时。技术熟练的人将会认识到，一旦省去这种长时间的和昂贵的热处理阶段，就会使轴承材料的生产费用大量节约。

加热过程所需的时间取决于将材料所升高到的温度，例如，当最终的最高温度接近450℃时，在冷却之前总的累计加热时间可能接近10分钟，而如果所要达到的最高温度接近500℃，则总的时间可能接近120秒。

加热后的冷却速度将影响合金的性能，例如，当冷却速度约为775℃/分时，部分铜和硅将从固溶体中析出。冷却速度更快时，例如达到150℃～300℃/分左右时，较多的铜和硅将保留在固溶体中。

可以想象，在连续带卷的基础上可以完成复合材料的热处理，即首先使带卷通过快速加热装置，随后通过快速冷却装置。为了使这种工艺在经济上是可行的，带卷必须以合理速度行进，因此，为了缩短时间，希望采用较高的温度。虽然在400℃时，合金系有可能溶入大量的铜和硅，但反应是缓慢的，而且当采用连续带卷工艺时，这种反应是难以完成的。然而，采用炉内加热的工艺，例如，把材料带卷在炉内加热到425℃保持3或4小时是可行的，但是，在缺少整体带卷淬火方式的情况下，将难于达到必要的冷却速度，以使铜和硅保留在固溶体中，即使有这种整体淬火工艺，它也是棘手的和难于操作的。

可以进行一种选定的附加热处理，从而使保留在固溶体中的铜和硅，以一种可控制的方式析出。这种热处理可包括如下一个热处理过程，例如，在高于轴承预期的工作温度下，需要1至72小时。适宜的温度，举例说，可以处在150℃和230℃之间，然而更佳的温度范围处在180℃和220℃之间，相应的时间处在2～24小时的范围内。

为了更充分地理解本发明的工艺过程，下面仅举例说明某些非限定性的实施例。

实施例1

将成分为Al-Sn11-Si4-Cu2的合金，连续浇铸成厚度为25毫米的合金坯，在490℃的温度下对合金坯进行均匀化退火16小时，然后加工到19毫米的厚度。利用若干轧制道次将合金坯轧到7.6毫米厚，並进行最终退火热处理。然后通过轧制压力，在轧带的一侧包覆上厚0.8毫米的精制铝箔，在包覆之后，将带轧到0.89毫米，对铝箔的一侧进行去油和清理，並通过轧制压力使合金带与2.5毫米厚备用的钢带结合在一起。最终的双金属带中，钢背衬的厚度为1.5毫米，合金/铝箔包覆层的总厚度为0.5毫米。经轧制压力复合之后，轴承合金的维氏硬度约为76。

然后将所得双金属带在空气循环炉中进行一个周期的热处理，即在350℃加热3小时，热处理之后轴承合金的维氏硬度约为37。

热处理后的双金属带还要进一步热处理，即在流态化床中将它快速加热到475℃，整个周期的时间为160秒，双金属带约需40秒的时间达到420℃，其余的120秒包括温度从420℃升到475℃和在475℃停留的时间。然后，将双金属带以大约150℃/分的冷却速度冷却。在这个阶段带材的维氏硬度约为47。利用这种成品带材制成长30毫米、直径53毫米的试验用轴承，并利用中间带材，即未经流态化床热处理的带材，制取试验用轴承。

所制成的这些轴承，在试验装置上按如下条件进行疲劳试验：

轴的转速2800转/分

初始载荷62兆帕

在20小时之后载荷加大，每次加载7兆帕，直到破坏

油温80℃

正弦型载荷

为了比较起见对Al-Sn20-Cu1材料制成的轴承也进行了试验，各结果示于表1中。

并将材料制成用于卡住试验的轴承，试验条件如下：

1.用于疲劳试验的轴承，加工到长度只有一半的尺寸，以便采用高于通常能达到的特定载荷。

2.将润滑油（SAE10）预热到120℃。

3.试验装置在100兆帕下运转1小时。

4.将载荷增大20兆帕，在新载荷下试验装置运转10分钟。重复这种过程直到出现卡住现象，或是轴承座温度迅速升高到160℃左右。

出现卡住现象时的载荷或由于迅速升温试验终止的载荷为卡住时载荷的测定值。

试验结果示于表2中。试验轴承在低碳钢轴和铸铁轴的条件下工

作，以评价对不同材料的相容性和抗卡住性能。

应当注意，在表2内的上述试验结果中，260兆帕代表所用特殊试验装置可达到的最高载荷，並且在给定的260兆帕额定值下对Al-Sn20-Cu1、所进行的三次试验，事实上一次试验也没有卡住，理应赋于更高的额定值。对于通过本发明的工艺制成的材料，在给定的260兆帕额定值下的三次试验中，事实上没有任何一个轴承被卡住，所有三次试验都理应得到更高的测定值。

表1清楚地表明，通过本发明工艺制成材料的疲劳强度明显地优于Al-Sn20-Cu1合金以及在GB2，144，149中公开的、但未经最终热处理的材料。从表1中还可看出，Al-Sn20-Cu1的平均疲劳测定值约为83兆帕，而供比较的Al-Sn11-Si4-Cu2材料在热处理之前的疲劳测定值约为93兆帕，然而，在按照本发明处理之后，平均疲劳测量值增加到114.5兆帕，由于采用了本发明的工艺过程，疲劳强度增加了23%。

从表2中可以看出，在本发明的合金中，同铸铁轴的相容性都有改善，保持超过Al-Sn20-Cu1。Al-Sn20-Cu1材料的平均卡住测定值为132兆帕，本发明合金的平均卡住测定值为203兆帕，此外，当用于同钢轴配合时，本发明合金的抗卡住性能也是优异的。

对于用双金属带制成的轴承还进行了扩孔试验，试验轴承用经流态化床热处理的带和未经这种热处理的带制成，试验包括分别采用碳化钨刀具和钢刀具将合金切削约0.025毫米。为了进行对比，两种刀具都有30°的倾角，对扩孔后的轴承测量了表面粗糙度，结果在表3中给出。

表3

从表3中可以看出，同已知合金相比，采用本发明的工艺生产的材料具有较好的均匀光洁度，此外，在生产过程中，易于进行精度较高的扩孔。这一点和Al-Si11-Cu1的情况大不相同。由于后者的基体有较高的强度，而且缺少软相，因而不能进行精度较高的扩孔加工。

实施例2

如同在实施例1中一样，制取相同成分的合金，並加工成双金属，直至包括通过轧制压力把合金与钢结合在一起。

然后，将所制成的双金属在流态化床中快速加热到475℃，总加热时间为4分钟，在此之后，以约300℃/分的冷却速度冷却。检查钢与合金之间的结合情况，没有发现形成金属间化合物，通过试验显示出与实施例1可比拟的结合的高度牢固性，也可确信未出现金属间化合物。还曾发现这种轴承合金具有细的网状结构。

实施例3

按照实施例2制取並加工合金，只是所制成的双金属要加热到500℃，总时间为2分钟。合金同钢的界面也具有好的完整性，並通过结合试验得到证实，其组织仍为网状的。

实施例4

如同在实施例1中一样，制取双金属样品，直至包括在空气中的热处理阶段，温度为350℃、加热周期为3小时。然后，将双金属部件加热到450℃，整个周期为180秒，随后喷水淬火，冷却速度超过1000℃/分。所得合金的维氏硬度为52，然后再对这种材料的部件进行热处理，温度为200℃，加热时间在1至24小时之间，大约经过16小时以后，可达到最大值为60的维氏硬度。

实施例5

取出按实施例4制备的样品，在220℃进行热处理，时间在1至24小时之间，大约经过6小时以后，可达到最大值为58的维氏硬度，大约经过24小时以后，维氏硬度逐渐降到55。

在以上的实施例中，采用流态化床加热设备进行快速加热。然而，只要加热速度足够迅速，也可以采用任何一种设备，举例说，可供选择的方法包括感应加热、高强度辐射加热、等离子加热、或现行技术中已知的任何一种方法。采用气流冲击或任何其他方法都可对带卷进行冷却，例如，冷却到200℃，其后可通过马弗炉周围常规的冷水套冷却，其他可用的方法包括有：举例说，流态化床冷却、喷液冷却、或使带卷通过淬火槽。

因此，本发明中的合金，疲劳强度和抗卡住性能都有相当大的改善，超过了在某些情况下需要昂贵沉积层的已知合金，此外，按照本发明的生产工艺制成的合金可以进行高精度的扩孔。然而，如果需要的话，作为一种任选步骤，也可以在通过本发明工艺制成的轴承上进行涂层。

在某些情况下，希望能提供一种具有高适应性和高疲劳强度的轴承，例如，在涡轮增压发动机或高速柴油机中。在这种应用项目中，轴承合金可以涂上选自下面一组金属的沉积层，其中包括：锡、铅/锡、铅/锡/铜、锡/铜、锡/锑、锡/铜/锑和铅/锡/铜/锑。而且，在合金衬和所涂的沉积层之间可以插入选自下面一组金属的中间层，其中包括：镍、铁、银、钴、铜、锌和铜/锡。

另一方面，对由本发明合金制成的轴承可以提供在我们共同未决的欧洲专利申请No.85309180.9中公开的一种类型的沉积层，其中沉积层包含一层很薄的锡，事实上这层锡是一种牺牲品。

勘误表

Claims (14)

1、生产轴承材料的一种工艺，这种轴承材料的成分处于如下范围(以重量百分数表示)：8～35锡、1～3铜、2～10硅、除伴随的杂质外，其余皆为铝，该生产工艺包括以下步骤：把所需合金铸成适当的形状；增高合金的温度使其超过400℃，但低于525℃；随后最低限度以50℃/分的冷却速度使合金冷却，至少使局部温度降到环境温度。

2、生产带有钢背衬的铝基轴承材料的一种工艺，这种铝基轴承材料的成分处于如下范围（以重量百分数表示）：8～35锡、1～3铜、2～10的硅、除伴随的杂质外，其余皆为铝，该生产工艺包括以下步骤：把所需合金制品制成适当的形状;并把合金与钢结合在一起;增高复合材料的温度使其至少达到400℃，但低于525℃，其中加热到该温度並在此温度下停留的累计时间应在60秒到240分钟的范围内;随后最低限度以50℃/分的冷却速度使复合材料冷却，至少使局部温度降到环境温度。

3、按照权利要求1或2的一种工艺，其中铝基轴承合金的成分处于如下范围：锡9～13%（重量）、铜1.5～2.5%（重量）、硅3～5%（重量）、其余为铝。

4、按照权利要求1或2的一种工艺，其中铝基轴承合金的成分处于如下范围：锡15～25%（重量）、铜1.5～2.5%（重量）、硅2～4%（重量）、其余为铝。

5、按照上述权利要求2～4中任何一项的一种工艺，其中将复合材料加热，使其温度达到450和500℃之间，累计加热时间为90秒到10分钟。

6、按照上述权利要求中任何一项的一种工艺，其中以至少50℃/分的冷却速度将材料冷到200℃以下的温度。

7、按照上述权利要求中任何一项的一种工艺，其中冷却速度为300℃/分左右、或是超过这个值。

8、按照上述权利要求中任何一项的一种工艺，其中在350℃左右的温度对材料进行热处理，在使它的温度升高到400和525℃之间以前，停留一段较长的时间。

9、按照上述权利要求中任何一项的一种工艺，其中在150℃和230℃之间的温度对材料进一步热处理，加热时间在1至72小时之内。

10、按照上述权利要求中任何一项的一种工艺，其中通过流态化床提高轴承材料的温度。

11、按照上述权利要求中任何一项的一种工艺，其中在轴承材料上镀上沉积层。

12、按照权利要求1至11中任何一项的生产工艺制造一种轴承材料。

13、如上文所述本质上是参照说明书实施例1-3中任何一个的工艺。

14、如上文所述本质上是参照说明书实施例1-5中任何一个的轴承材料。