专利名称：一种纳米复合铝基轴瓦材料的制造方法
技术领域：
本发明涉及用连续粉末压制法制造轴瓦材料成型技术领域，具体是指一种纳米复合铝基轴瓦材料的制造方法。
背景技术：
铝基合金主要指Al-Pb-Cu(其中，Pb可由Sn替代)。制备Al-Pb基合金，最初人们是采用传统的铸造方法，但Al-Pb为互不溶体系，且Al、Pb两种金属的密度差别很大，在铸造过程中容易产生严重的偏晶问题。为克服这些问题，一些研究者近年来采用搅拌铸造、快速凝固等各种不同方法制备Al-Pb系合金，以期获得均匀的组织和良好的摩擦磨损性能。这些方法虽然在一定程度上改善了合金的组织，但Pb主要分布于Al晶粒的边界上，而且Pb颗粒也还比较大(50μm)。
ZL97101244.X号中国发明专利公开了一种铝-铅复合材料以及通过机械研磨、然后粉末烧结来制造铝-铅复合材料的方法，该方法虽然能使Al和Pb达到十分均匀弥散的复合，但生产效率较低，不易于实现大批量工业生产，同时，该发明并未将制备出的合金轧制复合到钢背上，制成可供实际生产应用的轴瓦材料。
01107648.8号中国发明专利申请公开了一种铝-铅系纳微米合金的制造方法，该方法通过高能球磨、然后压制烧结获得Pb粒子均匀弥散分布于Al基体的组织结构，制备的Al-Pb系合金耐磨性能有了大幅度提高，但该发明尚未将制备出的合金轧制复合到钢背上制成轴瓦材料。
由于Al-Pb基轴承合金的强度比较低，不能承受大的压力，故需将其镶铸在用钢冲压成形的轴瓦上，形成一层薄而均匀的内衬(挂衬)，才能发挥作用，挂衬后就形成所谓双金属轴承。双金属轴承材料的生产方法可分为铸造法和粉末冶金法。铸造法难度大，成本高，未能广泛应用。目前主要使用粉末烧结法，该法是将铅、硅、锡、铜的合金粉末与作为粘合层的铝粉末一道，通过粉末轧制法制成复合板，然后再将该复合板轧制到轴承衬背(08钢)上。由于铝铅等轴承合金与钢背间直接复合的结合强度比较低，人们便在其间加入一层过渡层金属(例如纯铝等)提高结合强度。现有的钢铝双金属复合板所使用的固相冷轧法存在初始结合强度比较低，牢固结合所需变形量大(～70％)、加工硬化严重及对轧机功率要求较高等问题。若采用热轧，在无气氛保护下，因钢板表面氧化形成不牢固氧化层，热轧复合难以有效进行。
02111805.1号中国发明专利申请公开了一种Al-Pb合金-钢背轴瓦材料的水平连铸复合装置，该方法属于铸造领域，虽然能获得Al-Pb轴瓦材料，但不能获得Pb均匀弥散分布于Al基体的合金组织。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种纳米复合铝基轴瓦材料的制造方法。该方法易于获得Pb在Al基体中均匀弥散分布的合金组织，并可将制备出的合金轧制复合到钢背上，制成可供实际生产应用的轴瓦材料。
本发明所述一种纳米复合铝基轴瓦材料的制造方法，其特征是，它包括如下步骤和工艺条件第一步 将纯度≥99.9％、粒度为100～200目的Al、Pb、Cu粉按重量比75.5～85.5份Al、10～18份Pb、1.5～6.5份Cu配成混合粉，在氩气保护下，用球磨机进行高能球磨，球磨机转速为150～250rpm，球磨时间为30～40小时，球磨机钢罐中配以淬火不锈钢球作为高能球磨工作载体，钢球与粉末的重量比为8～10∶1；第二步 用高速电弧喷涂的方法将表面预处理过的低碳钢条均匀喷涂上厚度为100μm左右的铝层，喷涂材料为Φ2mm铝丝；第三步 以热喷涂铝钢板作为钢背，将球磨制备出的Al-Pb-Cu合金粉末均匀地铺在钢背上，厚度约为4mm，压实，进行多道重复轧制，制得轴承合金带坯样品；第四步 然后将样品放入真空炉内烧结，先抽真空到0.008～0.02Pa，随后通入氩气，加热到300～600℃并保温0.5～1小时，随炉冷却即可。
本发明的原理是Al-Pb-Cu混合粉末在高能球磨过程中，Pb相被细化并均匀弥散分布于Al基体中，Pb的平均晶粒尺寸约为10nm。Cu组元则随着球磨时间的增加，首先部分固溶到Al中，随后相继有Cu9Al4和CuAl2相生成。高能球磨制备出的是粉末，需要轧制复合到钢背上、然后烧结制成轴瓦材料。以热喷涂铝钢板作为钢背，采用连续粉末压制法将粉末轧制复合到钢背上，可进一步提高钢背与轴承合金的结合强度。烧结后Al和Pb的颗粒都长大。而Al-Pb-Cu合金在烧结过程中还发生固态反应，γ-Cu9Al4相消失以及θ-CuAl2生成量大量增加，这些富Cu相及Al(Cu)固溶体可以抑制Pb颗粒在烧结过程中的长大。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果1.Al-Pb基合金是一种能够对社会产生巨大经济效益的轴瓦材料。其发展到现在，经历了不同的阶段，有铸造法，粉末冶金法。然而不管是什么方法，最终目的只有一个，克服Pb的比重偏析，使之尽量弥散均匀地分布于O基体上，从而增强合金的耐磨性。在本发明中，对互不溶的Al-Pb系采用机械合金化方法，则易于获得Pb在Al基体中均匀弥散分布的合金组织。Al-Pb-Cu混合粉末高能球磨后形成了以纳米晶的Al基固溶体为基体，其上均匀分布着Pb、Cu9Al4、CuAl2等第二相的纳米相复合结构。
2.由于铝铅等轴承合金与钢背间直接复合的结合强度比较低，人们便在其间加入一层纯铝来提高结合强度。热喷涂铝技术为轧制复合提供了有利的条件。本发明采用高速电弧喷涂铝技术，在经过预处理的基材钢背表面形成涂层，由于热喷涂时熔粒温度高，粒子变形量大，从而提高了涂层结合强度。因此，以热喷涂铝钢板作为钢背，采用连续粉末压制法将粉末轧制复合到钢背上，由于其工艺简单、成本较低，是一种极有前途且易于实现大批量工业化生产的粉末成型方法。
3.在本发明中，轧制复合得到的轴承合金带坯经过烧结后，Al和Pb的晶粒都长大，但Al相和Pb相仍保持较细的晶粒尺寸，烧结后Pb相的尺寸仍约为几十到几百纳米。而Al-Cu间形成的金属间化合物还可以阻止Pb颗粒在烧结过程中的长大。
4.采用本发明制成的Al-Pb-Cu轴瓦材料的摩擦磨损性能比其它方法制备的Al-Pb合金有了显著的提高，应用前景广阔。
图1是实施例2轧制复合试样经350℃烧结1小时后的SEM图；图2是合金层的SEM图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步地详细说明。
发明人有许多成功的实施例，下面仅举几个实施例列表于表1，在实施过程中，球磨机采用弗里特希(Fritsch)P5球磨机。
实施例2制造的Al-Pb-Cu轴承合金的扫描电镜照片(SEM)如图1所示，可见Al-Pb-Cu合金层已经很好地和热喷涂Al钢背结合在一起，组成了一种“三明治”式的夹层结构，而且轧制层组织均匀致密。图2是图1中Al-Pb-Cu合金层放大后的扫描电镜照片，从图中可以看出，Pb相(箭头A所指)均匀弥散的分布在铝基体中，基体上还弥散分布着许多无法辨别的更细小的Pb颗粒，灰白色区域为CuAl2相的富集区(箭头B所指)。
实施例1、实施例3、实施例4、实施例5和实施例6制造的Al-Pb-Cu轴承合金组织均匀弥散分布，硬度值在Hv55～80之间，铸造法和粉末冶金法制造的铝基轴承合金硬度仅为Hv30～50之间，因此纳米复合的Al-Pb-Cu轴承合金的硬度是普通铝基轴承合金的2倍以上。在载荷为196N、转速为400r/min、干摩擦条件下，磨损时间为1小时，材料的磨损性能见表2。
表1
表2
从表2可以看出，采用机械合金化制备的Al-Pb-Cu轴承合金的磨损量明显低于P/M法和Stricast法所得的Al-Pb合金，合金的耐磨性有了较大提高。
权利要求
1.一种纳米复合铝基轴瓦材料的制造方法，其特征是，它包括如下步骤和工艺条件第一步 将纯度≥99.9％、粒度为100～200目的Al、Pb、Cu粉按重量比75.5～85.5份Al、10～18份Pb、1.5～6.5份Cu配成混合粉，在氩气保护下，用球磨机进行高能球磨，球磨机转速为150～250rpm，球磨时间为30～40小时，球磨机钢罐中配以淬火不锈钢球作为高能球磨工作载体，钢球与粉末的重量比为8～10∶1；第二步 用高速电弧喷涂的方法将表面预处理过的低碳钢条均匀喷涂上厚度为100μm左右的铝层，喷涂材料为Φ2mm铝丝；第三步 以热喷涂铝钢板作为钢背，将球磨制备出的Al-Pb-Cu合金粉末均匀地铺在钢背上，厚度约为4mm，压实，进行多道重复轧制，制得轴承合金带坯样品；第四步 然后将样品放入真空炉内烧结，先抽真空到0.008～0.02Pa，随后通入氩气，加热到300～600℃并保温0.5～1小时，随炉冷却即可。
全文摘要
本发明是一种纳米复合铝基轴瓦材料的制造方法，它是用高纯度、粒度的Al、Pb、Cu粉按Al+Pb+Cu的一定重量百分比在氩气保护下，用球磨机进行高能球磨，在一定转速的球磨机球磨一定时间后，球磨制备的粉末采用连续粉末压制法轧制复合到热喷涂铝钢背上，再用不同的温度在氩气保护下烧结，然后冷却而制成。本发明工艺简单、制造成本低、易实现大批量工业生产，本发明能获得以纳米晶的Al基固溶体为基体，其上均匀分布着Pb、Cu
文档编号B22F7/04GK1539578SQ20031011191
公开日2004年10月27日 申请日期2003年10月28日 优先权日2003年10月28日
发明者朱敏, 曾美琴, 欧阳柳章, 李尚周, 朱 敏, 章 申请人:华南理工大学