专利名称：一种轴瓦带材及其生产方法
技术领域：
本发明属于金属材料加工领域，涉及一种轴瓦带材及其生产方法，尤其涉及用于加工生产高载荷滑动轴承的轴瓦带材及其生产方法。
背景技术：
用于汽车或工程机械中的滑动轴承，通常对轴承的疲劳强度、耐磨性以及表面性能具有较高的要求。目前，市场上主流的轴承合金一般为Al-20Sn-Cu和Cu-Pb合金，并且轴瓦带材通常为双金属材料钢带层和合金层。由于Al-20Sn-Cu合金中含有较高的锡，可达到20％，因此这种合金具有良好的表面性能，包括材料的顺应性和镶嵌性，不足之处是这种合金的疲劳性能和耐磨性能较差，通常用于具有较轻载荷要求的滑动轴承生产，由于这种合金具有较好的轧制变形能力，因此通常在开方式的平辊上进行复合轧制。而Cu-Pb合金具有较好的疲劳性能，但材料的表面性能较差，而且Cu-Pb轴承通常采用粉末冶金烧结工艺生产，生产效率低、成本较高，另外铜与其他金属的电极电位相差较大，容易产生电化学腐蚀，同时Pb还是环境污染元素。当今随着发动机性能的提高，对轴瓦材料提出了更高的性能要求，传统的Al-20Sn-Cu和Cu-Pb合金不能满足高性能、低成本及环保的要求。
公开号为CN 1358584A和CN 1334353A的发明专利，申请保护是用于轴承的铝合金板的制备方法和铝轴承合金。轴承合金为Al-Sn-Si-Fe连铸的铝合金板，以软金属锡相为主，含量3％～40％，一定量的强化共晶硅相，含量为0.5％～7％，和0.05％～2％的铁以及其他少量的强化合金元素，据专利介绍轴瓦带材为双金属结构，采用凹辊和凸辊轧制。
发明内容
本发明为了解决传统的Al-20Sn-Cu和Cu-Pb合金不能满足高性能、低成本及环保的要求的问题，提出一种轴瓦带材，其特征在于所述轴瓦带材具有三层结构，包括外层金属钢带层、中间耐磨合金层和内层减磨合金层。耐磨合金层为Al-Si-Sn-X连铸的铝合金板，以硅为主要合金化元素，形成粒状硬质点共晶硅相，其含量为3％～12％；孤岛状的软锡相为辅，含量为3％～12％以及其他少量的强化合金元素的软硬质点共存耐磨组织。减磨合金层为铝基合金，其中含有20％～40％Sn的及0.01％～2％Cu。该轴瓦带材的制备方法是在闭模中轧制，即是由平辊和凹辊组成的闭模进行轧制。
该轴瓦带材大大改善轴承合金的疲劳强度和耐磨性，疲劳强度可以达到或接近Cu-Pb合金水平，而材料的耐磨性优于Cu-Pb合金，同时克服了环境污染问题。
图1是本发明制备轴瓦带材的闭模轧辊；图2是合金板锭连铸工艺示意图；图3是多层合金板材的一次轧制成形工艺示意图；图4是多层合金板材的分步成形工艺第一步；图5是多层合金板材的分步成形工艺第二步；图6是本发明的轴瓦带材的成型轧制示意图；图7是球铁曲轴与轴瓦配合时的示意图。
具体实施例方式本发明的轴瓦带材具有三层结构，包括一层起支撑作用的金属钢带层、一个滑动摩擦付中起抗磨作用的耐磨合金层和一个改善滑动摩擦付表面性能的减磨合金层。其中耐磨合金层应具有比传统的20高锡铝基轴承合金更高的承载能力、抗疲劳强度值和耐磨性能，为Al-Si-Sn-X连铸的铝合金板，以质量百分数计，耐磨合金层的成分为3％～12％的Si、3％～12％Sn以及0.01％～2％Cu、Ti、B、Zr、Mn、Ni、Cr、Sr等合金元素中的一种或多种，余下的为Al；耐磨合金层以硅为主要合金化元素，形成粒状硬质点共晶硅相，孤岛状的软锡相为辅，其他少量的强化合金元素的软硬质点共存的耐磨组织。由于耐磨合金层为Al-Si-Sn-X，材料的表面性能较差，为了获得具有较好表面性能的轴瓦带材，必须复合一层减磨合金层，本发明通过提高锡含量来改善传统的Al-20Sn-Cu轴承合金的表面性能，用作多层轴瓦带材的减磨合金层，减磨合金层为铝基合金，其锡含量可以提高到30％～40％，以质量百分数计，其成分为20％～40％Sn、0.01％～2％Cu，余下的为Al。钢带为具有较好的韧性和承载能力的低碳合金钢。该轴瓦带材采用平辊和凹辊闭模轧制，为了改善金属间结合强度，在复合轧制时，需在每层金属间增加一层中间过渡层，中间过渡层可以为纯铝层、纯镍层或低合金含量的变形铝合金层。
本发明采用新的Al-Si-Sn-X合金代替传统的Al-20Sn-Cu合金，由于Al-Si-Sn-X轴承合金为铝基体，主要通过元素硅，及少量的其他固溶强化元素如Cu、Ti、Mn、Ni、Cr、Sr等进行强化，另外加上锡相成孤岛状均匀分布铝基体中，形成在铝基体中均匀分布有耐磨的硬质点共晶硅，同时还含有减磨的软质点锡相这种典型的耐磨组织，大大改善轴承合金的疲劳强度和耐磨性，疲劳强度可以达到或接近Cu-Pb合金水平，而材料的耐磨性优于Cu-Pb合金。但由于铝硅合金硬度较高，合金的表面性能较差，因此带材必须复合一层减磨合金层，来改善合金的表面性能，减磨合金层采用比传统的Al-20Sn-Cu合金表面性能更好的合金，如将Al-20Sn-Cu合金中的锡含量提高到20％～40％水平，加上钢带层。另外一个方面，由于轴承合金中含有较高的硅，为了保证合金层与中间过渡层的结合强度，在较大压下量的情况下，一般为30％～50％，传统的开模平辊轧制工艺，势必会导致耐磨合金层轧制过程中沿两边开裂问题，使得轧制的成材率低。如果采取多道次低压下量工艺轧制，一方面生产周期延长，另一方面结合强度不足。因此，这种轧制性能较差的铝硅合金必须在封闭型腔的轧辊中进行轧制，如图1所示，该具有封闭型腔的轧辊是由平的上轧辊1和带凹槽的下轧辊3组成，在上下轧辊之间形成封闭轧辊区2，由于合金板两边的变形受到封闭轧辊区2的限制，沿边开裂的可能性大大降低。
下面介绍耐磨铝硅合金的设计原则JP-A-58-64332提出在铝基轴承合金中加入一定质量的硅，可改善轴承的耐磨性能和抗擦伤性能。目前，随着发动机技术的发展，为了降低发动机的制造成本，采用球铁曲轴代替原用的锻钢制曲轴，这样与传统的轴承合金轴瓦相配时，容易造成轴瓦的擦伤。如图7所示，球铁曲轴5与轴瓦4相匹配，加工暴露出来的牛眼状的石墨6周围包围着铁基体，由于石墨球的露出使得铁基体不再连续，因此在石墨球周围的7处形成锋利的刃边，如果与之相配的轴瓦为较软的Al-20Sn-Cu合金，会引起轴瓦的擦伤，但是如果采用本发明Al-Si-Sn-X耐磨合金轴瓦，由于材料中含有大量的颗粒状的硬质点共晶硅，对刃边起到研磨抛光作用，不会造成轴瓦的擦伤。通常随着硅含量的增加合金的承载能力、疲劳强度和耐磨性都会有所改善，但材料的轧制性能和表面性能下降。因此选择硅的质量百分含量在3％～12％的范围内。
传统的铝基轴承合金中，锡是改善合金的轴承性能的重要元素，由于孤岛状的锡相均匀地分布在铝基体中，形成典型的硬基体软质点的耐磨组织，由于锡的加入改善了合金的表面性能，另外在轴瓦与轴非正常接触时，会造成局部的温度升高，低熔点的锡熔化，对轴瓦与轴起到液态润滑作用。随着锡含量的增加合金的表面性能和轧制性能有所增加，但承载能力降低。因此选择锡的质量百分含量在3％～12％的范围内。
通过对铝基体的固溶强化，可以改善轴承合金的承载能力和疲劳强度，这些固溶强化元素包括Cu、Mn、Ni、Cr，在合金中加入Ti、B、Zr元素可以细化铝合金中的α相，改善轴承合金的性能，另外由于本发明的轴承耐磨合金为铝硅合金，含有较多的共晶硅，在凝固中容易造成共晶组织粗大，因此必须对合金中的共晶硅进行变质处理，变质剂可采用含Sr的长效变质剂。因此可以添加一种或几种含量为0.01％～2％Cu、Ti、B、Zr、Mn、Ni、Cr、Sr等合金元素来改善研制轴承合金的性能。
该轴瓦带材的制备方法是在闭模中轧制，其加工过程是首先进行耐磨合金板锭及减磨合金板锭连铸，采用合金板锭连铸结晶装置进行合金板锭11的连铸，如图2所示，液态金属8在具有水冷通道的结晶器9中结晶，在平辊10的驱动下连铸出壁厚均匀的耐磨合金板锭、减磨合金板锭11，板锭退火处理后进行双面铣，待用。
然后对耐磨合金板锭和减磨合金板锭进行叠合轧制，轧制可以采用一次成形工艺或分步成形工艺。一次成形工艺如图3所示，是将纯铝板12、13、16以及减磨合金板3和耐磨合金板15，进过表面打磨后叠放在一起，在具有封闭型腔的轧辊17中进行闭模轧制，获得壁厚均匀的多层结构的合金板材18，退火后用于轴瓦带材的加工。任意一道轧制工艺前板锭需进行必要的退火处理，耐磨合金板的轧制必须在具有封闭型腔轧辊上轧制。
分步成形工艺包括两步第一步如图4所示，先将耐磨合金层及减磨合金层19分别包覆纯铝20、21后在闭模轧辊22中轧制，然后将包复好纯铝的耐磨合金及减磨合金层23进行必要的退火处理；第二步如图5所示，将包复好纯铝的耐磨合金24与减磨合金层25叠合，在具有封闭型腔的轧辊中26轧制，得到壁厚均匀的多层结构的合金板材18，退火后用于轴瓦带材的加工。
最后是轴瓦带材轧制成型，如图6所示，将多层合金板18和钢带27经过打磨处理后叠合，然后在具有封闭型腔的轧辊28中进行闭模轧制，获得壁厚均匀的轴瓦带材29，经过退火处理后用于滑动轴承的轴瓦加工。
权利要求
1.一种轴瓦带材，其特征在于所述轴瓦带材包括外层金属钢带层、中间耐磨合金层和内层减磨合金层三层结构。
2.如权利要求1所述的轴瓦带材，其特征在于所述耐磨合金层为Al-Si-Sn-X连铸的铝合金板，其成分的质量百分比为3％～12％的Si、3％～12％Sn以及0.01％～2％其他强化合金元素，余下的为Al。
3.如权利要求2所述的轴瓦带材，其特征在于所述其他强化合金元素包括Cu、Ti、B、Zr、Mn、Ni、Cr、Sr。
4.如权利要求1所述的轴瓦带材，其特征在于所述减磨合金层为铝基合金，其成分的质量百分比为20％～40％Sn及0.01％～2％Cu，余下的为Al。
5.如权利要求1所述的轴瓦带材，其特征在于所述钢带为具有较好的韧性和承载能力的低碳合金钢。
6.如权利要求1所述的轴瓦带材的制备方法是在闭模中轧制，即是由平辊和凹辊组成的闭模进行轧制。
7.如权利要求6所述的轴瓦带材制备方法，其特征在于所述轧制过程中在每层金属间增加一层中间过渡层，中间过渡层为纯铝层、纯镍层、低合金含量的变形铝合金层。
8.如权利要求6所述的轴瓦带材制备方法，其加工工艺步骤为A、连铸耐磨合金板锭采用合金板锭连铸结晶装置进行合金板锭的连铸，液态金属在具有水冷通道的结晶器中结晶，在平辊驱动下连铸出壁厚均匀的耐磨板锭，板锭退火处理后进行双面铣，待用；B、连铸减磨合金板锭采用合金板锭连铸结晶装置进行合金板锭的连铸，液态金属在具有水冷通道的结晶器中结晶，在平辊驱动下连铸出壁厚均匀的减磨板锭，板锭退火处理后进行双面铣，待用；C、对耐磨合金板锭、减磨合金板锭进行轧制，制得壁厚均匀的多层结构的合金板材，退火，待用；D、对上述多层合金板和钢带打磨后叠合进行闭模轧制，制得壁厚均匀轴瓦带材，退火。
9.如权利要求8所述的轴瓦带材制备方法，其特征在于所述耐磨合金板锭、减磨合金板锭的轧制工艺为一次成形将纯铝板、减磨合金板和耐磨合金板经过表面打磨后叠放在一起，在具有封闭型腔的轧辊中进行闭模轧制，制得壁厚均匀的多层结构的合金板材。
10.如权利要求8所述的轴瓦带材制备方法，其特征在于所述所述耐磨合金板锭、减磨合金板锭的轧制工艺为分步成形A、将耐磨合金层、减磨合金层分别包覆纯铝后在闭模轧辊中轧制，退火处理；B、再将包复好纯铝的耐磨合金与减磨合金层叠合在具有封闭型腔的轧辊中轧制，得到壁厚均匀的多层结构的合金板材。
全文摘要
本发明公开了一种轴瓦带材，其特征在于所述轴瓦带材具有三层结构，包括外层金属钢带层、中间耐磨合金层和内层减磨合金层。耐磨合金层为以硅主要合金化元素，孤岛状的软锡相为辐，以及其他少量的强化合金元素的软硬质点共存耐磨组织。减磨合金层为铝基合金。该轴瓦带材的制备方法是在平辊和凹辊组成的闭模中轧制而成。该轴瓦带材大大改善轴承合金的疲劳强度和耐磨性，疲劳强度可以达到或接近Cu－Pb合金水平，而材料的耐磨性优于Cu－Pb合金，同时克服了环境污染问题。
文档编号F16C33/04GK1546878SQ20031011149
公开日2004年11月17日 申请日期2003年11月28日 优先权日2003年11月28日
发明者雷健, 郑宇新, 王泽忠, 雷 健 申请人:东风汽车有限公司