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东北大学硕士学位论文 摘要 高硬度铝合金轴瓦材料研究 摘要 针对现代发动机向高速、重载、无污染方向发展的需求，研究开发出了一种 新型高承载能力的、无铅的铝合金轴瓦材料。通过正交试验，分析了添加元素对 合金力学性能的影响规律，确定了合金的成分控制范围。并通过显微镜和电子扫 描分析了铝合金组织特点及液固相复合轴瓦带界面组织性能。最后通过理论和实 验研究得出如下结论： 1 开发出了一种新型高强度铝合金轴瓦材料，其最佳成分是： a 1 6 s n 2 s i 1 2 c u - 0 6 m g ，该合金在4 7 5 、0 5 h 1 6 0 、8 h 固溶时效后 的性能指标为：h v ：7 5 _ 3 ；民：2 3 4 m p a ；占：1 9 2 ，优于目前使用的铝合 金轴瓦材料； 2 针对a 1 s n 系轴瓦材料在常规退火工艺( 3 5 0 、3 0 m i n ) 时出锡汗的问 题，提出了高温短时退火新工艺。对3 m m 厚试样所傲的试验表明，4 7 5 、5 m i n 退火不仅可达到退火的目的，还可有效地防止锡汗产生； 3 影响a i s n - c u - m g 台金力学性能的主要因素是c u 和m g ，其中c u 对合 金铸态、加工态和退火态的性能影响显著，而m g 对合金时效后的性能 影响显著；含金中的m g 、c u 主要以固溶形式存在，而s n 、s i 则主要 分布于晶界； 4 经液一固相轧制复合工艺生产的a 1 6 s n - 2 s i 1 2 c u - 0 6 m g 钢背轴瓦材 料，界面结合牢固，铝合金层的硬度可达h v 6 5 ，经1 6 0 、g h 时效后 硬度可达h v s 0 6 ，其扩散层大约为5um ，界面化台物以f e a l 3 形式存 在。 关键词轴瓦材料铝锡合金高强度正交设计液固相$ l 带r l 复合界面固 溶时效 i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s t u d yo n t h eh i g h h a r d n e s sa l u m i n u mb e a r i n gm a t e r i a l a b s t r a c t t om e e tt h en e e d so f d e v e l o p m e n tt o w a r d sh i g h - s p e e d ，h e a v i l yl o a d e d ， p o l l u t i o n f r e et r e n d so fm o d e r ne n g i n e s ，ak i n do fn e w - t y p eh i g hb e a r i n gc a p a c i t y ， l e a d - f r e ea l u m i n i u ma l l o yb e a r i n gm a t e r i a lh a sb e e nd e v e l o p e d t h r o u g ho r t h o g o n a l t e s t ，t h ee f f e c t i n gl a wo fa d d i n ge l e m e n t so nt h ea l l o ym e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a sb e e n o b t a i n e d t h e n ，t h eo p t i m u mr a n g eo fc o m p o s i t i o no ft h ea l l o yf i n a l l yh a sb e e n c o n f i r m e d a n dt h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fa l u m i n u ma l l o ya n dt h ed i f f u s i o nl a y e r h a v e b e e na n a l y z e db ym i c r o s c o p ea n ds c a n n i n ge l e c t r o n i cs c o p e f i n a l l y , b yt h e o r ya n d e x p e r i m e n tt h ec o n c l u s i o n s a r ed r a w na sf o l l o w s ： 1 an e wk i n do fa ia l l o yb e a rm a t e r i a l sw h o s eo p t i m a lc o m p o s i t i o ni s a i - 6 s n - 2 s i 一1 2 c u - 0 6 m gi sd e v e l o p e d a n di ti ss h o w nt h a tt h ea l l o yh a s r e m a r k a b l ea g e h a r d e n i n ga b i l i t ya n dc a l lr e a c ht h ep e r f o r m a n c ei n d e xo f “h v 7 0 ，盯6 2 0 0 m p aa n d 万1 5 ”b ya g i n ga t1 6 0 cf o r8 ha f t e r s o l m i o nt r e a t m e n ta t4 7 5 cf o ro 5 h 2 i nv i e wo ft h ep r o b l e mo f f i nb l e e d i n g o fa i s nb e a r i n ga l l o y sd u r i n gt h e c o n v e n t i o n a l a n n e a l i n gp r o c e s s ，an e wp r o c e s so fa n n e a l i n g 砒h i 曲 t e m p e r a t u r ef o rs h o r t - t i m ei sp u tf o r w a r d t h ee x p e r i m e n to f t h es a m p l e w i t h t h et l l i c k n e s so f3 m mi n d i c a t e st h a ta n n e a l i n ga t4 7 5 f o r5 m i nc a nn o t o n l ya c h i e v et h ep u r p o s eo f a n n e a lb u ta l s op r e v e n tt i nb l e e d i n g 3 t h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa i - s n c u m g a l l o y sa r ec ua n dm g c uh a v eo b v i o u se f f e c to nt h ep r o p e r t i e so fa s - c a s t ， a s - d e f o r m e d ，a n da s - a n n e a l e da l l o y , a n dm gh a v eo b v i o u se f f e c to nt h e p r o p e r t i e so fa l l o ya f t e ra g i n g m ga n dc ui nt h ea l l o ye x i s ti nt h ef o r mo f s o l u t i o nw h i l es na n ds im a i n l yd i s t r i b u t ei nt h eg r a i nb o u n d a r y 4 t h ei n t e r f a c i a ls t r e n g t ho f a l 一6 s n - 2 s i 2 c u - o 6 m g s t e e lc l a ds t r i pp r o d u c e d b ys o l i d - l i q u i dr o l l i n gc l a d d i n gi sh i g h t h eh a r d n e s so f t h ea l u m i n i u ma l l o y a f t e rc l a di si - i v 6 5a n di sh v 8 0 6a f t e ra g i n ga tl6 0 f o r8 h ，t h et h i c k n e s s i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t o f t h ei n t e r f a c i a ll a y e ri sa b o u t5un l ，i nw h i c ho n l yf e a hp h a s ei sf o u n d k e y w o r d sb e a r i n gm a t e r i a l ， a l u m i n i u m - t i na l l o y ，h i g hs t r e n g t h ， o n l i o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g n ，s o l i d - l i q u i dr o l l i n gc l a d d i n g ，i n t e r f a c e ，a 百i 唱 t r e a t m e n ta f a rs o l u t i o nt r e a t m e n t i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彳咚，始 日期：2 0 0 5 年，月珀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 引言 第1 章绪论 轴承属于支承零件，用来支持轴或轴上的回转零件使其正常工作和转动，是 机械中的重要零件。按照摩擦性质的不同，轴承分滑动轴承和滚动轴承。它在工 程机械上主要是作为辅助元件，是连接动态回转轴和静态轴承座的纽带。轴承按 其种类分为滚动轴承和滑动轴承。滑动轴承的轴颈与轴瓦之间为滑动摩擦，与滚 动轴承相比，滑动轴承具有如下优点【1 2 】： ( 1 ) 滑动轴承的轴颈与轴瓦之间是面接触，所以其承载能力较大； ( 2 ) 轴承工作面存在油膜，故具有缓冲吸震、降低工作噪声的作用； ( 3 ) 处予液体摩擦状态下的滑动轴承，其摩擦系数非常小，因而使得滑动轴 承磨损较轻，寿命较长； ( 4 ) 可以达到很高的回转精度； ( 5 ) 对于大型轴承，其制造成本比滚动轴承低； ( 6 ) 径向尺寸较小，可以制成剖分式以便于装配等等。 此外滑动轴承工作可靠，能在水中或腐蚀性介质中工作等。因此在高速、重 载、高精度等场合，特别适宜采用滑动轴承。它广泛应用在各种杆轴传动和主轴 传动中，尤其是蒸气机、内燃机等。 1 1 轴瓦材料性能 滑动轴承由轴瓦和轴承座两部分组成。轴瓦在轴承上，是直接与轴相接触的 部分，承受载荷并且与轴具有相对运动。由于发动机的滑动轴承不可能在轴颈和 轴承表面被油膜完全隔开这样一个理想状态下工作，而是经常在边界摩擦或混合 摩擦状态下工作，因此要保证轴承在发动机运行中安全可靠，就必须要求轴承合 金具备如下性能p 7 j ： ( 1 ) 耐磨性轴承合金在负载下运转，不易被磨损的能力。要求轴瓦与轴 面的摩擦系数要小，对轴的磨损要小。 ( 2 ) 抗疲劳性_ 在交变载荷下，抵抗疲劳损坏的能力。一般材料有了抗压 强度，抗拉强度，延伸率，弹性模数等数据，就可以评价其抗疲劳性。硬而韧的 金属具有较好的抗疲劳性。抗拉强度和弹性模数的比值愈大，其抗疲劳损坏性能 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 就愈好。 ( 3 ) 适当的强度合金在工作负载下应有一定的机械性能，特别是硬度和 抗压强度。机械强度低容易发生被压皱现象，甚至合金会从轴承中被挤压出来。 硬度过高则将增大对轴颈的磨损。 ( 4 ) 抗咬合性轴瓦对轴易发生热咬合下的性质。当轴瓦在工作过程中处 于干摩擦或半干摩擦状态时，轴与轴瓦发生瞬时接触，在这种情况下，材料的抗 咬合性能就显得特别重要。合金表面对润滑油的亲油性( 吸附润滑油的能力) 是 影响材料抗咬合性的一个重要因素。 ( 5 ) 嵌藏性能够让润滑油中杂质或金属碎粒嵌入合金中而不致划伤轴颈 表面的性质，一般较软的金属嵌藏性较好。 ( 6 ) 顺应性轴承台金对于安装不准确，轴孔不同心，轴变形或轴孔变形 等因素的适应能力。比较软的金属具有较好的顺应性。 ( 7 ) 耐腐蚀性抵抗润滑油中各种杂质腐蚀的能力。一般来讲，铅、锌系 的合金耐腐蚀较差，锡、铝、银系的合金耐腐蚀性较好。 ( 8 ) 导热性好轴承在高速运转时会产生大量的热，如果不能及时散出， 就会产生高温，造成轴瓦合金的熔化或出现焊瓦现象。另外，轴瓦合金的热膨胀 系数要小，否则，在高温下会出现轴颈和轴瓦之间间隙加大，从而造成轴承运转 不稳定。 应该指出，没有一种轴承材料能够全面具各上述性能，因而必须针对各种具 体情况合理选用。 1 2 常用轴瓦材料 轴承材料分三大类：( 1 ) 金属材料，如轴承合金、铜合金、铝合金和铸铁等： ( 2 ) 多孔质金属材料；( 3 ) 非金属材料，如工程塑料、碳一石墨等【8 】。下面择其 主要者略作介绍。 1 2 1 巴氏合金 巴氏合金是锡、铅、锑、铜的合金【9 1 ，它以锡或铅作基体，其内含有锑锡( s b s n ) 或铜锡( c u s n ) 的硬晶粒。硬晶粒起抗磨作用，软基体则增加材料的塑性。轴承 合金的弹性磨量和弹性极限都很低，在所有轴承材料中，它的嵌入性及摩擦顺应 性最好，很容易和轴颈磨合，也不易与轴颈发生咬粘。但轴承合金的强度很低， 不能单独制作轴瓦，只能贴附在青铜、钢或铸铁轴瓦上作轴承衬。轴承合金适用 2 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 就愈好。 ( 3 ) 适当的强度合金在工作负载下应有一定的机槭性能，特别是硬度和 抗压强度。机械强度低容易发生被压皱现象，甚至合金会从轴承中被挤压出来。 硬度过高则将增大对轴颈的磨损。 ( 4 ) 抗咬合性轴瓦对轴易发生热咬合下的性质。当轴瓦在工作过程中处 于千摩擦或半干摩擦状态时，轴与轴瓦发生瞬时接触，在这种情况下，村料的抗 咬合性能就显得特别重要。合金表面对润滑油的亲油性( 吸附润滑油的能力) 是 影响材料抗咬台性的一个重要因素。 ( 5 ) 嵌藏性能够让润滑油中杂质或金属碎粒嵌入合金中而不致划伤轴颈 表面的性质，一般较软的金属嵌藏性较好。 ( 6 ) 顺应性轴承台金对于安装不准确，轴孔不同心，轴变形或轴孔变形 等因素的适应能力。比较软的金属具有较好的顺应性。 ( 7 ) 耐腐蚀性抵抗润滑油中各种杂质腐蚀的能力。一般来讲，铅、锌系 的合金耐腐蚀较差，锡、铝、银系的合金耐腐蚀性较好。 ( 8 ) 导热性好轴承在高速运转时会产生大量的热，如果不能及时散出， 就会产生高温，造成轴瓦台金的熔化或出现焊瓦现象。另外，轴瓦台金的热膨胀 系数要小，否则，在高温下会出现轴颈和轴瓦之间间隙加大，从而造成轴承运转 不稳定。 应该指出，没有一种轴承材料能够全面具备上述性能，因而必须针对各种具 体情况台理选用。 1 2 常用轴瓦材料 轴承材料分三大类：( 1 ) 金属材料，如轴承合金、铜合金、铝台金和铸铁等； ( 2 ) 多孔质金属材料；( 3 ) 非金属材料，如工程塑料、碳一石墨等嘲。下面择其 主要者略作介绍。 1 2 1 巴氏合金 巴氏合金是锡、铅、锑、铜的合金吼它以锡或铅作基体，其内含有锑锡( s b - s n ) 或铜锡( c u s n ) 的硬晶粒。硬晶粒起抗磨作用，软基体则增加材料的塑性。轴承 合金的弹性磨量和弹性极限都很低，在所有轴承材料中，它的嵌入性及摩擦顺应 性最好，很容易和轴颈磨合，也不易与轴颈发生咬粘。但轴承合金的强度很低， 不能单独制作轴瓦，只能贴附在青铜、钢或铸铁轴瓦上作轴承衬。轴承合金适用 不能单独制作轴瓦，只能贴附在青铜、钢或铸铁轴瓦上作轴承衬。轴承合金适用 2 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 就愈好。 ( 3 ) 适当的强度合金在工作负载下应有一定的机械性能，特别是硬度和 抗压强度。机械强度低容易发生被压皱现象，甚至合金会从轴承中被挤压出来。 硬度过高则将增大对轴颈的磨损。 ( 4 ) 抗咬合性轴瓦对轴易发生热咬合下的性质。当轴瓦在工作过程中处 于干摩擦或半干摩擦状态时，轴与轴瓦发生瞬时接触，在这种情况下，材料的抗 咬合性能就显得特别重要。合金表面对润滑油的亲油性( 吸附润滑油的能力) 是 影响材料抗咬合性的一个重要因素。 ( 5 ) 嵌藏性能够让润滑油中杂质或金属碎粒嵌入合金中而不致划伤轴颈 表面的性质，一般较软的金属嵌藏性较好。 ( 6 ) 顺应性轴承台金对于安装不准确，轴孔不同心，轴变形或轴孔变形 等因素的适应能力。比较软的金属具有较好的顺应性。 ( 7 ) 耐腐蚀性抵抗润滑油中各种杂质腐蚀的能力。一般来讲，铅、锌系 的合金耐腐蚀较差，锡、铝、银系的合金耐腐蚀性较好。 ( 8 ) 导热性好轴承在高速运转时会产生大量的热，如果不能及时散出， 就会产生高温，造成轴瓦合金的熔化或出现焊瓦现象。另外，轴瓦合金的热膨胀 系数要小，否则，在高温下会出现轴颈和轴瓦之间间隙加大，从而造成轴承运转 不稳定。 应该指出，没有一种轴承材料能够全面具各上述性能，因而必须针对各种具 体情况合理选用。 1 2 常用轴瓦材料 轴承材料分三大类：( 1 ) 金属材料，如轴承合金、铜合金、铝合金和铸铁等： ( 2 ) 多孔质金属材料；( 3 ) 非金属材料，如工程塑料、碳一石墨等【8 】。下面择其 主要者略作介绍。 1 2 1 巴氏合金 巴氏合金是锡、铅、锑、铜的合金【9 1 ，它以锡或铅作基体，其内含有锑锡( s b s n ) 或铜锡( c u s n ) 的硬晶粒。硬晶粒起抗磨作用，软基体则增加材料的塑性。轴承 合金的弹性磨量和弹性极限都很低，在所有轴承材料中，它的嵌入性及摩擦顺应 性最好，很容易和轴颈磨合，也不易与轴颈发生咬粘。但轴承合金的强度很低， 不能单独制作轴瓦，只能贴附在青铜、钢或铸铁轴瓦上作轴承衬。轴承合金适用 2 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 于重载、中高速场合，价格较贵。 1 2 2 铜合金 铜合金具有较高的强度，较好的减摩性和耐磨性i o - 1 2 。由于青铜的减摩性和 耐磨性比黄铜好，故青铜是最常用的材料。青铜有锡青铜、铅青铜和铝青铜等几 种，其中锡青铜的减摩性和耐磨性最好，应用较广。但锡青铜比轴承合金硬度高， 磨合性及嵌入性差，适用于重载及中速场合。铅青铜抗粘附能力较差，适用于低 速、重载轴承。 1 2 3 铝基合金 铝基轴承合金在许多国家获得广泛应用。它有相当好的耐蚀性和较高的疲劳 强度，摩擦性能亦较好。这些品质使铝基合金在部分领域取代了较贵的轴承合金 和青铜。铝基合金可以制成单金属零件( 如轴套、轴承等) ，也可制成双金属零件， 双金属轴瓦以铝基合金为轴承衬，以钢作衬背。 1 2 4 灰铸铁及耐磨铸铁 普通灰铸铁或加有镍、铬、钛等合金成分的耐磨灰铸铁，或者球墨铸铁，都 可以用作轴承材料。这类材料中的片状或球状石墨在材料表面上覆盖后，可以形 成一层起润滑作用的石磨层，故具有一定的减摩性和耐磨性。此外，石墨能吸附 碳氢化合物，有助于提高边界润滑性能，故采用灰铸铁作轴承材料时，应加润滑 油。由于铸铁性脆、磨合性差，故只适用于轻载低速和不受冲击载荷的场合。 i 2 5 多孔质金属材料 用不同金属粉末经压制、烧结而成的轴承材料。这种材料是多孔结构的，孔 隙约占体积的1 0 3 5 。使用前先把轴瓦在热油中浸渍数小时，使孔隙中充满润 滑油，因而通常把这种材料支撑的轴承州含油轴承。它具有自润滑性。工作时， 由于轴颈转动的抽吸作用及轴承发热时油的膨胀作用，油便进入摩擦表面间起润 滑作用；不工作时，因毛细管作用，油便被吸回到轴承内部，故在相当长时间内， 即使不加润滑油仍能很好地工作。如果定期给以供油，则使用效果更佳。但由于 其韧性较小，故宜用于平稳无冲击载荷及中低速度情况。常用的有多孔铁和多孔 质青铜。多孔铁常用来制作磨粉机轴套、机床油泵衬套等。多孔质青铜常用来制 作电唱机、电风扇、纺织机械及汽车发电机的轴承。我国已有专门制造含油轴承 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的工厂，需用时可根据设计手册选用。 1 2 6 非金属材料 非金属材料中应用最多的是各种塑料( 聚合物材料) ，如酚醛树脂、尼龙、聚 四氟乙烯等。聚合物的特性是：与许多化学物质不起反应，抗腐蚀能力特别强， 例如聚四氟乙烯( p t f e ) 能抗强酸弱碱；具有一定的自润滑性，可以在无润滑条 件下工作，在高温条件下具有一定的润滑能力；具有包容异物的能力( 嵌入性好) ， 不易擦伤配偶表面，减摩性及耐磨性都比较好。 1 3 铝基轴瓦材料 与巴氏合金轴瓦、铜铅合金轴瓦相比，铝合金轴瓦是一种新型的轴瓦。它是 在近代随着汽车、拖拉机、内燃机、航海、航空发动机向高速、重载方向发展而 兴起的。与巴氏合金和铜铅轴瓦合金相比，铝基轴瓦合金具有更为优越的综合性 能：( 1 ) 单位承载能力大；( 2 ) 耐磨性好( 由于省略了表面涂层，所以，因磨损 而引起的轴承间隙变小，这对于降低噪音有利) ；( 3 ) 耐蚀性好；( 4 ) 适用范围更 广，可用于软轴或铸铁轴；( 5 ) 更为优越的滑动特性；( 6 ) 强度更高；( 7 ) 导热 性好，有利于降低轴瓦的工作温度；( 8 ) 弹性模量低。此外，铝基轴瓦合金还具 有比重轻、加工性好、摩擦系数小等优点。因而，在所有用作轴瓦的合金材料中， 铝基合金材料有着很大的吸引力。 现在广泛使用的铝基轴瓦材料可以分为a l s i 、a 1 p b 、a 1 s n 三大系，表1 1 是一些常用的铝基轴瓦材料的牌号、成分及性能特点。 1 3 1a 1 s i 系轴瓦合金 a 1 s i 系轴瓦合金具有高的比强度、比剐度、耐蚀性等特性，广泛应用于机械 工程【l 习。硅在铝中的溶解度极限约为2 ，继续增加硅含量时即析出含有1 1 7 s i 的a l + s i 共晶体。o e 凯斯捷尔进行的关于含有1 4 s i 的过共晶合金的应用方面 的实验证明，这种合金不能用来代替巴氏合金。但是，由于硅粒子具有很高的硬 度，它的加入能够使铝合金得到最大的强化，这对于a 1 s i 系合金的抗咬合性是很 重要的。由于a 1 s i 合金直接结合到钢上，所以可获得很高的结合强度，而且在高 温时还能保持高的结合强度，这就保证了这种合金制成的轴瓦具有很高的承载能 力和高温的性能。 但是，由于a 1 s i 系合金中不含软相成分，所以由该系合金制成的轴瓦其异物 一4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 嵌藏性能差，因此磨损所形成的剥落碎屑会对轴颈构成潜在的威胁。为了增加该 种合金轴瓦的顺应性，使用时需要在合金的表面镀一层软的铅基镀层材料，导致 轴瓦的成本增加。另外，这种轴瓦合金的塑性较低，只能铸成整体轴瓦。正是基 于以上原因，a 1 s i 系轴瓦合金在实际中并未获得推广使用。 表1 1 常用铝基轴瓦合金的成分和性能 t a b l e1 1 c o m p o s i t i o na n dp e r f o r m a n c eo f g e n e r a la l u m i n u mb a s eb e a r i n ga l l o y 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 2a 1 p b 系轴瓦合金 a l - p b 系轴瓦合金具有较高的承载能力、良好的减摩性、抗咬合性、顺应性和 耐磨性，所以在某些领域应用也是广泛的f 1 4 l 。由于铅是很软的金属，并且具有自 润滑作用，因而使得磨损生成物的尺寸极为微小，而且相对硬度也小，所以，轴 瓦能够长久地保持高的表面质量。此外，由于铅的应变临界极限( 极限强度与弹 性模量的比值) 较大，故a 1 p b 系轴瓦材料的疲劳强度较高。 尽管舢p b 系轴瓦合金有着较为优越的性能。但是这种合金的耐腐蚀能力较 差，且由于采用p b 作为主要的添：臼元素，所以合金的强度较低。此外，由于a i 和p b 的互溶性很差以及二者之间的比重差也较大，所以，灿p b 系轴瓦合金在生 产过程中很难解决p b 的偏析问题，从而使制得得轴瓦成分不均，难以满足性能指 标。同时，如果这种轴瓦广为应用得话，势必增加p b 的投入，这不符合环保要求。 所以，随着同为软性基体且综合性能越来越优越的a l 。s n 轴瓦合金的出现，a b p b 系轴瓦合金的研究与使用大为降低。 1 3 3a i s n 系轴瓦合金 在轴瓦用铝合金a 1 s n 系、a 1 p b 系中添加s i 可以提高轴瓦材料耐磨性能和抗 热性能。但添加s i 后，虽然轴瓦材料强度升高但塑性下降，很难用普通的加工方 法使之与钢带理想地结合。2 0 世纪9 0 年代初，英国格拉西i n i ( g l a c i e r ) 公司宣称已 成功地研制并生产出牌号为a s l 2 4 的含s i 铝合金轴瓦材料，其性能和价格均较 a i s n 2 0 c u 为优。在a 1 s n c u 系轴瓦合金中加入4 的s i 是改进现有轴瓦材料性能 的可行途径，它不仅有效提高了轴瓦材料的强度和耐磨性能，并且可以节约贵重 有色金属s n 使合金具有价格优势。磨损实验结果表明，在摩擦系数没有明显增 大的情况下，新合金a i s n j 2 s h c u 2 相对于常用的a l s n 2 0 c u 合金，磨损体积降低 4 0 6 0 ，强度增加1 5 2 0 ，承载能力也显著提高i l ”。 上世纪三十年代末期，英国首先研制了含s n 为5 7 的a i s n 合金，随后美、 德、日等国家相继研制了含s n 为1 0 3 0 的合金。铝锡合金作为发动机轴承材料 是以为基体，s n 为主要添加元素，添加s i 、c u 、c d 、c r 、p b 等元素以提高其 性能，正愈来愈多地得到应用以替代传统的锡青铜和巴氏合金。 a l s n 系轴瓦合金具有一系列的优点，诸如：( 1 ) 滑动性能优良：( 2 ) 疲劳强 度和耐蚀性较高：( 3 ) 塑性较大；( 4 ) 耐磨性较好；( 5 ) 嵌藏性好等，这些优良 的性能决定了a 1 s n 系轴瓦合金能够广泛应用。目前，国内外使用的a 1 s n 合金含 一6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 s n 量介于3 3 0 之间，其中以含s n1 0 2 0 的合金居多。我国现阶段使用的a i s n 合金轴瓦主要是a i s n 2 0 c u i ( s a e 7 8 3 ) 。该材料具有良好的相容性、异物嵌藏性与 抗腐蚀的能力，且抗疲劳与抗穴蚀能力也适当。这种材料是1 9 5 0 年由欧洲人发展 起来的，现在仍然应用于欧洲的一些发动机，但在日本和美国已基本不用。 在a 1 s n 合金中加入少量的c u 、s i 或n i 等元素，能够有效地提高基体的强度 和硬度，同时，添加s i 能改善a i s n 合金的耐磨性能。基于此，人们开发出了含 有少量c u 和n i 的a 1 s n s i 轴瓦合金，其中较为先进的a 1 s n - s i 轴瓦材料是由 f e d e r a l m o g u l 公司开发出来的先进的a 5 0 0 合金( 即s a e 7 8 8 ) 。该种合金代表了 当今世界最为先进的无镀层铝衬层轴瓦材料，其成分为a i s n s s i 25 p b 2 c u o8 c r o2 。该 合金在保持了传统无镀层铝合金轴瓦优良耐磨性的基础上，进一步提高了其抗疲 劳强度和抗咬合的性能，使其在提高轴瓦使用寿命、延缓噪声增大和油压降低的 同时，还能够应用到重载高速场合【1 6 锄】。 a 1 s n 系轴瓦合金与a 1 s i 系轴瓦相比有如下优点：( 1 ) 表面更为柔软，不伤 轴；( 2 ) 塑性高，成型性好：( 3 ) 耐冲击性更好；与铝铅系轴瓦合金相比，又有 如下优点：( 1 ) 偏晶现象较小，加工性较好；( 2 ) 不含p b 等有毒成份，满足环保 的需求。以上种种优点都意味着：铝锡轴瓦合金作为一种先进的铝基轴瓦材料， 必将在该领域取得巨大的成功。 综上所述：铝基轴瓦合金与巴氏合金、铜铅轴瓦合金的比较如下： ( 1 ) 耐疲劳性 轴瓦的耐疲劳性是最重要的特性之一，铝合金轴瓦受到重视，也是由于这种 轴瓦有更高的耐疲劳性之故。试验证明，铝合金中即使是含锡2 0 的a t 2 0 0 也要 比铜铅合金中疲劳强度最高的h 2 4 s ( 相当于1 0 4 ) 优越，更不用说软基体的巴氏 合金了。可见，这三种合金的抗疲劳顺序为： 铝基轴瓦合金 铜基轴瓦合金 巴氏合金 ( 2 ) 质量、成本、稳定性 由于铝相对铜、铅来说，资源较为丰富，其电解技术也较为成熟，因此，成 本已不是主要障碍。况且，铝锡合金轴瓦的综合使用性能优于铜铅合金轴瓦以及 巴氏合金轴瓦。故从使用角度来看，新型铝锡合金轴瓦具有显而易见的优点。因 此这几种材料在质量、成本、稳定性方面的顺序为： 铝基轴瓦合金 铜基轴瓦合金 巴氏合金 ( 3 ) 易于实现轴瓦薄壁化顺序 薄壁互换性轴瓦，就是依靠壁薄，或去除镀层材料，使之成为互换性的插入 - 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 式轴瓦( 即薄壳轴承) 。推荐它的理由如下： 由于形状简单，壁薄，冷却均匀，容易得到良好的轴瓦质量； 容易生产出最合适的材料： 重量轻、使用方便、产量高、互换性好： 壁薄，减少了合金的用量，节约了成本。 这三类轴瓦合金容易实现薄壁化的顺序为： 铝基轴瓦 铜基轴瓦 巴氏合金轴瓦 ( 4 ) 环保轻量化角度 由于新型铝锡合金轴瓦没有象铜铅合金或巴氏合金那样，添加较多的p b 等有 毒元素，所以，由这种材料制造的轴瓦在使用周期中，对环境的危害是较轻的。 其环保优良性顺序如下： 铝基轴瓦 铜基轴瓦 巴氏合金轴瓦 ( 5 ) 耐磨、耐蚀性 实验证明，铝合金轴瓦材料的磨损与有镀层的铜铅轴瓦材料相比。约为后者 的一半。而铜铅合金材料的磨损量与巴氏合金相比，稍微大点，但二者的磨损特 性大致相似。据此，我们认为这三种合金材料的耐磨性顺序如下： 铝基轴瓦 铜基轴瓦 巴氏合金轴瓦 通过以上比较不难发现，铝合金轴瓦材料与另外两种轴瓦材料相比具有许多 优点，这意味着它可以作为一种先进的轴瓦材料来发展，这也正是我们此次实验 的初衷，并且，我们在确定铝基轴瓦合金研究方向的同时，进一步选定了其中较 为优秀的铝锡系合金来研究。 1 4 铝基钢背轴瓦制造工艺 目前金属复合板的生产制各工艺可以分为三大类：固一固相复合法、液一固 相复合法和液一液相复合法。 1 4 1 固一固相轧制复合法 将经过表面处理( 除油、打磨) 后的两层或多层金属板料，焊接成一体或将 板料叠加直接进行大变形量的轧制( 或其它变形如爆炸等) ，然后进行扩散退火以 形成冶金结合，以达到割各复合材料的工艺方法1 2 1 - 2 3 1 。这种复合的方法有口4 _ 2 6 j ： 焊接法、爆炸法、电磁成形、轧制复合法等。 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 2 液一固相复合法 它是一种金属材料( 液态) 采用不同方式均匀地浇注到另一种金属材料( 固 态) 表面，通过两种金属材料间的物理化学反应实现冶金结合，并凝固成形的复 合工艺方法。主要方法有： 直接浇注复合法将两块钢板内层涂上剥离剂，四周焊合后，放在盛有金 属液的铸模中。等金属凝固后，进行轧制，就得到了两块复合板。 浸入法一将温度较低的母带浸入到液态的覆层材料中，使之在母带表面形 成凝固层。其主要的工艺方法有反向凝固法或热浸镀法。 喷射成型法一是通过专用设备把某种固体材料融化并加速喷射到基件表面 形成表面薄层经热处理后达到复合，是提高基件耐蚀，耐磨，耐高温等性能的技 术。 半固态压力成型复合法1 2 7 1 将液态铝浇注到钢表面同时施加压力。使钢带 和铝发生冶金结合。 1 4 3 液一液相结合 液一液相结合是种新型的未成熟的技术【2 8 - 2 9 ) ，它免去了固态表面的活性处 理工序，但由于连铸技术的发展。使得这种技术生产复合板成为可能。 1 5 液一固相轧制复合法 液一固相轧制复合是在国家8 6 3 “九五”计划中开发的、具有我国自己独立知 识产权的生产双金属复合板的新技术【4 】，是将熔融金属直接浇注到母材( 钢背) 上， 通过一对水冷轧辊的冷却、凝固和轧制作用而生产复合板，轧制复合时所需塑性 变形量很小，同时由于冷却速度极快，铝合金内元素和组织分布均匀。液一固相 轧制复合法和固一固态轧制复合法在结合机理方面有本质的区别 3 0 , 3 1 1 。固固相结 合其机理为裂口机制，就是通过压力使得金属原子间的距离达到原子间相互作用 力能发挥作用的范围内，然后进行扩散退火使原子充分扩散，形成冶金结合。这 种冷轧制法轧制力非常大，对设备投资大，生产成本高。液一固相轧制复合技术 是将钢热浸镀铝合金与铸轧有机结合的一种近终形加工方法，与传统的轧制复合 法生产铝合金复合轴瓦带相比，具有如下优点： ( 1 ) 复合强度高。由于液一固相轧制复合可以实现两种金属问的冶金结合， 结合强度是固一固相轧制复合的2 - 3 倍； 一9 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 2 ) 生产成本低。液一固相轧制复合技术单位成本比同一固相轧制复合降低 2 0 - 3 0 ，成刁率提高1 0 2 0 ，因此产品的竞争力及获利能力都强于固一固相轧制 复合技术生产的产品； ( 3 ) 设备投资少。液固相轧制复合技术工序少，设备投资比固一固相轧制 复合技术要减少5 0 7 0 左右： ( 4 ) 生产效率高。液固相轧制复合技术可以实现带式连续生产，比固一固 相快式生产提高生产率1 2 倍以上； ( 5 ) 能源消耗低。液固相轧制复合技术由于工序减少和设备吨位的减少， 其能源消耗可降低3 0 - 5 0 左右； ( 6 ) 产品质量好。液周相轧制复合可以使液态金属在轧辊区快速冷却，晶 粒细小，尤其是轴瓦材料中硬质点和铅、锡等低熔点金属形成的软质点，密度高 且分布均匀，从而提高了产品的内在冶金质量。 目前，东北大学材料电磁过程教育部重点实验室采用液一固相轧制复合法可 以稳定、连续生产铝合金，钢双金属复合轴瓦带。此复合板硬度较高，铝合金内元 素分布均匀，界面结合强度高，板厚均匀 3 2 1 。 一l o 东北大学硕士学位论文 第2 章实验目的、方法及设备 第2 章实验目的、方法及设备 2 i 实验目的 铝锡合金作为发动机轴瓦材料，具有较好的抗胶合性、耐磨减摩性、耐腐蚀 性等综合性能，自上世纪6 0 年代以来，它越来越多地取代巴氏合金和铜合金而广 泛应用于各类型发动机中 1 7 , 1 9 , 1 9 3 3 】。 随着近年来汽车工业的飞速发展，发动机日益向高速、小型化、轻量化和高 增压强化方向发展，对轴瓦材料提出了更高的承载和耐磨、耐湿要求，现有的铝 合金轴瓦材料由于强度较低，往往满足不了这种要求i i s , 3 4 。此外，由于现有的铝 合金轴瓦材料均含有一定量的铅，这不仅造成合金熔铸时产生大量危害人体健康 的有毒气体，还会造成轴瓦在使用过程中污染润滑油，给发动机修理或报废时带 来处理问题。鉴于此，我们与一汽集团合作，着手开发一种新型高承载能力的、 无铅的铝合金轴瓦材料。以适应现代发动机向高速、重载、无污染方向发展的需 求。 本论文通过实验达到如下目的： ( 1 ) 在保证铝锡系轴瓦合金现有优良性能的基础上，迸一步提高其硬度、强 度和塑性，使其指标值分别达到或超过h v t 0 、2 0 0 m p a 和1 5 ，使其能够在更广 领域内替代c u - p b 轴瓦； ( 2 ) 适应当今世界先迸铝锡系轴瓦合金的发展的趋势，在保证合金性能的前 提下，进一步降低合金中锡的含量，力图做成中锡乃至低锡轴瓦材料； ( 3 ) 从环保角度考虑，尽量降低或去除铝锡系轴瓦合金中惯常使用的添加元 素p b ，实现轴瓦无p b 化。 本次实验具有十分积极的意义，可以从以下几个方面来概括： ( 1 ) 进一步提高铝锡轴瓦的综合使用性能，从使用者角度来看，能够更好、 更方便她选取适合于不同工作条件下使用的轴瓦：同时，一款性能优越的轴瓦还 能够保证工作的稳定性，这具有积极意义的。 ( 2 ) 减少轴瓦合金中锡的含量意味着轴瓦的成本降低，这对于轴瓦的消费者 来说，有一定的经济意义的。同时，成本降低，也有利于轴瓦的推广使用。 ( 3 ) 在提高轴瓦合金使用性能的同时实现轴瓦无p b 化，把轴瓦使用周期内 对环境的潜在危害性降至最低，这对于环保来说，其意义也是不言自明的。 东北大学硕士学位论文 第2 章实验目的、方法及设备 2 2 实验方案 2 2 1 合金元素的选取 ( 1 ) 选择基体元素 根据第一章对目前轴瓦材料的综合性能比较和发展趋势分析，选定铝作为合 金的基体元素。 ( 2 ) 选取软相成分 软相成分的主要作用是增强合金的耐磨性，同时，由于添加了软相成分，改 善了合金的嵌藏性。通常，软相成分多选p b 或s n ，考虑到p b 的毒副作用，以及 a 1 s n 合金的优良性能，故选s n 作为软相成分。 ( 3 ) 选取强化相元素 3 5 - 4 0 1 合金的化学成分是决定其性能的主要因素。一定比例的铜、硅、镁等合金， 都能明显地提高铝锡合金的力学、物理性能，改善铝合金的耐腐蚀性和摩擦相容 性。 强化相元素的主要作用就是增强基体的硬度、强度及耐疲劳性等，从而增强 轴瓦材料的承载能力。对于铝基合金来说，主要的强化元素是s i 、c u 和m g 。 s i 主要是弥散强化，硬的s i 粒子加入a i 后能够均匀、弥散地分布到基体中从 而强化基体；少量的c u 主要是固溶强化，当含量多时也能析出硬的第二相c u a l 2 化合物，从而起到第二相强化作用：m g 主要是热处理强化，在a 1 s n 系合金中加 入一定量的m g 后，可以通过固溶时效强化基体。 2 2 2 实验方案的确定 ( 1 ) s n 含量的确定 锡在轴瓦材料中是作为软相加入的，随锡含量的增加，合金的表面性能( 抗 胶合性，嵌入性和顺应性) 提高，但力学性能下降，一般其加入量小于1 2 ，较 低的锡含量，锡相质点细小，也被认为是改善疲劳性能的原因。 s n 的加入量应该适当，过少起不到“软”的作用。过多则可能降低金属的抗 咬合性和耐疲劳性。本实验主要是开发高承载能力的铝合金轴瓦材料，兼顾经济 性，故确定其含量为4 8 。实验中取4 、6 、8 三个水平。 ( 2 ) s i 含量的确定 添加硅可提高轴瓦材料的耐磨性及抗疲劳强度和抗胶合性，降低合金的线膨 一1 2 东北大学硕士学位论文第2 章实验目的、方法及设备 胀系数，随着硅含量的增加，合金的加工性能变差。 s i 添加量太低起不到强化作用，太高则合金的韧性明显降低，一般其加入量 不宜超过4 。经查阅大量文献资料，确定其含量为1 5 2 5 并取1 5 、2 0 、2 5 三个水平。 ( 3 ) c u 含量的确定 铜作为强化相加入，固溶到铝中或与铝生成化合物，可提高合金的力学性能 及抗疲劳强度，但铜含量过高，合金的耐腐蚀性和塑性下降。 c u 含量一般不超过s i 的含量，这样不仅有助于提高合金的铸造性能”1 ，同时 又不会伤及轴瓦合金的耐蚀性能，所以我们综合分析将其含量定在o 8 1 6 之 间，取0 8 、1 2 、1 6 三个水平。 ( 4 ) m g 含量的确定 镁与铜一样也作为强化相加入，固溶到铝中或与铝生成化合物，可提高合会 的力学性能及抗疲劳强度。 m g 含量一般在1 o 以下，含m g 量过高，则可能导致合会在熔炼时，氢在液 态金属中的溶解度增加，从而可能会引起轴瓦合会的“氢脆”现象。并且在熔炼 过程中，当m g 含量超过1 o 时，液态合金的表面氧化膜将全部由疏松的m g o 组成，起不到对铝合金液体的保护作用【4 1 。故实验中将m g 含量定在0 3 0 9 之 间并取o 3 、0 6 、0 9 三个水平。 表2 1 实验合金的成分 ( 单位) t a b l e2 1 c o m p o s i t i o no f e x p e r i m e n t a la l l o y s 1 3 东北大学硕士学位论文 第2 章实验目的、方法及设备 为了考察添加元素含量变化对合金力学性能的影响规律以及用最少的实验次 数尽快地确定出合金的最佳成分，采用四因素三水平l 9 ( 3 4 ) 正交表来安排试验。 由正交试验方法所确定的实验合金成分见表2 1 。 2 3 实验设备与材料 2 3 1 实验设备 实验设备主要包括：k g p s 6 0 1 型中频感应炉、二辊轧机、箱式电阻炉、时效 炉、水冷铜模、l g