專利名稱:軸承材料的制作方法
本發(fā)明涉及軸承材料及其生產(chǎn)工藝，特別是涉及鋁基軸承材料，這種材料所含有的合金添加劑，舉例說，包括銅、硅和象錫一類的比較軟的相。
一種以鋁為基、組成大致為20%(重量)Sn和1%(重量)Cu的軸承材料是眾所周知的，並得到了廣泛的應(yīng)用，例如，在汽車制造業(yè)中用于生產(chǎn)普通軸頸軸承。雖然這種材料的疲勞強度和相容性，即抗軸承合金和旋轉(zhuǎn)軸之間局部焊合的能力，在大部分應(yīng)用中都是滿足要求的，但是，當(dāng)把這種材料用于高速引擎時，就會出現(xiàn)疲勞問題。此外，當(dāng)用于同鑄鐵軸相配合時，這種材料的相容性稍低于所要求的值。通常，鑄鐵軸軸頸上可達(dá)到的表面光潔度比鋼軸的光潔度差，從而鑄鐵軸傾向于此鋼軸更易于磨損。
另一種比Al-Sn20-Cu1合金疲勞強度高的熟知的鋁基材料是Al-Si11-Cu1合金，通常，硅是作為一種遍及基體均勻分布的顆粒存在于合金之中。盡管由于基體較短的特性使這種材料有高的疲勞強度，但它的適應(yīng)性卻相當(dāng)差。為解決適應(yīng)性問題，亦即使軸承合金具有調(diào)節(jié)其自身和旋轉(zhuǎn)軸之間小的不同軸性的能力，后者的材料在工作時表面上常帶有電解沉積層，例如，pb-Sn10電解沉積層，而且在沉積層和軸承合金之間還有鎳的中間層。這種軟的沉積層既可解決適應(yīng)性問題，又有吸入污垢的能力。
吸入污垢的能力正變得愈加重要，因為現(xiàn)代柴油機(jī)越來越傾向于用次精燃油進(jìn)行工作，由次精柴油排出的燃燒產(chǎn)物對軟的沉積層產(chǎn)生磨蝕和腐蝕作用，從而導(dǎo)致使用壽命的縮短。而且，沉積層被磨損之處，露出大面極鎳的中間層，這種跡象暗示軸承卡住的危險性增大。
在使用鑄鐵軸的汽車發(fā)動機(jī)中，沉積層磨損的速率還將進(jìn)一步增加。
廣泛的研究證明，將硅加入鋁基軸承材料中，可以改善疲勞強度，改善它同鑄鐵軸的適應(yīng)性和相容性，與此同時，基體中仍保留有軟相。我們共同未決的專利申請GB2，144，149介紹了其中含有8～35%(重量)錫、1～11%(重量)硅和0.2～3%(重量)銅的鋁基軸承材料，這類材料所具有的疲勞強度及同鑄鐵軸的相容性優(yōu)于Al-Sn20-Cu1合金，其適應(yīng)性優(yōu)于無鍍層的Al-Si11-Cu1合金。然而，這類合金的疲勞強度不如下面所介紹的材料的疲勞強度高。
對于需要附加鍍層處理的Al-Si11-Cu1材料的另一問題是要對經(jīng)鍍層的最終軸承表面進(jìn)行車削或其它形式的機(jī)加工，它不同于另外較便宜的鏜孔工藝，因而導(dǎo)致生產(chǎn)過程成本的增加。
本發(fā)明的一個目的是提供疲勞強度有很大改善、同鑄鐵軸的相容性超過Al-Sn20-Cu1的一種軸承材料。另一個目的是提供一種疲勞強度相當(dāng)于Al-Si11-Cu1的無鍍層軸承材料，并能以鏜孔工藝加工到最終尺寸。
曾意外地發(fā)現(xiàn)，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，處于GB2，144，149所公布的范圍內(nèi)的合金，就有可能達(dá)到上述目的。而且，通過在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)整熱處理工藝，就可以控制軸承材料的最終性能，使其適合于特殊的用途。
按照本發(fā)明的一個方面，對于成分處于如下范圍的軸承材料(以重量百分?jǐn)?shù)表示)8～35%錫、1～3銅、2～10硅、除伴隨的雜質(zhì)外，其余皆為鋁，它的生產(chǎn)工藝包括以下步驟把所需合金鑄成適當(dāng)?shù)男螤?，增高合金的溫度使其超過400℃、但低于525℃，隨后最低限度以50℃/分的冷卻速度使合金冷卻、至少使局部溫度降到環(huán)境溫度。
最佳錫含量可能處于9～13%(重量)和15～25%(重量)兩個范圍中的一個，與此類似，最佳銅含量在1.5～2.5%(重量)范圍之內(nèi)。當(dāng)錫含量在9～13%(重量)范圍內(nèi)時，硅含量最好在3～5%(重量)的范圍內(nèi)。而當(dāng)錫含量在15～25%(重量)范圍內(nèi)時，硅含量最好在2～4%(重量)的范圍內(nèi)。
合金最好以至少50℃/分的冷卻速度冷到200℃以下的溫度，在此之后，必要時可以改變冷卻速度。
以上給出的工藝通常適用于單一形式的合金，然而，當(dāng)采用雙金屬形式的軸承材料時，例如，當(dāng)把軸承合金與像鋼一類的高強度背襯材料結(jié)合在一起，用來生產(chǎn)所謂的薄壁軸承時，本發(fā)明具有最大的優(yōu)越性。
與背襯材料(例如鋼)相連的鋁基合金，通常是通過連續(xù)或半連續(xù)生產(chǎn)工藝制成的，其中為了最終加工成單個軸承，需要制成雙金屬的大型帶卷。
對與鐵基襯底相連的鋁基合金進(jìn)行熱處理時，一個最重要的需要考慮的問題是在或靠近鋁和鋼之間的界面處，有可能形成金屬間化合物。這種化合物的形成對軸承合金和鋼之間結(jié)合的牢度會產(chǎn)生災(zāi)難性的影響，況且，在所形成的金屬間化合物長大到光學(xué)顯微鏡下可見的程度以前，這種災(zāi)難性的影響就會發(fā)生。
所以，任何熱處理都必須避免形成鐵和鋁的金屬間化合物，而不管它在光學(xué)顯微鏡下或其它設(shè)備中是否可以看到?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，溫度事實上是可以利用的，而在此以前，曾認(rèn)為對于與鋼相連的鋁基合金，由于形成這種脆性金屬間化合物，溫度是不可用的。溫度的可用性的條件是加熱所達(dá)溫度的速度要高，而在該溫度下的停留時間要足夠短。此外，也曾發(fā)現(xiàn)，上面提及的高加熱速度和短加熱時間，能使銅和硅充分固溶，以便所得到的軸承材料能達(dá)到本發(fā)明提出的疲勞強度和可擴(kuò)孔性等指標(biāo)。
按照本發(fā)明的第二個方面，對于帶有鋼背襯、成分處于如下范圍的鋁基軸承材料(以重量百分?jǐn)?shù)表示)8～35錫、1～3銅、2～10硅、除伴隨的雜質(zhì)外，其余皆為鋁，它的生產(chǎn)工藝包括以下步驟把所需合金制品制成適當(dāng)?shù)男螤?，并把合金與鋼結(jié)合在一起，增高復(fù)合材料的溫度使其至少達(dá)到400℃，但低于525℃，其中加熱到該溫度並在此溫度下停留的累計時間應(yīng)在60秒到240分鐘的范圍內(nèi)，隨后最低限度以50℃/分的冷卻速度使復(fù)合材料冷卻，至少使局部溫度降到環(huán)境溫度。
材料的加熱溫度最好在425℃～500℃的范圍內(nèi)，而累計時間最好在120秒～10分鐘的范圍內(nèi)，溫度處于450℃～490℃的范圍則更佳。
在本發(fā)明的一個最佳實施方案中，這種材料還可以包括一種中間層，例如，在軸承合金和鋼背襯之間的鋁中間層，這種中間層可以通過合金坯的包覆層來產(chǎn)生，例如，在與鋼背襯結(jié)合之前，通過軋制壓力使合金坯結(jié)合上包覆層。
我們還發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明工藝的另一個好處是，高的溫度和短的時間足以在制品的組織內(nèi)產(chǎn)生網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的錫相，並足以強化合金和鋼之間的結(jié)合?？梢源_信，只有得到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，才可能使這種材料具有出乎意料的高性能。
然而，按照本發(fā)明，復(fù)合材料的熱處理可以在現(xiàn)行技術(shù)中已知的其它熱處理之后進(jìn)行，這種熱處理中的一個典型實例是在350℃左右的溫度加熱約3小時。技術(shù)熟練的人將會認(rèn)識到，一旦省去這種長時間的和昂貴的熱處理階段，就會使軸承材料的生產(chǎn)費用大量節(jié)約。
加熱過程所需的時間取決于將材料所升高到的溫度，例如，當(dāng)最終的最高溫度接近450℃時，在冷卻之前總的累計加熱時間可能接近10分鐘，而如果所要達(dá)到的最高溫度接近500℃，則總的時間可能接近120秒。
加熱后的冷卻速度將影響合金的性能，例如，當(dāng)冷卻速度約為775℃/分時，部分銅和硅將從固溶體中析出。冷卻速度更快時，例如達(dá)到150℃～300℃/分左右時，較多的銅和硅將保留在固溶體中。
可以想象，在連續(xù)帶卷的基礎(chǔ)上可以完成復(fù)合材料的熱處理，即首先使帶卷通過快速加熱裝置，隨后通過快速冷卻裝置。為了使這種工藝在經(jīng)濟(jì)上是可行的，帶卷必須以合理速度行進(jìn)，因此，為了縮短時間，希望采用較高的溫度。雖然在400℃時，合金系有可能溶入大量的銅和硅，但反應(yīng)是緩慢的，而且當(dāng)采用連續(xù)帶卷工藝時，這種反應(yīng)是難以完成的。然而，采用爐內(nèi)加熱的工藝，例如，把材料帶卷在爐內(nèi)加熱到425℃保持3或4小時是可行的，但是，在缺少整體帶卷淬火方式的情況下，將難于達(dá)到必要的冷卻速度，以使銅和硅保留在固溶體中，即使有這種整體淬火工藝，它也是棘手的和難于操作的。
可以進(jìn)行一種選定的附加熱處理，從而使保留在固溶體中的銅和硅，以一種可控制的方式析出。這種熱處理可包括如下一個熱處理過程，例如，在高于軸承預(yù)期的工作溫度下，需要1至72小時。適宜的溫度，舉例說，可以處在150℃和230℃之間，然而更佳的溫度范圍處在180℃和220℃之間，相應(yīng)的時間處在2～24小時的范圍內(nèi)。
為了更充分地理解本發(fā)明的工藝過程，下面僅舉例說明某些非限定性的實施例。
實施例1將成分為Al-Sn11-Si4-Cu2的合金，連續(xù)澆鑄成厚度為25毫米的合金坯，在490℃的溫度下對合金坯進(jìn)行均勻化退火16小時，然后加工到19毫米的厚度。利用若干軋制道次將合金坯軋到7.6毫米厚，並進(jìn)行最終退火熱處理。然后通過軋制壓力，在軋帶的一側(cè)包覆上厚0.8毫米的精制鋁箔，在包覆之后，將帶軋到0.89毫米，對鋁箔的一側(cè)進(jìn)行去油和清理，並通過軋制壓力使合金帶與2.5毫米厚備用的鋼帶結(jié)合在一起。最終的雙金屬帶中，鋼背襯的厚度為1.5毫米，合金/鋁箔包覆層的總厚度為0.5毫米。經(jīng)軋制壓力復(fù)合之后，軸承合金的維氏硬度約為76。
然后將所得雙金屬帶在空氣循環(huán)爐中進(jìn)行一個周期的熱處理，即在350℃加熱3小時，熱處理之后軸承合金的維氏硬度約為37。
熱處理后的雙金屬帶還要進(jìn)一步熱處理，即在流態(tài)化床中將它快速加熱到475℃，整個周期的時間為160秒，雙金屬帶約需40秒的時間達(dá)到420℃，其余的120秒包括溫度從420℃升到475℃和在475℃停留的時間。然后，將雙金屬帶以大約150℃/分的冷卻速度冷卻。在這個階段帶材的維氏硬度約為47。利用這種成品帶材制成長30毫米、直徑53毫米的試驗用軸承，并利用中間帶材，即未經(jīng)流態(tài)化床熱處理的帶材，制取試驗用軸承。
所制成的這些軸承，在試驗裝置上按如下條件進(jìn)行疲勞試驗軸的轉(zhuǎn)速2800轉(zhuǎn)/分初始載荷62兆帕在20小時之后載荷加大，每次加載7兆帕，直到破壞油溫80℃正弦型載荷為了比較起見對Al-Sn20-Cu1材料制成的軸承也進(jìn)行了試驗，各結(jié)果示于表1中。
并將材料制成用于卡住試驗的軸承，試驗條件如下1.用于疲勞試驗的軸承，加工到長度只有一半的尺寸，以便采用高于通常能達(dá)到的特定載荷。
2.將潤滑油(SAE10)預(yù)熱到120℃。
3.試驗裝置在100兆帕下運轉(zhuǎn)1小時。
4.將載荷增大20兆帕，在新載荷下試驗裝置運轉(zhuǎn)10分鐘。重復(fù)這種過程直到出現(xiàn)卡住現(xiàn)象，或是軸承座溫度迅速升高到160℃左右。
出現(xiàn)卡住現(xiàn)象時的載荷或由于迅速升溫試驗終止的載荷為卡住時載荷的測定值。
試驗結(jié)果示于表2中。試驗軸承在低碳鋼軸和鑄鐵軸的條件下工
作，以評價對不同材料的相容性和抗卡住性能。
應(yīng)當(dāng)注意，在表2內(nèi)的上述試驗結(jié)果中，260兆帕代表所用特殊試驗裝置可達(dá)到的最高載荷，並且在給定的260兆帕額定值下對Al-Sn20-Cu1、所進(jìn)行的三次試驗，事實上一次試驗也沒有卡住，理應(yīng)賦于更高的額定值。對于通過本發(fā)明的工藝制成的材料，在給定的260兆帕額定值下的三次試驗中，事實上沒有任何一個軸承被卡住，所有三次試驗都理應(yīng)得到更高的測定值。
表1清楚地表明，通過本發(fā)明工藝制成材料的疲勞強度明顯地優(yōu)于Al-Sn20-Cu1合金以及在GB2，144，149中公開的、但未經(jīng)最終熱處理的材料。從表1中還可看出，Al-Sn20-Cu1的平均疲勞測定值約為83兆帕，而供比較的Al-Sn11-Si4-Cu2材料在熱處理之前的疲勞測定值約為93兆帕，然而，在按照本發(fā)明處理之后，平均疲勞測量值增加到114.5兆帕，由于采用了本發(fā)明的工藝過程，疲勞強度增加了23%。
從表2中可以看出，在本發(fā)明的合金中，同鑄鐵軸的相容性都有改善，保持超過Al-Sn20-Cu1。Al-Sn20-Cu1材料的平均卡住測定值為132兆帕，本發(fā)明合金的平均卡住測定值為203兆帕，此外，當(dāng)用于同鋼軸配合時，本發(fā)明合金的抗卡住性能也是優(yōu)異的。
對于用雙金屬帶制成的軸承還進(jìn)行了擴(kuò)孔試驗，試驗軸承用經(jīng)流態(tài)化床熱處理的帶和未經(jīng)這種熱處理的帶制成，試驗包括分別采用碳化鎢刀具和鋼刀具將合金切削約0.025毫米。為了進(jìn)行對比，兩種刀具都有30°的傾角，對擴(kuò)孔后的軸承測量了表面粗糙度，結(jié)果在表3中給出。
表3
從表3中可以看出，同已知合金相比，采用本發(fā)明的工藝生產(chǎn)的材料具有較好的均勻光潔度，此外，在生產(chǎn)過程中，易于進(jìn)行精度較高的擴(kuò)孔。這一點和Al-Si11-Cu1的情況大不相同。由于后者的基體有較高的強度，而且缺少軟相，因而不能進(jìn)行精度較高的擴(kuò)孔加工。
實施例2如同在實施例1中一樣，制取相同成分的合金，並加工成雙金屬，直至包括通過軋制壓力把合金與鋼結(jié)合在一起。
然后，將所制成的雙金屬在流態(tài)化床中快速加熱到475℃，總加熱時間為4分鐘，在此之后，以約300℃/分的冷卻速度冷卻。檢查鋼與合金之間的結(jié)合情況，沒有發(fā)現(xiàn)形成金屬間化合物，通過試驗顯示出與實施例1可比擬的結(jié)合的高度牢固性，也可確信未出現(xiàn)金屬間化合物。還曾發(fā)現(xiàn)這種軸承合金具有細(xì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
實施例3按照實施例2制取並加工合金，只是所制成的雙金屬要加熱到500℃，總時間為2分鐘。合金同鋼的界面也具有好的完整性，並通過結(jié)合試驗得到證實，其組織仍為網(wǎng)狀的。
實施例4如同在實施例1中一樣，制取雙金屬樣品，直至包括在空氣中的熱處理階段，溫度為350℃、加熱周期為3小時。然后，將雙金屬部件加熱到450℃，整個周期為180秒，隨后噴水淬火，冷卻速度超過1000℃/分。所得合金的維氏硬度為52，然后再對這種材料的部件進(jìn)行熱處理，溫度為200℃，加熱時間在1至24小時之間，大約經(jīng)過16小時以后，可達(dá)到最大值為60的維氏硬度。
實施例5取出按實施例4制備的樣品，在220℃進(jìn)行熱處理，時間在1至24小時之間，大約經(jīng)過6小時以后，可達(dá)到最大值為58的維氏硬度，大約經(jīng)過24小時以后，維氏硬度逐漸降到55。
在以上的實施例中，采用流態(tài)化床加熱設(shè)備進(jìn)行快速加熱。然而，只要加熱速度足夠迅速，也可以采用任何一種設(shè)備，舉例說，可供選擇的方法包括感應(yīng)加熱、高強度輻射加熱、等離子加熱、或現(xiàn)行技術(shù)中已知的任何一種方法。采用氣流沖擊或任何其他方法都可對帶卷進(jìn)行冷卻，例如，冷卻到200℃，其后可通過馬弗爐周圍常規(guī)的冷水套冷卻，其他可用的方法包括有舉例說，流態(tài)化床冷卻、噴液冷卻、或使帶卷通過淬火槽。
因此，本發(fā)明中的合金，疲勞強度和抗卡住性能都有相當(dāng)大的改善，超過了在某些情況下需要昂貴沉積層的已知合金，此外，按照本發(fā)明的生產(chǎn)工藝制成的合金可以進(jìn)行高精度的擴(kuò)孔。然而，如果需要的話，作為一種任選步驟，也可以在通過本發(fā)明工藝制成的軸承上進(jìn)行涂層。
在某些情況下，希望能提供一種具有高適應(yīng)性和高疲勞強度的軸承，例如，在渦輪增壓發(fā)動機(jī)或高速柴油機(jī)中。在這種應(yīng)用項目中，軸承合金可以涂上選自下面一組金屬的沉積層，其中包括錫、鉛/錫、鉛/錫/銅、錫/銅、錫/銻、錫/銅/銻和鉛/錫/銅/銻。而且，在合金襯和所涂的沉積層之間可以插入選自下面一組金屬的中間層，其中包括鎳、鐵、銀、鈷、銅、鋅和銅/錫。
另一方面，對由本發(fā)明合金制成的軸承可以提供在我們共同未決的歐洲專利申請No.85309180.9中公開的一種類型的沉積層，其中沉積層包含一層很薄的錫，事實上這層錫是一種犧牲品。
勘誤表
權(quán)利要求
1.生產(chǎn)軸承材料的一種工藝，這種軸承材料的成分處于如下范圍(以重量百分?jǐn)?shù)表示)8～35錫、1～3銅、2～10硅、除伴隨的雜質(zhì)外，其余皆為鋁，該生產(chǎn)工藝包括以下步驟把所需合金鑄成適當(dāng)?shù)男螤睿辉龈吆辖鸬臏囟仁蛊涑^400℃，但低于525℃；隨后最低限度以50℃/分的冷卻速度使合金冷卻，至少使局部溫度降到環(huán)境溫度。
2.生產(chǎn)帶有鋼背襯的鋁基軸承材料的一種工藝，這種鋁基軸承材料的成分處于如下范圍(以重量百分?jǐn)?shù)表示)8～35錫、1～3銅、2～10的硅、除伴隨的雜質(zhì)外，其余皆為鋁，該生產(chǎn)工藝包括以下步驟把所需合金制品制成適當(dāng)?shù)男螤?并把合金與鋼結(jié)合在一起;增高復(fù)合材料的溫度使其至少達(dá)到400℃，但低于525℃，其中加熱到該溫度並在此溫度下停留的累計時間應(yīng)在60秒到240分鐘的范圍內(nèi);隨后最低限度以50℃/分的冷卻速度使復(fù)合材料冷卻，至少使局部溫度降到環(huán)境溫度。
3.按照權(quán)利要求
1或2的一種工藝，其中鋁基軸承合金的成分處于如下范圍錫9～13%(重量)、銅1.5～2.5%(重量)、硅3～5%(重量)、其余為鋁。
4.按照權(quán)利要求
1或2的一種工藝，其中鋁基軸承合金的成分處于如下范圍錫15～25%(重量)、銅1.5～2.5%(重量)、硅2～4%(重量)、其余為鋁。
5.按照上述權(quán)利要求
2～4中任何一項的一種工藝，其中將復(fù)合材料加熱，使其溫度達(dá)到450和500℃之間，累計加熱時間為90秒到10分鐘。
6.按照上述權(quán)利要求
中任何一項的一種工藝，其中以至少50℃/分的冷卻速度將材料冷到200℃以下的溫度。
7.按照上述權(quán)利要求
中任何一項的一種工藝，其中冷卻速度為300℃/分左右、或是超過這個值。
8.按照上述權(quán)利要求
中任何一項的一種工藝，其中在350℃左右的溫度對材料進(jìn)行熱處理，在使它的溫度升高到400和525℃之間以前，停留一段較長的時間。
9.按照上述權(quán)利要求
中任何一項的一種工藝，其中在150℃和230℃之間的溫度對材料進(jìn)一步熱處理，加熱時間在1至72小時之內(nèi)。
10.按照上述權(quán)利要求
中任何一項的一種工藝，其中通過流態(tài)化床提高軸承材料的溫度。
11.按照上述權(quán)利要求
中任何一項的一種工藝，其中在軸承材料上鍍上沉積層。
12.按照權(quán)利要求
1至11中任何一項的生產(chǎn)工藝制造一種軸承材料。
13.如上文所述本質(zhì)上是參照說明書實施例1-3中任何一個的工藝。
14.如上文所述本質(zhì)上是參照說明書實施例1-5中任何一個的軸承材料。
專利摘要
本發(fā)明涉及軸承材料及其生產(chǎn)工藝。該軸承合金是鋁基的，包含以下成分(以重量百分?jǐn)?shù)表示)8～35錫、1～3銅、2～10硅、除伴隨的雜質(zhì)外，其余皆為鋁。最好是將合金與鋼結(jié)合在一起，然后增高復(fù)合材料的溫度，最好達(dá)到450～500℃的范圍，總加熱時間在90秒和10分鐘之間，隨后最低限度以50℃/分的冷卻速度冷卻，至少使局部溫度降到環(huán)境溫度?？蛇x擇性地對復(fù)合材料進(jìn)行附加的熱處理，據(jù)此進(jìn)一步改善它的性能。
文檔編號C22F1/00GK86104271SQ86104271
公開日1986年11月26日 申請日期1986年5月28日
發(fā)明者巴里·躍翰·伊斯特伍德 申請人:聯(lián)合工程集團(tuán)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan