軸承材料的製作方法

2023-05-30 16:40:46 2

專利名稱:軸承材料的製作方法
本發明涉及軸承材料及其生產工藝，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、矽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，並得到了廣泛的應用，例如，在汽車製造業中用於生產普通軸頸軸承。雖然這種材料的疲勞強度和相容性，即抗軸承合金和旋轉軸之間局部焊合的能力，在大部分應用中都是滿足要求的，但是，當把這種材料用於高速引擎時，就會出現疲勞問題。此外，當用於同鑄鐵軸相配合時，這種材料的相容性稍低於所要求的值。通常，鑄鐵軸軸頸上可達到的表面光潔度比鋼軸的光潔度差，從而鑄鐵軸傾向於此鋼軸更易於磨損。
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，矽是作為一種遍及基體均勻分布的顆粒存在於合金之中。儘管由於基體較短的特性使這種材料有高的疲勞強度，但它的適應性卻相當差。為解決適應性問題，亦即使軸承合金具有調節其自身和旋轉軸之間小的不同軸性的能力，後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性問題，又有吸入汙垢的能力。
吸入汙垢的能力正變得愈加重要，因為現代柴油機越來越傾向於用次精燃油進行工作，由次精柴油排出的燃燒產物對軟的沉積層產生磨蝕和腐蝕作用，從而導致使用壽命的縮短。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動機中，沉積層磨損的速率還將進一步增加。
廣泛的研究證明，將矽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)矽和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於Al-Sn20-Cu1合金，其適應性優於無鍍層的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。
對於需要附加鍍層處理的Al-Si11-Cu1材料的另一問題是要對經鍍層的最終軸承表面進行車削或其它形式的機加工，它不同於另外較便宜的鏜孔工藝，因而導致生產過程成本的增加。
本發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於Al-Si11-Cu1的無鍍層軸承材料，並能以鏜孔工藝加工到最終尺寸。
曾意外地發現，通過適當的熱處理，處於GB2，144，149所公布的範圍內的合金，就有可能達到上述目的。而且，通過在規定範圍內調整熱處理工藝，就可以控制軸承材料的最終性能，使其適合於特殊的用途。
按照本發明的一個方面，對於成分處於如下範圍的軸承材料(以重量百分數表示)8～35%錫、1～3銅、2～10矽、除伴隨的雜質外，其餘皆為鋁，它的生產工藝包括以下步驟把所需合金鑄成適當的形狀，增高合金的溫度使其超過400℃、但低於525℃，隨後最低限度以50℃/分的冷卻速度使合金冷卻、至少使局部溫度降到環境溫度。
最佳錫含量可能處於9～13%(重量)和15～25%(重量)兩個範圍中的一個，與此類似，最佳銅含量在1.5～2.5%(重量)範圍之內。當錫含量在9～13%(重量)範圍內時，矽含量最好在3～5%(重量)的範圍內。而當錫含量在15～25%(重量)範圍內時，矽含量最好在2～4%(重量)的範圍內。
合金最好以至少50℃/分的冷卻速度冷到200℃以下的溫度，在此之後，必要時可以改變冷卻速度。
以上給出的工藝通常適用於單一形式的合金，然而，當採用雙金屬形式的軸承材料時，例如，當把軸承合金與像鋼一類的高強度背襯材料結合在一起，用來生產所謂的薄壁軸承時，本發明具有最大的優越性。
與背襯材料(例如鋼)相連的鋁基合金，通常是通過連續或半連續生產工藝製成的，其中為了最終加工成單個軸承，需要製成雙金屬的大型帶卷。
對與鐵基襯底相連的鋁基合金進行熱處理時，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合的牢度會產生災難性的影響，況且，在所形成的金屬間化合物長大到光學顯微鏡下可見的程度以前，這種災難性的影響就會發生。
所以，任何熱處理都必須避免形成鐵和鋁的金屬間化合物，而不管它在光學顯微鏡下或其它設備中是否可以看到。現已發現，溫度事實上是可以利用的，而在此以前，曾認為對於與鋼相連的鋁基合金，由於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，也曾發現，上面提及的高加熱速度和短加熱時間，能使銅和矽充分固溶，以便所得到的軸承材料能達到本發明提出的疲勞強度和可擴孔性等指標。
按照本發明的第二個方面，對於帶有鋼背襯、成分處於如下範圍的鋁基軸承材料(以重量百分數表示)8～35錫、1～3銅、2～10矽、除伴隨的雜質外，其餘皆為鋁，它的生產工藝包括以下步驟把所需合金製品製成適當的形狀，並把合金與鋼結合在一起，增高複合材料的溫度使其至少達到400℃，但低於525℃，其中加熱到該溫度並在此溫度下停留的累計時間應在60秒到240分鐘的範圍內，隨後最低限度以50℃/分的冷卻速度使複合材料冷卻，至少使局部溫度降到環境溫度。
材料的加熱溫度最好在425℃～500℃的範圍內，而累計時間最好在120秒～10分鐘的範圍內，溫度處於450℃～490℃的範圍則更佳。
在本發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生，例如，在與鋼背襯結合之前，通過軋制壓力使合金坯結合上包覆層。
我們還發現，本發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產生網狀結構的錫相，並足以強化合金和鋼之間的結合。可以確信，只有得到網狀結構，才可能使這種材料具有出乎意料的高性能。
然而，按照本發明，複合材料的熱處理可以在現行技術中已知的其它熱處理之後進行，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。技術熟練的人將會認識到，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費用大量節約。
加熱過程所需的時間取決於將材料所升高到的溫度，例如，當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，而如果所要達到的最高溫度接近500℃，則總的時間可能接近120秒。
加熱後的冷卻速度將影響合金的性能，例如，當冷卻速度約為775℃/分時，部分銅和矽將從固溶體中析出。冷卻速度更快時，例如達到150℃～300℃/分左右時，較多的銅和矽將保留在固溶體中。
可以想像，在連續帶卷的基礎上可以完成複合材料的熱處理，即首先使帶卷通過快速加熱裝置，隨後通過快速冷卻裝置。為了使這種工藝在經濟上是可行的，帶卷必須以合理速度行進，因此，為了縮短時間，希望採用較高的溫度。雖然在400℃時，合金系有可能溶入大量的銅和矽，但反應是緩慢的，而且當採用連續帶卷工藝時，這種反應是難以完成的。然而，採用爐內加熱的工藝，例如，把材料帶卷在爐內加熱到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，將難於達到必要的冷卻速度，以使銅和矽保留在固溶體中，即使有這種整體淬火工藝，它也是棘手的和難於操作的。
可以進行一種選定的附加熱處理，從而使保留在固溶體中的銅和矽，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，在高於軸承預期的工作溫度下，需要1至72小時。適宜的溫度，舉例說，可以處在150℃和230℃之間，然而更佳的溫度範圍處在180℃和220℃之間，相應的時間處在2～24小時的範圍內。
為了更充分地理解本發明的工藝過程，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，連續澆鑄成厚度為25毫米的合金坯，在490℃的溫度下對合金坯進行均勻化退火16小時，然後加工到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，並進行最終退火熱處理。然後通過軋制壓力，在軋帶的一側包覆上厚0.8毫米的精製鋁箔，在包覆之後，將帶軋到0.89毫米，對鋁箔的一側進行去油和清理，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。經軋制壓力複合之後，軸承合金的維氏硬度約為76。
然後將所得雙金屬帶在空氣循環爐中進行一個周期的熱處理，即在350℃加熱3小時，熱處理之後軸承合金的維氏硬度約為37。
熱處理後的雙金屬帶還要進一步熱處理，即在流態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秒的時間達到420℃，其餘的120秒包括溫度從420℃升到475℃和在475℃停留的時間。然後，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。利用這種成品帶材製成長30毫米、直徑53毫米的試驗用軸承，並利用中間帶材，即未經流態化床熱處理的帶材，製取試驗用軸承。
所製成的這些軸承，在試驗裝置上按如下條件進行疲勞試驗軸的轉速2800轉/分初始載荷62兆帕在20小時之後載荷加大，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材料製成的軸承也進行了試驗，各結果示於表1中。
並將材料製成用於卡住試驗的軸承，試驗條件如下1.用於疲勞試驗的軸承，加工到長度只有一半的尺寸，以便採用高於通常能達到的特定載荷。
2.將潤滑油(SAE10)預熱到120℃。
3.試驗裝置在100兆帕下運轉1小時。
4.將載荷增大20兆帕，在新載荷下試驗裝置運轉10分鐘。重複這種過程直到出現卡住現象，或是軸承座溫度迅速升高到160℃左右。
出現卡住現象時的載荷或由於迅速升溫試驗終止的載荷為卡住時載荷的測定值。
試驗結果示於表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。
應當注意，在表2內的上述試驗結果中，260兆帕代表所用特殊試驗裝置可達到的最高載荷，並且在給定的260兆帕額定值下對Al-Sn20-Cu1、所進行的三次試驗，事實上一次試驗也沒有卡住，理應賦於更高的額定值。對於通過本發明的工藝製成的材料，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得到更高的測定值。
表1清楚地表明，通過本發明工藝製成材料的疲勞強度明顯地優於Al-Sn20-Cu1合金以及在GB2，144，149中公開的、但未經最終熱處理的材料。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，在按照本發明處理之後，平均疲勞測量值增加到114.5兆帕，由於採用了本發明的工藝過程，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，本發明合金的平均卡住測定值為203兆帕，此外，當用於同鋼軸配合時，本發明合金的抗卡住性能也是優異的。
對於用雙金屬帶製成的軸承還進行了擴孔試驗，試驗軸承用經流態化床熱處理的帶和未經這種熱處理的帶製成，試驗包括分別採用碳化鎢刀具和鋼刀具將合金切削約0.025毫米。為了進行對比，兩種刀具都有30°的傾角，對擴孔後的軸承測量了表面粗糙度，結果在表3中給出。
表3
從表3中可以看出，同已知合金相比，採用本發明的工藝生產的材料具有較好的均勻光潔度，此外，在生產過程中，易於進行精度較高的擴孔。這一點和Al-Si11-Cu1的情況大不相同。由於後者的基體有較高的強度，而且缺少軟相，因而不能進行精度較高的擴孔加工。
實施例2如同在實施例1中一樣，製取相同成分的合金，並加工成雙金屬，直至包括通過軋制壓力把合金與鋼結合在一起。
然後，將所製成的雙金屬在流態化床中快速加熱到475℃，總加熱時間為4分鐘，在此之後，以約300℃/分的冷卻速度冷卻。檢查鋼與合金之間的結合情況，沒有發現形成金屬間化合物，通過試驗顯示出與實施例1可比擬的結合的高度牢固性，也可確信未出現金屬間化合物。還曾發現這種軸承合金具有細的網狀結構。
實施例3按照實施例2製取並加工合金，只是所製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，並通過結合試驗得到證實，其組織仍為網狀的。
實施例4如同在實施例1中一樣，製取雙金屬樣品，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。然後，將雙金屬部件加熱到450℃，整個周期為180秒，隨後噴水淬火，冷卻速度超過1000℃/分。所得合金的維氏硬度為52，然後再對這種材料的部件進行熱處理，溫度為200℃，加熱時間在1至24小時之間，大約經過16小時以後，可達到最大值為60的維氏硬度。
實施例5取出按實施例4製備的樣品，在220℃進行熱處理，時間在1至24小時之間，大約經過6小時以後，可達到最大值為58的維氏硬度，大約經過24小時以後，維氏硬度逐漸降到55。
在以上的實施例中，採用流態化床加熱設備進行快速加熱。然而，只要加熱速度足夠迅速，也可以採用任何一種設備，舉例說，可供選擇的方法包括感應加熱、高強度輻射加熱、等離子加熱、或現行技術中已知的任何一種方法。採用氣流衝擊或任何其他方法都可對帶卷進行冷卻，例如，冷卻到200℃，其後可通過馬弗爐周圍常規的冷水套冷卻，其他可用的方法包括有舉例說，流態化床冷卻、噴液冷卻、或使帶卷通過淬火槽。
因此，本發明中的合金，疲勞強度和抗卡住性能都有相當大的改善，超過了在某些情況下需要昂貴沉積層的已知合金，此外，按照本發明的生產工藝製成的合金可以進行高精度的擴孔。然而，如果需要的話，作為一種任選步驟，也可以在通過本發明工藝製成的軸承上進行塗層。
在某些情況下，希望能提供一種具有高適應性和高疲勞強度的軸承，例如，在渦輪增壓發動機或高速柴油機中。在這種應用項目中，軸承合金可以塗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，在合金襯和所塗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，對由本發明合金製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
權利要求
1.生產軸承材料的一種工藝，這種軸承材料的成分處於如下範圍(以重量百分數表示)8～35錫、1～3銅、2～10矽、除伴隨的雜質外，其餘皆為鋁，該生產工藝包括以下步驟把所需合金鑄成適當的形狀；增高合金的溫度使其超過400℃，但低於525℃；隨後最低限度以50℃/分的冷卻速度使合金冷卻，至少使局部溫度降到環境溫度。
2.生產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於如下範圍(以重量百分數表示)8～35錫、1～3銅、2～10的矽、除伴隨的雜質外，其餘皆為鋁，該生產工藝包括以下步驟把所需合金製品製成適當的形狀;並把合金與鋼結合在一起;增高複合材料的溫度使其至少達到400℃，但低於525℃，其中加熱到該溫度並在此溫度下停留的累計時間應在60秒到240分鐘的範圍內;隨後最低限度以50℃/分的冷卻速度使複合材料冷卻，至少使局部溫度降到環境溫度。
3.按照權利要求
1或2的一種工藝，其中鋁基軸承合金的成分處於如下範圍錫9～13%(重量)、銅1.5～2.5%(重量)、矽3～5%(重量)、其餘為鋁。
4.按照權利要求
1或2的一種工藝，其中鋁基軸承合金的成分處於如下範圍錫15～25%(重量)、銅1.5～2.5%(重量)、矽2～4%(重量)、其餘為鋁。
5.按照上述權利要求
2～4中任何一項的一種工藝，其中將複合材料加熱，使其溫度達到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一步熱處理，加熱時間在1至72小時之內。
10.按照上述權利要求
中任何一項的一種工藝，其中通過流態化床提高軸承材料的溫度。
11.按照上述權利要求
中任何一項的一種工藝，其中在軸承材料上鍍上沉積層。
12.按照權利要求
1至11中任何一項的生產工藝製造一種軸承材料。
13.如上文所述本質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
本發明涉及軸承材料及其生產工藝。該軸承合金是鋁基的，包含以下成分(以重量百分數表示)8～35錫、1～3銅、2～10矽、除伴隨的雜質外，其餘皆為鋁。最好是將合金與鋼結合在一起，然後增高複合材料的溫度，最好達到450～500℃的範圍，總加熱時間在90秒和10分鐘之間，隨後最低限度以50℃/分的冷卻速度冷卻，至少使局部溫度降到環境溫度。可選擇性地對複合材料進行附加的熱處理，據此進一步改善它的性能。
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
發明者巴裡·躍翰·伊斯特伍德 申請人:聯合工程集團導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan