轴承合金综述.doc

轴承合金综述

传统的汽车轴承合金巴氏合金及铜基合金正在被铝基轴承合金所取代[1 -3 ]。在铝基合金中 ,由于铝铅合金综合性能优于目前普遍使用的铝锡合金[3 -5],而且价格便宜 ,因此铝铅合金已是目前各国材料工作者重点研制和开发的轴承合金材料之一。然而 ,由于金属铝、铅的比重、熔点相差悬殊 ,两金属在固态溶解度极小 (在 3 2 7℃ ,铅在铝中的溶解度 < 0 . 0 5% ) ,在液态下也难以互溶 (在 90 0℃ ,铅在铝中的溶解度约 8% )。为使铅能均匀分布到铝合金中 ,某些专门的技术已被采用 ,例如 :在熔化和浇注过程中利用超声波感应搅拌[5],感应搅拌连续铸造法[6]及粉末冶金烧结轧制法[7]。然而 ,这些方法成本高 ,工艺复杂 ,而且铅的含量受到限制 (< 1 0 % ) [8]。近年来 ,为生产高铅铝合金 ,一种强制搅拌技术已被研制.
传统的巴氏合金及铜基合金作为汽车轴承合金正在被铝基轴承合金所取代。为了改善合金的抗咬死和抗粘着性 ,往往在铝基合金中加入铅、锡、镉、铟甚至石墨[2 ]。在这些元素中 ,铅较其他元素更加有效。据报道 ,铝铅合金比铝锡合金具有更好的疲劳强度和耐磨性 ,比铜基合金具有更好的耐蚀性[3～ 5]。但是 ,铝铅合金的生产存在着冶金上的困难 ,这些困难包括 :(1 )两金属在液态下难于互溶 ; (2 )在室温下几乎不互溶 ; (3)由于金属铝和铅密度相差悬殊 ,使铅相严重偏析。以上问题导致铸造铝铅合金轴承没有得到广泛应用.
(1 )铸态铝铅合金的显微组织主要由铅颗粒、铝枝晶和硅颗粒组成 ,随铅含量的增加 ,铅颗粒尺寸增大。(2 )在铅含量从 0到 2 5%内 ,由于铅在合金中作为软相存在 ,导致铸态铝铅合金的硬度、抗拉强度和伸长率随铅含量的增加而减小。(3)断口分析表明 ,随铅含量的增加 ,铸态合金的断口特征由塑性向脆性转变。(4)铸态铝铅合金的磨损量和摩擦系数随铅含量的增加而减小 ,在铅的质量分数为 1 5%～ 2 0 %时有一最小值 ,表明作为减磨材料 ,铸造铝铅合金的铅的质量分数为 1 5%～ 2 0 %时 ,其摩擦磨损特性具有最佳值。

由Ａｌ Ｐｂ合金相图 (见图 1 )可以看出 ,铝铅在固态下的互溶度极小 ,液态时也难以互溶 (82 7℃时的溶解度为 6 5%Ｐｂ)。在铝熔点温度之上有一段相当宽的两相分离区 ,铝铅在此区内为不相混溶的液体 ,随铅含量的增加 ,此区范围变大。由于铝铅密度相差悬殊 ,铅在两相分离区因重力作用而产生偏析的倾向很大。因此 ,该合金在熔炼铸造时 ,存在较大难度。目前 ,铝铅合金多采用粉末冶金法生产 ,与铸造法相比 ,该法投资大、工艺复杂 ,而且铅的含量受到限制〔1〕 (<1 0 %Ｐｂ)。然而 ,研究表明〔2〕,在超薄油膜的工作条件下 ,可接受的最低铅含量为 6 5%～ 1 3%。
最初人们是用传统的铸造方法来生产 Al-Pb系合金 ,但遇到了许多问题 ,如比重偏析就是一种非常难以解决的问题。出现比重偏析的原因是 :一 ,从Al-Pb的二元相图可以发现在固态下两者间的固溶度几乎为零 ,即使在液态下 (T<1 83 9K)两种金属之间也存在很大的溶解度间隙。二 ,由于 Pb、Al两种金属的密度 (ρAl= 2 . 7× 1 0 3 kg/ m3 ;ρPb=1 1 . 3 4×1 0 3 kg/ m3 )差别很大。为了获得使 Pb在 Al基体中均匀弥散分布的结构 ,就必须克服比重偏析。为此近年来许多研究者采用各种不同的方法制备 Al-Pb系合金 ,以期获得均匀的组织和良好的摩擦性能。
目前制造 Al-Pb系合金的方法主要有 :2 . 1　快速凝固法 [1 ]该方法是将 Al-Pb加热到 1 83 9K以上得到单相熔融合金 ,然后快冷 (冷速高达 1 0 0 0 K/ S以上 )。虽然该方法能得到 Pb在 Al中的均匀分布的组织 ,但要求的冷速高 ,而且并不能完全得到单一均匀的结构 ,也就是说所得的结果可能出现富 Al和富 Pb的两种区域。这种制造 Al-Pb系合金的方法最早使用于80年代初期现在已很少使用。2 . 2　电磁场补偿重力法[2 ]根据 Pb有磁性的特点 ,将 Al-Pb加热到 1 83 9K以上得到单相合金 ,在随后的冷却过程中采用电磁场以防止重力偏析。目前该方法很少有报道。2 . 3　搅拌 -速冷铸造法它又分为两种 :一种是在液 -固混合液状态下搅拌铸造[1 ]:另一种是在液 -液状态下搅拌铸造[2 ]。液 -固搅拌铸造是将液态的 Pb分布于固态的 Al合金的晶界上 ;液 -液搅拌铸造法 Al-Pb系合金实质是将液态下的Pb弥散于 Al液中 ,随后速冷。由于该方法要求的温度不高 ,近年来研究得较多。此外 ,也有用超声波混合[3 ]来获得均匀 Al-Pb系合金的铸造方法。2 . 4　粉末冶金法它是采用两种或多种金属粉末混合压制烧结 ,最近也有报道 [4]用动态压制法 (DynamicCompaction),动态压制法是通过瞬时高压使得金属粉末表面间因摩擦产生瞬时高温使得表面融化焊合 ,不再需要随后的烧结过程。2 . 5　机械合金化法 [5]该方法是将两种金属粉末放在球磨机中球磨 ,得到晶粒很小甚至纳米晶的混合粉末 ,后再压制烧结成型。
朱敏等 [5]对 Al-Pb采用高能球磨将 Al和 Pb的金属粉末进一步机械合金化。研究结果表明 ,即使在Pb-50 %Al情况下都能获得均匀分布的晶粒大小约为 0 . 5μm的组织。而且在进一步电镜观察发现在 Al基体中有尺寸约 1 0 nm的 Pb晶粒存在 ,Pb与 Al之间晶体学取向呈立方 -立方关系 ,这与 Moor[8]用冷铸法和熔体旋淬法获得的 Al-Pb系合金组织中的
Al和 Pb的取向关系一致。而且在一个 Al晶粒内的所有 Pb粒子的取向相同。作者最近对 Al-(1 0～1 8%)Pb采用机械球磨 +粉末冶金法的研究结果也证实机械合金化能获得 Pb颗粒均匀弥散分布的Al-Pb系合金 ,而且在 Al基体中存在许多纳米数量级的 Pb粒子。当机械球磨的速度≥ 2 0 0 RPM时 ,Pb粒子弥散分布而且非常细小 ,几乎不存在任何偏析。通过比较发现这种弥散分布与铸造所得的明显不同。
还对 Pb含量对耐磨性的影响进行了研究结果表明对于 Pb8wt%以上的Al-Pb系合金的 Pb的弥散分布能显著改善 Al-Pb系合金磨损性能 ,特别是在低速下更是如此 ;随着Pb 含量增加体磨损量减小 ,但当 Pb 含量≥2 0 WT%以后 ,又出现磨损加剧的现象。对上述现象 ,Mohan认为由于 Pb含量增加 ,Al-Pb合金在磨损时会逐渐形成一层很均匀的相当于固体润滑剂的Pb薄膜 ,从而提高了 Al-Pb合金的耐磨性能。而当Pb含量≥ 2 0 WT%时随着 Pb含量的增加 ,合金的硬度显著下降 ,导致了磨损时犁沟现象加剧 ,而且较高的铅含量会促使生成 Pb2 Al2 O5的复杂氧化物 ,它也使得磨损加剧。
当 Pb含量约 2 0时 ,Pb薄膜的形成和分布与基体的硬度达到了最优组合而使得摩擦系数最小。
Y. Ogita等 [1 6]研究了热冲压工艺对粉末冶金法制得 -Pb轴承合金的性能的影响 ,通过热冲压获得图 4　体磨损量随载荷的变化曲线 [1 5]□ 5. 1 33× 1 0 -1 ms-1 ;■ 3. 850× 1 0 -1 ms-1× 2 . 56 7× 1 0 -1 ms-1 ; 1 . 2 83× 1 0 -1 ms-1Al-Pb轴承合金的性能得到了优化 :疲劳强度比用传统烧结的高出 3 0 %;有优异的抗咬合性能 (当 Pb含量 >1 0 %)。表 1中列出了 Al-Sn合金 (No. 1 );用传统烧结法制得的 Al-Pb系合金 (No. 2 );用新的热冲压处理工艺制得的 Al-Pb系合金 (No. 3 )的成分及硬度。图 5给出了上述三种合金的温度 -硬度曲线图。可见 Al-Pb系合金的硬度比相同温度下的Al-Sn合金高约 1 0 Hv; Al-Pb合金的这种高硬度对于其应用在轴承上相当重要。图 6给出了这三种合金的疲劳强度 ,其中 No. 3试样的疲劳强度与 Al-Sn合金相当 ,这也证实了用 Al-Pb轴承合金取代 Al-Sn合金的可行性。图 7指出在磨坑试验 (Cavitation)中 No. 3试样的体积减少最少 ,图 8分别给出了 No. 1 ,No. 2 ,No. 3三种合金摩擦实验的结果 ,结果也证明 No. 3合金的耐磨性远远优于其它两种合金 ,而抗咬合磨损性能比 Al-Sn合金高一倍以上。粉末冶金得到的Al-Pb合金具有优于 Al-Sn合金的抗咬合性能这是因为较软 Pb金属在磨损时形成薄膜附着在基体表面使得抗咬合性能显著提高。
针对Ａｌ Ｐｂ轴瓦合金的研究 ,人们开发了多种制备工艺。目前应用较为广泛的主要是ＲＳ ＰＭ工艺和快冷铸轧工艺等。根据轴瓦材料减摩理论[2 ],结合轴瓦材料的性能要求 ,轴瓦合金在组织上应该是一种含有特定软、硬质点分布的多相结构。对Ａｌ Ｐｂ系而言 ,关键是控制合金中富铅相的形态和分布[3 ]。本文针对空气和氩气雾化制备的Ａｌ Ｐｂ系多元合金粉末 ,研究了其显微结构特点。
Ａｌ Ｐｂ系轴瓦合金的开发最早见于 1 969年美国的ＳＡＥ会议报告[1 ]及同年由Ｍｉｃｈｉｃａｌ等发表的专利[2 ],至 80年代初 ,已有美国、日本等国家开始了Ａｌ Ｐｂ系轴瓦合金的工业化生产[3 ]。国内从 1 984年开始了Ａｌ Ｐｂ系轴瓦合金的工业化开发研究 ,1 995年北京有色金属研究总院与北京汽车摩托车轴瓦厂合作 ,建立了年生产能力为 1 0 0 0ｔ的Ａｌ Ｐｂ系轴瓦合金的生产线 ,并加工成轴瓦产品在国产切诺基汽车发动机、ＣＡ488发动机上应用。上述Ａｌ Ｐｂ系轴瓦合金均是采用传统的ＲＳ/ＰＭ工艺生产[4]。近年来 ,国内外Ａｌ Ｐｂ系合金研究开发的主要工作集中在改善和采用低成本的快速冷却工艺方面 ,对一些低铅含量的Ａｌ Ｐｂ系合金 ,已试验了铸轧的工艺方法 ,并取得了良好的效果 ;但对于一些高铅含量的Ａｌ Ｐｂ系合金 ,则未见有新的研究开发结果报道。
常用的铝基轴承合金有铝锑镁轴承合金 ,铝锡轴承合金。特别是近几年发展起来的高锡
铝基轴承合金 ,它具有更高的承载能力与疲劳强度。它与低碳钢一起轧制成双金属轴瓦 ,可在压力为 2 80× 1 0 5Ｎ/ｍｍ2 ,滑动速度 1 3ｍ/ｓ的条件下工作 ,其抗咬合性能与巴氏合金相当。常用的高锡铝基轴承合金化学成分是 :2 0 %Ｓｎ ,1 %Ｃｕ ,Ｆｅ < 0 7%,Ｓｉ<0 5%,其余Ａｌ。因为锡在铝中溶解度极小 ,所以含锡 2 0 %的铝锡合金共晶组织较多 ,锡呈网状包围着铝晶体 ,大大降低合金的机械性能。为消除网状共晶体 ,浇注以后 ,合金与钢背一起轧制 ,经 3 50℃退火3小时 ,锡被球化。该合金的实际组织是硬铝基体上分布着软的粒状锡质点。在铝锡合金中加入Ｃｕ、Ｎｉ、ＲＥ等。因其能溶入基体铝中 ,可进一步提高基体强度 ,且ＲＥ能够改善合金组织。高锡铝基轴承合金生产简便 ,成本不高 ,在我国已广泛用于中、高速汽车、拖拉机的柴油机轴承上。
铝锡硅系合金是近年来国外研究并开发的新型发动机轴承材料 ,这种新型Ａｌ-Ｓｎ -Ｓｉ系合金的基体中既含有柔软的 β(Ｓｎ)相 ,又包含硬质的Ｓｉ粒子 ,因而显示出比传统Ａｌ-Ｓｎ两相合金更为优良的力学和摩擦学综合特性[1～ 5].国内对这方面的研究很少 ,目前仍鲜见报导 .笔者的前期研究发现 :新型Ａｌ-Ｓｎ -Ｓｉ系合金中 ,除Ｓｉ元素在Ａｌ中有极小的溶解度外 ,其余组元之间未形成化合物且几乎互不固溶 ,并且 ,由于Ｓｎ与Ｓｉ、Ａｌ的比重差大 ,因此 ,熔铸控制不当 ,难以得到均匀的结晶组织 ,Ｓｉ常以粗大的条状分布 , β(Ｓｎ)相也分布极不均匀[6 ],因此 ,改善这类合金的铸态组织尤其重要 .本文研究钠盐变质处理对铝锡硅合金相组织的影响并阐述影响的原因 ,为控制合金的最佳相组织组态提供理论依据 .
因此 ,根据图 3可知 ,新型铝锡硅合金的结晶过程应为液相首先结晶出α(Ａｌ)固溶体相 ,然后 ,开始发生Ｌ—α(Ａｌ) +Ｓｉ二元共晶反应 ,随着温度的降低 ,液相中Ｓｎ的浓度越来越高 ,最后在 2 2 9℃左右 ,几乎为纯Ｓｎ的液相发生Ｌ—α(Ａｌ) +Ｓｉ+β(Ｓｎ)三元共晶反应 ,因此 ,最后凝固的Ｓｎ相依附于共晶Ｓｉ粒子凝固并存在于晶界 ,由于先行结晶的共晶Ｓｉ为 β(Ｓｎ)相的凝固提供了有利的非自发核心 ,未变质时 , β(Ｓｎ)相依附于长条状共晶Ｓｉ,由于总表面能太大而不能全包围条状Ｓｉ而凝固 ,因此β(Ｓｎ)相分布极不均匀 ,但是 ,在变质条件下 ,Ｓｉ细化成粒状 , β(Ｓｎ)完全可以环绕Ｓｉ而凝固 ;另一方面 ,变质处理可使熔体的粘度增加[6 ],可以减低 β(Ｓｎ)与其它元素比重差的影响 ,为β(Ｓｎ)相在晶界的均匀分布创造了有利条件 .
Ａｌ Ｐｂ系轴瓦合金的开发最早见于 1 969年的ＳＡＥ会议报告[1 ]及同年由Ｍｉｃｈｉｃａｌ等发明的专利[2 ]。与传统的高锡铝合金、巴氏合金、铜铅合金相比 ,Ａｌ Ｐｂ系合金具有较高的承载能力 ,良好的减摩性、抗咬合性、适应性和耐磨性等优良的综合性能 ,可与球墨铸铁曲轴理想匹配 ,满足新型发动机高速、高负载运转的要求 ,因而在轿车及轻型车发动机主轴瓦与连杆瓦中得到广泛应用。并且 ,Ａｌ Ｐｂ系轴瓦合金材料采用廉价的金属铅代替部分昂贵的金属锡 ,具有良好的经济及社会效益[3 ]。80年代初期 ,美、日等国家就已经开始了工业化生产[4]。国内从 1 984年开始进行Ａｌ Ｐｂ轴瓦合金的工业化开发研究 ,并于 1 995年由北京有色金属研究总院与北京汽车摩托车轴瓦厂合作 ,建立了年生产能力为 1 0 0 0ｔ的Ａｌ Ｐｂ系轴瓦合金复合带生产线。其轴瓦产品在国产切诺基汽车发动机及ＣＡ488发动机上得到了应用。上述Ａｌ Ｐｂ系轴瓦合金生产均采用传统的ＲＳ/ＰＭ工艺 ,其工艺复杂 ,流程长 ,产品质量不易控制 ,成本高 ,从而降低了企业的竞争力。因此 ,近年来国内外Ａｌ Ｐｂ系轴瓦合金材料研究开发的主要工作集中在改善和采用低成本的快速凝固工艺方面。利用双辊连续铸轧工艺制备低铝含量的Ａｌ Ｐｂ系轴瓦合金材料 ,在提高生产率 ,节约能耗及降低生产成本等方面具有很大潜力。双辊连续轧就是以连续转动的水冷芯轧辊为结晶器 ,液态金属在通过辊缝时的凝固过程中即受到压力加工的一种近终形成形工艺方法 ,具有投资低、成本低、流程短、效率高等优点 ,在铝板带材生产中广为应用。采用铸轧法制备的合金材料内部组织均匀、晶粒细小 ,综合性能优良。本研究采用连续铸轧工艺对Ａｌ Ｐｂ系轴瓦合金进行了一系列实验研究 ,希望藉此开发一种新型的低成本高质量高效率的轴瓦合金制备技术 ,同时为凝固区间宽的合金的铸轧工艺过程技术服务。