一种汽车发动机曲轴轴承用铅基轴承合金及其制造方法

摘要

本发明涉及一种汽车发动机曲轴轴承用铅基轴承合金及其生产方法。本发明铅基轴承合金由如下重量百分比的组分组成：锡：3-5wt％，锑：6-8wt％，镍：0.05-0.25wt％。砷：0.1-0.3wt％，镉：0.3-0.8wt％，镧和铈：0.5-0.9wt％，余量为铅。本发明的通过铅、锑和锡为母合金，创造性地添加镍、镉、砷、及稀土镧和铈，改善了合金材料的性能，提高了合金的塑性、韧性、强度和减摩性，并且省去了传统生产工艺中热处理步骤，同时使本发明的铅基轴承合金制造成本大幅降低。本发明的铅基轴承合金特异地用于制造汽车发动机曲轴轴承。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铅基轴承合金及其生产方法，特别是涉及一种用于 汽车发动机曲轴轴承的铅基轴承合金及其生产方法。

背景技术

巴氏合金是最广为人知的轴承材料。主要合金成分是锡、铅、锑、铜， 其中锑、铜，用以提高合金强度和硬度。巴氏合金的组织特点是，在软相 基体上均匀分布着硬相质点，软相基体使合金具有非常好的嵌藏性、顺应 性和抗咬合性，并在磨合后，软基体内凹，硬质点外凸，使滑动面之间形 成微小间隙，利于减摩；上凸的硬质点起支承作用，有利于承载。巴氏合 金分为锡基和铅基合金两种。

铅基巴氏合金ZPbSb15Sn10，是一种因具有良好磨合性和可塑性而被 广泛应用的铅基轴承合金，此合金经过退火处理之后，塑性、韧性、强度 和减摩性均可以大大提高，而硬度则有所下降，故一般在其浇铸之后应进 行热处理，以改善其性能，从而更适用于浇铸中等压力、中速和冲击载荷 的轴承，如汽车、拖拉机发动机的曲轴轴承，及相应材料的高温轴承等。

随着我国汽车工业的不断发展与革新，汽车发动机结构不断朝着低成 本，高品质，经久耐用的方向发展，因此对曲轴轴承材料的要求也不断提 高。由于对铅基轴承合金的硬度要求，现有的铅基轴承合金生产工艺在浇 铸后还需要进行热处理的步骤，不仅工艺繁琐而且生产处的合金硬度也较 低，同时由于锡的添加量通常在5-15％，因此增加了合金的生产成本。

综上，目前需要一种不仅成本较低，而且生产工艺简单同时材料的硬 度、塑性、韧性和减磨性有所提高的铅基轴承合金。

发明内容

本发明的目的在于，通过改进合金成分设计并根据合金的特点优化生 产工艺，提供一种提高了现有技术中合金的硬度及其他性能，同时简化生 产工艺并且大幅降低材料成本的汽车发动机曲轴轴承用铅基轴承合金及 其生产方法。

为实现上述发明目的，本发明所提供的技术方案是：

一种汽车发动机曲轴轴承用铅基轴承合金，由如下重量百分比的组分 组成：锡：3-5wt％，锑：6-8wt％，镍：0.05-0.25wt％，，砷：0.1-0.3wt％， 镉：0.3-0.8wt％，镧和铈：0.5-0.9wt％，余量为铅。

进一步地，由如下重量百分比的组分组成：锡：3.5-4.5wt％，锑： 6.5-7.5wt％，镍：0.1-0.2wt％，，砷：0.15-0.25wt％，镉：0.4-0.6wt％，镧 和铈：0.6-0.8wt％，余量为铅。

进一步地，由如下重量百分比的组分组成：锡：4wt％，锑：7wt％， 镍：0.15wt％，，砷：0.2wt％，镉：0.5wt％，镧和铈：0.7wt％，余量为铅。

制备上述汽车发动机曲轴轴承用铅基轴承合金的方法，其特征在于， 具有以下步骤：

1)按重量比将铅、锑和锡置于坩埚内熔炼，熔炼温度为650-750℃， 熔炼时间为20-30分钟，制成母合金；

2)按重量比将镍、镉、砷、及稀土镧和铈置于坩埚进行熔炼，熔炼 温度为1100-1200℃，熔炼时间为30-40分钟，制成多元素合金；

3)将步骤1)和步骤2)中熔炼完成的母合金溶液以及多元素合金溶 液转移至工频保温炉内，温度为500-700℃，用石墨棒进行搅拌，充分混 合；

4)对混合后的合金液体取样进行成分检测；

5)开启所述工频保温炉的倾泻孔，将合金液体浇筑在金属模具中；

6)待完全冷却后将所述金属模具去除，进一步加工毛坯铸件。

本发明还提供了所述铅基轴承合金在制备汽车发动机曲轴轴承材料 中的用途。

采用上述技术方案，本发明的有益效果有：

1、本发明提供了一种汽车发动机曲轴轴承用铅基轴承合金及其生产 方法，同时满足了对改进材料的高硬度、高韧性和塑性、高延展性、耐高 温以及低成本的多种需要。

2、本发明创造性地添加镍、镉、砷、及稀土镧和铈,使这些金属元素 弥散在软基体α固溶体(锑溶入铅中的固深体)与硬质点β相(铅溶入锑 中的固溶体)当中，形成能够弥补两相不足的具有粘合效果的第三相，因 此不需要进行热处理便能实现合金材料塑性、韧性、强度和减摩性的提高， 同时材料的硬度也能够得到相应的提升。

3、在本发明中的合金生产工艺中，通过分别单独初熔炼铅、锡和锑 金属以及其余金属得到母合金溶液和多元素合金溶液，再与其他多元素合 金溶液共同熔炼，从而细化了合金中组织结果，进一步提高了合金的塑性 和韧性。

具体实施方式

实施例1本发明的汽车发动机曲轴轴承用铅基轴承合金的制备

按照重量比为锡：3wt％，锑：8wt％，镍：0.2wt％，，砷：0.15wt％， 镉：0.6wt％，镧和铈：0.5wt％，余量为铅准备原料。

熔炼母合金溶液：按上述重量比将铅、锡置于坩埚内熔炼，熔炼温度 为650℃，熔炼时间为30分钟，制成母合金溶液。

熔炼多元素合金溶液：按重量比将镍、镉、砷、及稀土镧和铈置于坩 埚进行熔炼，熔炼温度为1200℃，熔炼时间为30分钟，制成多元素合金 溶液。

混合熔炼：将熔炼完成的母合金溶液以及多元素合金溶液转移至工频 保温炉内，温度为500℃，用石墨棒进行搅拌，充分混合。

检测：采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围 之内。

铸造冷开坯：开启所述工频保温炉的倾泻孔，将合金液体浇筑在金 属模具中，待完全冷却后将所述金属模具去除。

洗刷矫直：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，通过矫直 工序，消除内应力拉制合金为成品。

将按照本发明实施例制备的铅基轴承合金与等体积的传统 ZPbSb15Sn10型号的铅基轴承合金对比，各性能参数如表1所示：

表1

实施例2本发明的汽车发动机曲轴轴承用铅基轴承合金的制备

按照重量比为锡：3.5wt％，锑：7.5wt％，镍：0.1wt％，，砷：0.3wt％， 镉：0.4wt％，镧和铈：0.8wt％，余量为铅准备原料。

熔炼母合金溶液：按上述重量比将铅、锡置于坩埚内熔炼，熔炼温度 为750℃，熔炼时间为20分钟，制成母合金溶液。

熔炼多元素合金溶液：按重量比将镍、镉、砷、及稀土镧和铈置于坩 埚进行熔炼，熔炼温度为1100℃，熔炼时间为40分钟，制成多元素合金 溶液。

混合熔炼：将熔炼完成的母合金溶液以及多元素合金溶液转移至工频 保温炉内，温度为600℃，用石墨棒进行搅拌，充分混合。

检测：采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围 之内。

铸造冷开坯：开启所述工频保温炉的倾泻孔，将合金液体浇筑在金 属模具中，待完全冷却后将所述金属模具去除。

洗刷矫直：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，通过矫直 工序，消除内应力拉制合金为成品。

将按照本发明实施例制备的铅基轴承合金与等体积的传统 ZPbSb15Sn10型号的铅基轴承合金对比，各性能参数如表2所示：

表2

实施例3本发明的汽车发动机曲轴轴承用铅基轴承合金的制备

按照重量比为锡：5wt％，锑：6wt％，镍：0.25wt％，，砷：0.1wt％， 镉：0.4wt％，镧和铈：0.6wt％，余量为铅准备原料。

熔炼母合金溶液：按上述重量比将铅、锡置于坩埚内熔炼，熔炼温度 为700℃，熔炼时间为30分钟，制成母合金溶液。

熔炼多元素合金溶液：按重量比将镍、镉、砷、及稀土镧和铈置于坩 埚进行熔炼，熔炼温度为1200℃，熔炼时间为30分钟，制成多元素合金 溶液。

混合熔炼：将熔炼完成的母合金溶液以及多元素合金溶液转移至工频 保温炉内，温度为700℃，用石墨棒进行搅拌，充分混合。

检测：采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围 之内。

铸造冷开坯：开启所述工频保温炉的倾泻孔，将合金液体浇筑在金 属模具中，待完全冷却后将所述金属模具去除。

洗刷矫直：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，通过矫直 工序，消除内应力拉制合金为成品。

将按照本发明实施例制备的铅基轴承合金与等体积的传统 ZPbSb15Sn10型号的铅基轴承合金对比，各性能参数如表3所示：

表3

实施例4本发明的汽车发动机曲轴轴承用铅基轴承合金的制备

按照重量比为锡：4.5wt％，锑：6.5wt％，镍：0.05wt％，，砷：0.25wt％， 镉：0.3wt％，镧和铈：0.9wt％，余量为铅准备原料。

熔炼母合金溶液：按上述重量比将铅、锡置于坩埚内熔炼，熔炼温度 为750℃，熔炼时间为30分钟，制成母合金溶液。

熔炼多元素合金溶液：按重量比将镍、镉、砷、及稀土镧和铈置于坩 埚进行熔炼，熔炼温度为1100℃，熔炼时间为30分钟，制成多元素合金 溶液。

混合熔炼：将熔炼完成的母合金溶液以及多元素合金溶液转移至工频 保温炉内，温度为600℃，用石墨棒进行搅拌，充分混合。

检测：采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围 之内。

铸造冷开坯：开启所述工频保温炉的倾泻孔，将合金液体浇筑在金 属模具中，待完全冷却后将所述金属模具去除。

洗刷矫直：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，通过矫直 工序，消除内应力拉制合金为成品。

将按照本发明实施例制备的铅基轴承合金与等体积的传统 ZPbSb15Sn10型号的铅基轴承合金对比，各性能参数如表4所示：

表4

实施例5本发明的汽车发动机曲轴轴承用铅基轴承合金的制备

按照重量比为锡：4wt％，锑：7wt％，镍：0.15wt％，，砷：0.2wt％， 镉：0.5wt％，镧和铈：0.7wt％，余量为铅准备原料。

熔炼母合金溶液：按上述重量比将铅、锡置于坩埚内熔炼，熔炼温度 为750℃，熔炼时间为30分钟，制成母合金溶液。

熔炼多元素合金溶液：按重量比将镍、镉、砷、及稀土镧和铈置于坩 埚进行熔炼，熔炼温度为1100℃，熔炼时间为40分钟，制成多元素合金 溶液。

混合熔炼：将熔炼完成的母合金溶液以及多元素合金溶液转移至工频 保温炉内，温度为700℃，用石墨棒进行搅拌，充分混合

检测：采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围 之内。

铸造冷开坯：开启所述工频保温炉的倾泻孔，将合金液体浇筑在金 属模具中，待完全冷却后将所述金属模具去除。

洗刷矫直：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，通过矫直 工序，消除内应力拉制合金为成品。

将按照本发明实施例制备的铅基轴承合金与等体积的传统 ZPbSb15Sn10型号的铅基轴承合金对比，各性能参数如表5所示：

表5

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详 细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对 于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做 出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。