用于多层结构滑动轴承的铝合金-钢双金属材料制造方法

摘要

用于多层结构滑动轴承的铝合金-钢双金属材料制造方法,将双面打毛后的钢板与刷光后的铝锡硅--铝锰铜合金板进行一次性复合轧制，得到所需总厚度的铝锡硅--铝锰铜--钢双金属滑动轴承材料板材；抑制沉积合金中低熔点相可能的凝固偏析对地球重力场下凝固偏析严重的偏晶合金；集熔炼和轧制为一体全部工艺流程在一条生产线上，工艺流程紧凑，产品具有极好的耐磨性、耐蚀性、很好的抗咬合性和承载能力，具极高的疲劳强度，抗疲劳强度达到100～120MPa，具有广泛的推广应用价值。尤其适用于中、高速及中等载荷的主轴承和连杆轴承。

说明书

技术领域

本发明涉及IPC国际专利分类B22D金属铸造或用相同工艺或设备的其他物质的铸造 技术，尤其是用于多层结构滑动轴承的铝合金-钢双金属材料制造方法。

背景技术

滑动轴承(slidingbearing)，在滑动摩擦下工作的轴承。滑动轴承工作平稳、可 靠、无噪声。在液体润滑条件下，滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，还可以大大 减小摩擦损失和表面磨损，油膜还具有一定的吸振能力。但起动摩擦阻力较大。轴被轴承 支承的部分称为轴颈，与轴颈相配的零件称为轴瓦。为了改善轴瓦表面的摩擦性质而在其 内表面上浇铸的减摩材料层称为轴承衬。轴瓦和轴承衬的材料统称为滑动轴承材料。滑动 轴承应用场合一般在低速重载工况条件下，或者是维护保养及加注润滑油困难的运转部 位。滑动轴承工作时发生的是滑动摩擦；滚动摩擦力的大小主要取决于制造精度；而滑动 轴承摩擦力的大小主要取决于轴承滑动面的材料。滑动轴承一般工作面均具有自润滑功 能；滑动轴承按照材料分为非金属滑动轴承和金属滑动轴承。滑动轴承材料有轴承合金， 又叫巴氏合金或白合金、滑动轴承耐磨铸铁、铜基和铝基合金、粉末冶金材料、塑料、橡 胶、硬木和碳-石墨，聚四氟乙烯，如特氟龙、PTFE、改性聚甲醛POM等。

金属滑动轴承目前使用最多的就是三层复合轴承，这种轴承一般都是以碳钢板为基 板，通过烧结技术在钢板上先烧结一层球形铜粉，然后再在铜粉层上烧结一层3mm的PTFE 润滑剂；其中中间一层球形铜粉主要作用就是增强钢板与PTFE之间的结合强度，当然在 工作时还起到一定的承载和润滑作用。

轴承合金：轴承合金又称白合金，主要是锡、铅、锑或其它金属的合金，由于其耐磨 型好、塑性高、跑合性能好、导热性好和抗胶和性好及与油的吸附性好，故适用于重载、 高速情况下，轴承合金的强度较小，价格较贵，使用时必须浇铸在青铜、钢带或铸铁的轴 瓦上，形成较薄的涂层。另一方面，多孔质粉末冶金金属材料具有多孔组织，若将其浸在 润滑油中，使微孔中充满润滑油，变成了含油轴承，具有自润滑性能。多孔质金属材料的 韧性小，只适应于平稳的无冲击载荷及中、小速度情况下。

滑动轴承在工作时由于轴颈与轴瓦的接触会产生摩擦，导致表面发热、磨损甚而“咬 死”，所以在设计轴承时，应选用减摩性好的滑动轴承材料制造轴瓦，合适的润滑剂并采 用合适的供应方法，改善轴承的结构以获得厚膜润滑等。

1、瓦面腐蚀：光谱分析发现有色金属元素浓度异常；谱中出现了许多有色金属成分 的亚微米级磨损颗粒；润滑油水分超标、酸值超标。

2、轴颈表面腐蚀：光谱分析发现铁元素浓度异常，铁谱中有许多铁成分的亚微米颗 粒，润滑油水分超标或酸值超标。

3、轴颈表面拉伤：铁谱中有铁系切削磨粒或黑色氧化物颗粒，金属表面存在回火色。

4、瓦背微动磨损：光谱分析发现铁浓度异常，铁谱中有许多铁成分亚微米磨损颗粒， 润滑油水分及酸值异常。

5、轴承表面拉伤：铁谱中发现有切削磨粒，磨粒成分为有色金属。

6、瓦面剥落：铁谱中发现有许多大尺寸的疲劳剥落合金磨损颗粒、层状磨粒。

7、轴承烧瓦：铁谱中有较多大尺寸的合金磨粒及黑色金属氧化物。

8、轴承磨损：由于轴的金属特性(硬度高，退让性差)等原因，易造成粘着磨损、 磨料磨损、疲劳磨损、微动磨损等状况。

滑动轴承寿命是制造，组装，使用密切相关，必须使每一个环节，部分企业在生产涂 装机轴承的过程中没有严格按清洗防锈规程和油封防锈包装的要求对加工过程中的涂装 机轴承零件和装配后的涂装机轴承成品进行防锈处理。部分企业在生产中使用的防锈润滑 油、清洗煤油等产品的质量达不到工艺技术规定的要求。

作为较为成熟的现有技术，轴瓦采用双金属，主要原因是利用两种金属的不同性质， 使它发挥两种金属应用中的长处。简单说就是双金属瓦能达到理想中的要求，比如硬度、 耐磨程度、抗压力、抗拉力、耐腐蚀性等。

双金属复合带材，尤其是钢背与铜基合金、铝基合金、铅基合金、锌基合金等有色金 属复合带材，是机械制造工程中一类用途广泛的结构材料，它的主要用途是用作轴瓦材料， 高效吸振材料，热弹性材料以及新型建筑材料等，其广泛应用于机器制造、船舶、飞机、 汽车、仪器仪表以及交通，建筑等最重要的工业部门，是一种关键工业材料。

铝锡合金轴承材料广泛用于制造发动机、发电机、工程机械及家用电器的轴承和轴 套，它具有良好的疲劳强度和抗咬合性，不用表面镀层的情况下与锻钢和铸铁曲轴匹配使 用。但是，随着发动机日益向高速、高增压、轻型等方向发展，从而对轴承材料提出更为 苛刻的要求。

现代工业中制造成卷双金属带材的主要工艺流程为带形连续浇铸工艺，粉末烧结工艺 和带形连续轧制工艺三种，带形连续浇铸工艺又称铸轧工艺，是将熔化的合格的合金均速 的浇铸在已预热到指定温度的钢带上，钢带连续移动，并迅速用高闪点稠化油喷射冷却， 再用水喷射二次冷却，待合金凝固并粘接在钢带上后，铣去合金多余的厚度，并经轧机进 一步轧合、整平，最后连续卷取成双金属带材。这种工艺的优点是生产效率高，合金与钢 带一次复合成形，工艺流程较为简单，生产成本相对较低，它的缺点是不适用于具有强烈 凝固偏析倾向的合金，如铝铅轴瓦合金等，后者在带形浇铸过程中第二相铅将在合金中产 生严重的重力偏析现象，导致双金属带材复合制造失败。粉末烧结工艺又称粉末冶金法， 其主要工艺流程分两种，即带形连续烧结和条形块烧结法，带形连续烧结法的工艺流程是 首先进行粉末制备，又分为金属粉末混合法和合金粉雾化法，将准备好的钢带或镀铜成裸 带连续均匀地通过铺粉机，在其表面上均匀地铺撒一层待复合层的合金粉，再经预烧结炉 烧结、快冷、初轧，第二次烧结，冷却后终轧至最后尺寸，这种工艺的优点是可以有效地 解决合金比重偏析问题，生产效率高，适用于制备合金层较薄的双金属带材，缺点是由于 粉末松散烧结时，合金层孔隙度很高，尽管经过轧制密实化，但由于孔隙处未能充分轧合， 复合合金层的力学性能相对较低，同时要求烧结温度不能高于合金中某一组份的熔点，否 则低熔点相将在烧结时熔化下沉，导致整个工艺流程失败。粉末冶金法另一种工艺流程是 带形连续轧制法，主要工艺原理是先用粉末冶金法制备合金条块，经多次轧制后先制备待 复合合金卷材，然后再与已表面磨毛的钢卷带复合轧制制成双金属带材，为了增加合金与 钢带基板的界面结合力，可以在合金带和钢带之间增加一中间层薄膜金属，以调整界面金 属层的化学或物理相容性。与此工艺流程相似的还有条形块铸造法，其主要区别是前者用 粉末冶金法制备合金条块，后者则采用铸板法制备合金条块，后者的优点是合金组织致密， 机械性能好，缺点是易于产生凝固偏析，而粉末冶金法则恰好相反，与前述带形连续烧结 法相比，带形连续轧制法的优点是具有较好的合金力学性能，且适于制备合金层较厚的双 金属带材，并对合金成份可更好的适应性，缺点是工艺流程十分复杂，尤其是合金条带轧 制中要经多次中间退火，最后合金带与钢带的复合轧制需要较高的形变量，以保证界面的 结合强度，在这复杂的工艺流程中，只要有一环控制不当，均会导致整个工艺流程失败。 相关技术文献公开较少：

中国专利CN1334357A公开一种钢背双金属带材的制造方法,先将待复合合金加热熔化 再通过高压气体进行充分粉碎和雾化,同时进行快速冷却,最后将已冷却并处于半液态的 雾化流沉积在连续移动的钢带上,载有沉积合金层的钢带随即通过轧机轧制以保证足够的 界面结合力,合金层厚度和致密度。

中国专利申请201210578191.0公开了一种双金属复合滑动轴承的制造模具及其制造 方法，包括上模(1)，下模(4)，型腔(2)，轴承(3)，其制造方法，其特征在于，按下 列各组分的质量百分比配制内套材料，将配制好的所述组分在高速混合机中初混后，在造 粒挤出机卜进一步混匀及造粒，得到内套材料母粒，最后对金属注射成形的轴承进行固化 热处理，获得成品。

发明内容

本发明的目的是提供一种以低炭碳素钢为基体的用于多层结构滑动轴承的铝合金-钢 双金属材料制造方法，以解决生产过程中遇到的铝锡硅合金系列合金与钢板轧制复合难度 大，铝锡硅合金与钢板结合强度低的问题；弥补现有技术铝基合金轴承材料疲劳强度低、 抗咬合性能低的不足，填补高集合机械性能的铝基合金双金属轴承材料生产的空白。

本发明的目的将通过以下技术措施来实现：制造方法包括以下步骤：

①、制备铝锡硅--铝锰铜合金板；

1)铝锡硅合金层的制备；所述的铝锡硅合金具体成分为：锡(Sn)5.0％－7.5％，硅 (Si)3.25％－4.75％，铜(Cu)0.5％－1.5％，锰(Mn)0.15％－0.35％，铬(Cr)0.15％－ 0.35％，铝(Al)为余量，百分比为各成分占合金总量的质量百分比；

a.铝锡硅合金的熔炼：熔化铝，熔化温度730-750℃时，加入Al-Si，Al-Cu，Al-Mn， Al-Cr等中间合金和锡锭，制成铝锡硅合金锭；

b.将铝锡硅合金铸锭进行均匀化退火，退火温度：540℃±10℃，恒温12小时后， 再炉冷10小时，出炉空冷；

c.将经过均匀化退火并冷却至室温的铝锡硅合金铸锭冷轧至14.0-15.0mm，再结晶 退火，设定温度：400℃±10℃，恒温12小时后，再炉冷10小时，出炉空冷；

d.再结晶退火后铝锡硅合金锭经校平机校平，以备双面打毛后与铝锰铜合金层进行双 面复合轧制；

2)铝锰铜合金层的制备；所述的铝锰铜合金铸锭具体成分为：铜(Cu)1.0％－2.5％， 锰(Mn)0.5％－1.0％，铝(Al)为余量，百分比为各成分占合金总量的质量百分比；

a.铝锰铜合金的熔炼；熔化铝，熔化温度730-750℃时，加入Al-Cu，Al-Mn等中间 合金和锡锭，制成铝锰铜合金锭；

b.将铝锰铜合金铸锭进行均匀化退火，退火温度：540℃±10℃，恒温12小时后， 再炉冷10小时，出炉空冷；

c.将经过均匀化退火并冷却至室温的铝锰铜合金铸锭分道次冷轧至1.0－2.0mm以 及再结晶退火，退火温度：400℃±10℃，恒温12小时后，再炉冷10小时，出炉空冷；

e.将冷轧至1.0－2.0mm的铝锰铜合金板进行软化退火，退火温度：230℃±10℃， 恒温5h后出炉空冷；

f.铝锰铜合金板经校平机校平，以备双面打毛后与铝锡硅合金进行复合轧制；

3)铝锡硅--铝锰铜合金层的制备；

a.将打毛后的铝锡硅合金与铝锰铜合金层进行一次复合轧制，一次下轧制延伸率 30-60％；

b.将复合后的铝锡硅--铝锰铜合金板进行均匀化退火，退火温度：540℃±10℃， 恒温12小时后，再炉冷10小时，出炉空冷；

c.将经过均匀化退火并冷却至室温的铝锡硅--铝锰铜合金板分道次冷轧至2.0－ 3.0mm以及再结晶退火，退火温度：400℃±10℃，恒温12小时后，再炉冷10小时，出炉 空冷；

②、制备钢板：按生产设计工艺要求，将剪切后的钢板经除油除锈，然后双面打毛 后备用；

③、铝锡硅--铝锰铜合金--钢双金属板复合：将双面打毛后的钢板与刷光后的铝锡 硅--铝锰铜合金板进行一次性复合轧制，得到所需总厚度的铝锡硅--铝锰铜--钢双金属滑 动轴承材料板材；所述的铝锡硅--铝锰铜--钢双金属轴承材料共四层结构，第一层表层为 铝锰铜层，合金厚度0.03-0.15mm，第二层为铝锡硅合金层,合金厚度0.3-1.0mm，第三 层过渡层为铝锰铜层合金厚度0.03-0.15mm，第四层基层为低碳钢层，钢层的厚度为0.8-15 mm；其中，第一至三层统称铝锡硅--铝锰铜合金层或减磨层了；

④、成品退火：轧好的铝锡硅--铝锰铜--钢双金属合金板经340℃±10℃退火4.5～ 5小时。

尤其是，铝锡硅、铝锰铜合金铸锭经过熔炼和铁模浇铸而获得；具体步骤为：按化学 成分要求配料，在中频炉内进行常规熔炼，炉前检测合格后，转倒保温炉，熔体由保温炉 导入浇包，由浇包浇入水冷铁模凝固而成，铁模规格：22×195×700mm³，铸锭厚度22± 0.15mm。

尤其是，均匀化退火较佳的温度为540℃±10℃，恒温12小时后，再炉冷10小时， 出炉空冷。

尤其是，轧至14.0－15.0mm的铝锡硅合金锭再结晶退火制度为：设定温度：400℃± 10℃，恒温12小时后，再炉冷10小时，出炉空冷。

尤其是，铝锰铜合金板的厚度较佳的为1.0～1.2mm，铝锰铜合金板刷光后使用。

尤其是，双面复合轧制按延伸率≥30％进行操作，较佳的为40-50％。

尤其是，将冷轧至2.0－3.0mm的铝锡硅--铝锰铜合金板进行软化退火，设定温度230 ℃±10℃，恒温5小时后出炉空冷；能有效增加结合牢度，消除合金加工硬化。

尤其是，钢板材质为连轧低碳钢，较佳的为含碳量0.02％--0.10％的低碳碳素钢，钢 板使用前按本领域常规除油除锈。

尤其是，一次性复合轧制的加工延伸率为40-55％，较佳为45-50％。

尤其是，铝合金层的铝锰铜合金层介于铝锡硅合金层与钢层中间。

本发明的优点和效果：抑制沉积合金中低熔点相可能的凝固偏析对地球重力场下凝固 偏析严重的偏晶合金；具有广泛的推广应用价值。采用短流程工艺路线有效简化现有技术， 既利于采用流程控制，又节省大量的厂房设备和人工成本。集熔炼和轧制为一体全部工艺 流程在一条生产线上，工艺流程紧凑，产品具有极好的耐磨性、耐蚀性、很好的抗咬合性 和承载能力，具极高的疲劳强度，抗疲劳强度达到100～120MPa，尤其适用于中、高速及 中等载荷的主轴承和连杆轴承。

具体实施方式

本发明原理在于，解决前述现有技术不足需要一种既能保持铝锡合金的固有特性、又 具有更高疲劳强度和承载能力的轴承合金，而铝锡硅--铝锰铜--钢双金属滑动轴承材料具 更高的硬度和强度，极好的耐磨性、耐蚀性、很好的抗咬合性和承载能力，具极高的疲劳 强度。可以满足当代发动机对轴承的新要求，是制作中、高速及中等载荷主轴承和连杆轴 承的理想材料。

本发明中，均匀化退火有效消除铸锭的浇铸应力，同时使合金的组织和成分趋于均匀， 提高合金的塑性，便于后续的轧制，提高合金成材率，一般温度上限不得超过合金中低熔 点共晶的熔化温度。所述的340℃±10℃/4.5～5小时退火，能有效增加钢板与合金的结 合牢度，消除合金加工硬化，得到理想金相组织。

在符合本领域常识的基础上，本发明中上述的各技术特征的优选条件可以任意组合得 到本发明较佳实例。

本发明中通过前述方法制得多层铝合金－钢双金属滑动轴承材料。所用试剂和原料均 市售可得。与钢板复合时合金层厚度与材料成品所需的合金层厚度、钢板的加工延伸率有 关。

通过实施例的方式能够进一步说明本发明，但申请人并不因此将本发明限制在所述的 实施例范围之中。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：生产材料规格3.0mm×2.45mm×102mm的铝锡硅--铝锰铜--钢双金属滑动轴 承材料；总厚度为：3.0mm±0.05mm、钢层厚度为：2.45mm±0.05mm、合金宽度为： 102mm±0.5mm；制造方法包括以下步骤：

①、合金的准备；合金按化学成分要求：

铝锡硅合金具体成分为：锡(Sn)5.0％－7.5％，硅(Si)3.25％－4.75％，铜(Cu)0.5％ －1.5％，锰(Mn)0.15％－0.35％，铬(Cr)0.15％－0.35％，铝(Al)为余量，百分比为 各成分占合金总量的质量百分比；

铝锰铜合金铸锭具体成分为：铜(Cu)1.0％－2.5％，锰(Mn)0.5％－1.0％，铝(Al) 为余量，百分比为各成分占合金总量的质量百分比；

铁模浇铸成铸锭，铸锭规格22mm×195mm×700；

将铝锡硅合金、铝锰铜合金铸锭进行均匀化退火，退火制度为：设定温度：540℃± 10℃，恒温12h后，再炉冷10h，出炉空冷；

将经过均匀化退火并冷却至室温的铝锰铜合金铸锭进行冷轧，分道次冷轧至1.0± 0.10mm；

将经过均匀化退火并冷却至室温的铝锡硅合金铸锭进行冷轧，分道次冷轧至14.5± 0.10mm；

将轧至14.5±0.10mm铝锡硅合金锭进行再结晶退火，退火制度为：设定温度：400℃ ±10℃，恒温12小时后，再炉冷10小时，出炉空冷；

经过再结晶退火厚14.5±0.10mm的铝锡硅合金锭经校平，然后双面打毛后与厚度为 1.0mm的铝锰铜合金板进行双面轧制，复合为铝锡硅--铝锰铜合金板，逐道次冷轧至3.0 ±0.1mm；

将冷轧至3.0±0.1mm的铝锡硅--铝锰铜合金板进行软化退火，退后温度：230℃±10 ℃，恒温5小时后出炉空冷；

然后按工艺要求的轧制分配道次冷轧至与钢板复合时的厚度1.42mm,公差0-0.05mm； 之后裁成规格1.42mm×156mm×1360mm清洗备用；

②、钢板的准备；选用市售的SPHC低碳钢，成分为：碳(C)0.050％，锰(Mn)0.25％， 硅(Si)0.010％，磷(P)0.010％，硫(S)0.013％进行除油除锈处理,裁成规格 3.6mm×158mm×1500mm；

③、将前述所得的1.42mm铝锡硅合金板用钢丝刷进行单面刷光；钢板用120#和36# 砂带分别对上下表面进行打毛处理；

④、轧制复合：将刷光后的合金板放置在36#砂带打毛后的钢板上喂入轧机，一次性 轧至3.00mm±0.05mm，钢板加工延伸率46％；

⑤、退火：设定温度340℃±10℃，4.5小时恒温，出炉空冷；

⑥、进行化学成分、硬度、总厚度及钢层等各项性能检测；剪切、上防锈油，包装。

经检测，成品铝锡硅合金化学成分为：锡(Sn)6.89％，铜(Cu)0.94％，硅(Si)4.05％， 锰(Mn)0.22％，铬(Cr)0.27％，铝(Al)为余量；成品铝锰铜合金化学成分为：铜(Cu) 1.5％，锰(Mn)0.65％，铝(Al)为余量；铝锡硅--铝锰铜合金硬度53.2HB，钢背硬度 196HB，总厚3.0±0.05mm，钢层厚2.40-2.47mm，宽度104mm，钢背表面粗糙度0.32um， 粘结牢度弯曲时不分层，材料的抗剪强度82.25N/mm²，钢背的抗拉强度528.0N/mm²，在 DP型液压动载轴瓦疲劳试验机上测得铝锡硅合金的疲劳强度为112MPa。

本实施例中，铝锡硅合金锭用36#砂带双面打毛，以去除表面氧化夹杂、裂纹等铸造 缺陷，较佳的为每面去除0.75mm。

本实施例中，逐道次冷轧时以不开裂为标准，逐道次递减。

本实施例中，采用钢丝直径为0.2mm的钢丝刷进行刷光，使铝锰铜合金板表面均匀呈 银白色，洁净，无明显打滑亮迹。

本实施例中，钢板双面打毛要求钢板非复合面表面光洁，无锈迹、无变色及明显钢板 缺陷，钢板复合面表面粗糙、均匀、洁净，无任何污染、变色和明显缺陷，钢板的非复合 面较佳的为120#砂带打毛，钢板复合面较佳的为36#砂带打毛。

本实施例中，刷光之前将复合轧制后铝锡硅-铝锰铜合金板清洗，去除合金轧制时粘 上的油污。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发 明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。