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1、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
2、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
3、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 合金相图 (见图 1 )可以看出 ,铝铅
4、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%)。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 %)。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
5、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 (T1 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
6、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 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 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
7、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 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 系多元合金粉末 ,研究了其显微结构特点。 系轴瓦合金的开发最早见于 1 969年美国的会议报告1 及同年由等发表的专利2 ,至 80年代初 ,已有美国、日本等国家开始了 系轴瓦合金的工业化生产3 。国内从 1 984年开始了 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 0的 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、488发动机上应用。上
8、述 系轴瓦合金均是采用传统的/工艺生产4。近年来 ,国内外 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 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 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 5/2 ,滑动速度 1 3/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 % ,1 % , 0 7%,
9、0 5%,其余。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、等。因其能溶入基体铝中 ,可进一步提高基体强度 ,且能够改善合金组织。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- -系合金的基体中既含有柔软的 ()相 ,又包含硬质的粒子 ,因而显示出比传统-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- -系合金中 ,除元素在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 ,由于与、的比重差大 ,因此 ,熔铸控制不当 ,难以得到均匀的结晶组织 ,常以粗大的条状分布 , ()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
