适用于制作滑动轴承的铝合金材料
阅读说明：本技术 适用于制作滑动轴承的铝合金材料 (Aluminum alloy material suitable for manufacturing sliding bearing ) 是由 张海涛 魏伟 郑强 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：一种适合于制造滑动轴承的铝合金,本发明的铝合金的各成分的质量百分比为：Zn 3.0-8.0wt％,Si 3.5-7.5wt％,Cu 0.4-2.5wt％,Fe 0.3-2.5wt％,Zr 0.05-0.20wt％,P 0.01-0.05wt％,余量为Al、附带的元素和不可避免的杂质。微合金化附带元素为Hf、Nb、Ti、V、Sc、Er、Yb中的一种或多种,微合金化附带元素的添加总量满足0.06％≤(Zr+Hf+Nb+Ti+V+Sc+Er+Yb)wt％≤0.25％。铝硅合金中不可避免的杂质元素每种≤0.05wt％,总和≤0.15wt％。(The invention relates to an aluminum alloy suitable for manufacturing a sliding bearing, which comprises the following components in percentage by mass: 3.0 to 8.0 wt% of Zn, 3.5 to 7.5 wt% of Si, 0.4 to 2.5 wt% of Cu, 0.3 to 2.5 wt% of Fe, 0.05 to 0.20 wt% of Zr, 0.01 to 0.05 wt% of P, and the balance of Al, incidental elements and inevitable impurities. The microalloying incidental elements are one or more of Hf, Nb, Ti, V, Sc, Er and Yb, and the total addition amount of the microalloying incidental elements is more than or equal to 0.06 percent (Zr + Hf + Nb + Ti + V + Sc + Er + Yb) and more than or equal to 0.25 percent by weight. The inevitable impurity elements in the aluminum-silicon alloy are less than or equal to 0.05 wt% of each kind and less than or equal to 0.15 wt% of the total.)
技术领域
本发明涉及一种软相和硬颗粒结合的铝合金，该铝合金可以用于制作滑动轴承。所述软相是锌元素，硬颗粒包含硅和其它金属间化合物颗粒。
背景技术
轴瓦对于任何发动机都是至关重要的零件。轴瓦必须满足发动机不同工况下的载荷，为其他零部件提供润滑，减小摩擦。作为关键部件，又易发生失效和损伤，轴瓦的运行状态和寿命将影响整体发动机的正常运行。
目前被广泛应用的金属类轴瓦合金有三大类：巴氏合金、铜基合金、铝基合金。铝基合金具有良好的耐腐蚀性、耐磨减摩性、抗粘咬性、顺应性和嵌入性等综合性能，同时又具有密度小、承载能力大、疲劳强度高、导热性好等优越性，且价格低廉、资源丰富，因而应用愈来愈多，以代替传统的锡青铜和巴氏合金。目前，常见的铝基轴瓦合金包括Al-Sn系、Al-Zn系和Al-Pb系等。
由于铅对环境的严重污染问题，铝铅系轴承材料已基本被淘汰。发动机轻量化、大功率输出和小型化的发展趋势，对轴瓦材料提出了更高的耐磨耐高温、承载和环保要求，铝锡基合金轴瓦材料由于强度较低，往往满足不了这种要求。铝锌系轴承合金是一种新型的铝基轴承合金材料，它以铝为基体，锌含量一般为5％左右。铝锌轴承合金的承载能力高，适用于高速、重载、增压强化的柴油机的主轴承及连杆轴承。铝锌合金在熔炼过程中无污染，节电又节锡，而且我国锌资源丰富，价格也较低。因此，铝锌轴承合金材料具有很好的发展前景。
德国专利文献DE19800433C2公布了一种轴承用铝合金材料，该铝合金含有3-6wt％锌、0.3-2.0wt％铜、0.2-1.0wt％镁、0.3-2.0％wt％硅和2-4.5wt％铅。虽然该合金具有较高的强度和良好的耐磨性能，但因含有较高含量的铅，故该轴承合金的试用会对环境造成污染，不适合当今社会绿色发展的要求。
日本专利文献JPH036345A(US5028393)公开了一种具有优异抗疲劳和抗咬合性能的滑动轴承用铝合金，该基础合金的基本组成为1-10％wtZn、1-15％wtSi、0.1-5％wtCu、0.1-5％wtPb、0.005-0.5％wtSr；该基础合金还可以添加0.05-5％wtMg、0.05-5％wtNi中的一种或两种，以及0.05-2％wtMn，0.05-2％wtV，0.05-2％wtCr中的一种或多种。虽然该铝合金材料虽然具有优异的抗疲劳和抗咬合性能，但因含有危害环境的铅元素，故该合金并不符合绿色发展的理念。
同样，美国专利文献US4170469、US6328823B1、US6783869公开的适用于滑动轴承用铝合金也因为含有不同含量危害环境的重金属铅元素，该类轴承同样不符合社会发展的理念。
中国专利文献CN86103116A公开了一种用于制作滑动轴承的铝锌硅锰稀土合金。该合金的基础成分为：20-40wt％Zn、3-20wt％Si、1-10wt％Cu、2-12wt％Mn、0.01-0.2wt％Mg、0.02-1.0wt％Re和Al；另外该合金中还可以添加0.5-4.0wt％Sb、0.1-2wt％Pb、0.02-1.0wt％Ti；并采用直接浇注工艺的方式将该铝合金与轴承钢壳浇注成一体。虽然该铝合金中可以不添加有害的铅元素，但由于该铝合金中锌的含量较高，不仅导致合金的强度较低，不利于轴承的疲劳性能，而且较高的锌含量会降低铝合金的抗应力腐蚀性能。
日本专利文献JPH05332364A公开了一种高耐磨性滑动轴承用铝合金，其基本成分含2-8％wtZn、0.1-8％wtSi、0.1-3％wtCu和0.05-3％wtMg；在基本成分的基础上，铝合金可以进一步添加0.1-3％Pb、0.1-2％Mn、0.1-2％V、0.1-2％Cr、0.1-3％Ni中的一种或多种，以及0.005-0.5％Sr、0.01-0.2％Ti、0.001-0.05％B中的一种或多种。除去具有污染性的铅之外，Mn、V、Cr、Ni、Ti和B等元素都是铝合金的常用合金化元素，这些元素的添加会在铝合金中形成大量的硬质点，提高铝合金的耐磨性，但也会显著提高铝合金的强度和降低铝合金的变形性能，不利于滑动轴承的顺应性。
美国专利文献US5925315及US20050191204A1所公开的铝合金具有较高的强度和较好的疲劳强度，但塑韧性较低，导致铝合金的顺应性不足。
发明内容
本发明的技术问题是提供一种可以用于滑动轴承制造的环境友好型铝合金材料，该铝合金同时具有较好的耐磨减摩性能、耐腐蚀性能和较好的塑韧性，以满足滑动轴承的使用要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种适用于滑动轴承制造的铝合金，其基础成分组成及范围为：Zn 3.0-8.0wt％，Si 3.5-7.5wt％，Cu 0.4-2.5wt％，Fe 0.3-2.5wt％，Zr 0.05-0.2wt％，P 0.01-0.05wt％，余量为Al、附带的元素和不可避免的杂质。
本发明的第一优选方案为：
所述的铝合金主要包含：Zn 3.5-7.5wt％，Si 3.8-7.5wt％，Cu 0.5-2.2wt％，Fe0.5-2.2wt％，Zr 0.05-0.2wt％，P 0.01-0.05wt％，余量为Al、附带的元素和不可避免的杂质。
本发明的第二优选方案为：
所述铝合金还可以进一步添加微合金化附带元素Hf、Nb、Ti、V、Sc、Er、Yb中的至少一种，所述的微合金化附带元素Hf、Nb、Ti、V、Sc、Er、Yb中的至少一种的添加量满足0.06≤(Zr+Hf+Nb+Ti+V+Sc+Er+Yb)wt％≤0.25wt％。
本发明的适用于制造滑动轴承的铝合金及其制备方法具有以下优点：
本发明的铝合金材料的主要合金化元素Zn、Si、Cu、Fe、Zr、P及微合金化元素Hf、Nb、Ti、V、Sc、Er、Yb均是铝合金的常用元素，来源广泛，无不良作用于环境保护。
在铝合金中添加如上的元素，调节铝合金的综合性能以满足滑动轴承对铝合金的性能要求，本发明铝合金的成分设计原理详细说明如下：
锌在本发明合金中主要作用是提供低熔点软质相，同时对铝合金具有一定的固溶强化效果。室温下Al基体中最大可以固溶2wt％的锌(Zn)，适量(3.0-8.0wt％)的锌可在铝合金中形成数量足够的低熔点的软质锌颗粒相，保障轴承的嵌藏性、顺应性和抗咬合性；相对于Al锌还优先氧化，可以消除硬质Al氧化膜的有害影响；锌的添加，增加了铝合金对润滑油的亲和性，改善轴承的润滑性能；如果Zn的添加量小于3wt％，则不能获得上述预期效果，如果Zn的含量超过8wt％，则铝合金耐腐蚀性能降低且易于发生应力腐蚀开裂，同时轴承合金表面涂覆附着力降低，不利于轴承表面的减摩层涂覆。为合理控制铝合金的性能，优选合金中锌(Zn)的含量为：3.5-7.5wt％
本发明铝合金中，硅(Si)提供硬质点相，保障铝合金具有良好的耐磨性，同时避免轴承铝合金与适配轴之间发生咬合粘结。如果Si的添加量小于3.0wt％，铝合金中硅颗粒较少，耐磨性不足，如果Si的量超过7.5wt％，则导致合金塑韧性较低，冲击疲劳强度变差，不利于后续的轧制等塑性加工。优选合金中硅(Si)的含量为：3.8-7.5wt％。
铜(0.4-2.5wt％)则与Al形成Al2Cu纳米颗粒相，调整铝合金基体的强度，优化铝合金的耐疲劳性能，同时固溶态的铜还能提高铝合金的耐腐蚀性能。铜含量较低，如≤0.4wt％，则铜的强化效果和提高铝合金耐蚀性的效果不明显，含量如超过2.5wt％，则铝合金基体强度较高，疲劳性较优，但铝合金的塑韧性降低，导致铝合金的顺应性较差。故优选合金中铜(Cu)的含量为：0.5-2.2wt％。
本发明合金中，铁的主要作用是提高铝合金的高温性能。在发明合金中，铁与Al、Si、形成高温稳定的Al5FeSi金属间化合物相，提高铝合金的高温强度。铁含量小于0.3wt％，合金中形成的高熔点金属间化合物数量少，铝合金高温性能较低；铁含量较高，如大于≥2.5wt％，则易于在铝合金中形成粗大的板片状Al5FeSi相，严重割裂铝合金基体，导致铝合金的强度降低和疲劳强度急剧降低，故优选合金中铁(Fe)的含量为：0.5-2.2wt％
微量的磷(P0.01-0.05wt％)对有可能出现的初晶硅进行变质，使初晶硅呈现颗粒状，避免粗大的片状初晶硅对铝合金基体的割裂，提高铝合金的疲劳性能；
微量的锆(Zr0.05-0.2wt％)在铝合金中形成Al3Zr纳米颗粒，主要用以细化铝合金晶粒及控制再结晶，同时对铝合金有一定的强化效果。
在本发明铝合金中，微合金化附带元素Hf、Nb、Ti、V、Sc、Er、Yb则主要是用来与锆(Zr)一起，形成Al3(Zr，M)纳米复合颗粒相，细化铝合金晶粒组织和控制晶粒的再结晶行为，同时对铝合金具有一定的强化作用。
附图说明
图1是本发明铝合金材料的制备方法流程图
具体实施方式
实施例1-9
表1为具体实施例1-9的化学成分。
制备方式：制备铝合金所采用的原料分别为纯金属单质和铝基中间合金，金属单质为纯铝、纯锌，其它合金化元素均以铝基中间合金的方式加入，纯金属和铝基中间合金的纯度不低于99.9％。根据合金的化学组成配料，在非真空感应熔炼炉(或电阻炉)中熔炼，坩埚为氧化铝坩埚。将所需纯铝及各种铝基中间合金装入氧化铝坩埚中，然后覆盖以1号溶剂，感应炉送电加热，待合金熔化后，升温至800-850℃并保温30分钟，然后降温至720℃，加入所需纯锌，待纯锌熔化后，对铝合金熔体进行精炼除气除渣，然后浇入钢制铸模具中，得到铝合金铸锭，然后进行将铸锭进行均匀化退火，退火后的铝合金铸锭进行热挤压或热轧，制备成宽50mm厚8mm的板材，对板材进行固溶处理和时效处理。
表1 实施例1-9合金的化学成分表(wt％)
实施例
Al
Zn
Si
Cu
Fe
P
Zr
杂质
1
余量
3.5
3.8
0.4
0.6
0.01
0.05
≤0.15
2
余量
4.0
6.0
2.2
0.5
0.045
0.15
≤0.15
3
余量
4.5
5.5
1.8
0.8
0.04
0.15
≤0.15
4
余量
5.0
5.0
0.6
1.2
0.04
0.1
≤0.15
5
余量
5.5
5.0
1.0
1.2
0.03
0.12
≤0.15
6
余量
6.0
4.5
1.3
0.9
0.03
0.12
≤0.15
7
余量
6.0
4.0
1.6
1.5
0.03
0.12
≤0.15
8
余量
7.5
6.0
0.8
0.6
0.05
0.15
≤0.15
9
余量
7.5
7.5
2.5
2.0
0.05
Zr+Sc＝0.2
≤0.15
表2为具体实施例1-9的维氏硬度计值。
如表2：发明铝合金室温维氏硬度(Hv0.1)值
实施例
1
2
3
4
5
6
7
8
9
硬度值
62
71
69
72
72
73
73
75
80
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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