李豐
(桂林航天工業(yè)學院,桂林 541004)
發(fā)動機朝著高速、重載、增壓強化的方向發(fā)展,其動力性提高了67%以上[1],發(fā)動機的主軸、連桿將承受更高的載荷,與主軸、連桿配套的軸瓦需要具備更高的承載能力。在軸瓦材料的生產(chǎn)工藝中,通過軋制將低碳鋼板和軸承合金冷軋鋼結(jié)成“鋼+軸承合金”的雙金屬軸瓦材料;通過電鍍、等離子噴涂形式在雙金屬基礎上加上涂層,形成“鋼+軸承合金+涂層”三金屬軸瓦材料。軸瓦材料本身的性能、軸瓦的結(jié)構設計、軸瓦的加工精度、裝配質(zhì)量、潤滑油質(zhì)量都是影響發(fā)動機滑動軸承運行質(zhì)量和壽命的主要因素,其中最核心、最本質(zhì)的因素來自于軸瓦材料的功能層合金性能。
目前,國內(nèi)軸瓦生產(chǎn)企業(yè)與軸瓦材料生產(chǎn)企業(yè)在技術開發(fā)“一體化”方面的合作不夠緊密,在軸瓦材料方面的技術開發(fā)合作比較少,沒有建立有效的技術信息互通、資源共享的合作機制,導致我國在軸瓦材料方面的研發(fā)能力較弱。國內(nèi)軸瓦材料的功能層合金基本參照歐美的牌號,軸瓦的技術開發(fā)主要集中在生產(chǎn)工藝優(yōu)化、結(jié)構設計、加工精度提升方面。軸瓦功能層鋁基合金材料主要有Al-Sn合金、Al-Pb 合金、Al-Si 合金、Al-Zn 合金、Al-Bi 合金。我國引入技術最早、使用最廣泛、生產(chǎn)工藝最穩(wěn)定、應用最成熟的是高錫系列的AlSn20Cu。Al?Sn20Cu(相當于SAE783),這種軸承合金Sn 質(zhì)量分數(shù)為18%~22%、Cu 質(zhì)量分數(shù)為0.7%~1.3%,含微量的Fe、Si、Mn 等元素,成材后的合金硬度在23~35 HB,疲勞強度在90~95 MPa 之間。AlSn20Cu 軸承合金有著優(yōu)越的耐磨性、順應性、嵌入性以及很強的抗咬合能力,但其抗疲勞能力較弱。找到一種既具備高疲勞強度又不犧牲滑動軸承其它功能特性,同時又滿足工業(yè)去鉛化環(huán)保要求、具備產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)條件的合金材料,對于發(fā)動機行業(yè)的發(fā)展是十分有意義的。以此為出發(fā)點,研究開發(fā)一種新型高強度鋁基滑動軸承合金,對該合金的成份構成進行研究,對其生產(chǎn)工藝展開試驗,對其性能進行測試和驗證。
a.圍繞抗疲勞、耐高溫、耐磨、抗咬合、嵌鑲性、順應性、耐腐蝕展開規(guī)劃[2]。
b.發(fā)動機軸瓦工作時承受交變載荷,既要傳送力又要承擔很高的表面速度,要求軸瓦合金結(jié)構上必須有軟質(zhì)元素來提供運行特性,同時必須有硬質(zhì)成份來保障其耐磨性和疲勞強度,通過多級結(jié)構優(yōu)化合金整體性能[3]。
c.不能選取對環(huán)境造成污染的重金屬,必須滿足工業(yè)“去鉛化”的要求。
d.鋁基軸承合金材料中軟質(zhì)元素必須具備低熔點(相對于鋁基)、流動性好、易熔焊、加工塑性好的性能特點。
e.軟質(zhì)元素的含量控制既要達到提高合金強度的要求,同時又不犧牲合金的摩擦學性能,即滿足包晶的需要又不至于產(chǎn)生大量的富軟質(zhì)金屬物質(zhì)[4]。
f.合金中加入改性元素,一是改善力學性能,二是改善組織結(jié)構[5-7]。
g.簡化鋁基滑動軸承合金材料的結(jié)構,去掉純鋁過渡層,以提高軸瓦的加工精度。
h.材料的結(jié)構也是影響其性能的重要方面,取消軸承合金與背襯層中間的純Al 過渡層,那么就需要將軟質(zhì)元素含量控制在一定的范圍內(nèi),避免在熱處理過程中因軟質(zhì)元素熔融而導致軸承合金層與鋼背層結(jié)合強度降低。
i.將新材料試驗研究與生產(chǎn)相融合。
試驗研究的條件依托于合作企業(yè)的生產(chǎn)設備、設施,在既有研究條件下開展工藝設計試驗是本研究取得成功的關鍵因素,同時,試驗研究成果產(chǎn)業(yè)化是本項目的初衷。
根據(jù)高負荷發(fā)動機軸瓦工況要求,將本研究的高強度鋁基滑動軸承合金名義構成定義為Al?Sn8Zn2Si1.5Cu1,成份質(zhì)量控制范圍見表1。
表1 AlSn8Zn2Cu1.5Si合金化學成份控制標準(質(zhì)量分數(shù))%
a.合金原材料牌號:Al99.5、ZA-35、Sn99.9、Cu-1、ZL108;
b.鋼背層原材料牌號:SPHC。
AlSn8Zn2Si1.5Cu1 材料制備工藝流程主要包含合金配置、合金熔煉、合金熱處理、合金表面處理、雙金屬復合、復合材料熱處理環(huán)節(jié),詳細工藝步驟見圖1。
圖1 AlSn8Zn2Cu1.5Si材料制備工藝流程
工頻化鋁電爐、雙面洗面機、75 kW 箱式熱處理爐、Φ300×700 軋機、120 kW 箱式熱處理爐、對滾剪床、龍門剪床、砂帶拋光機、Φ500×500 軋機、Φ360×400 軋機。
3.2.1 熔煉
各種原材料進爐前必須保持干凈、干燥,先入鋁融化,熔體溫度700 ℃以后再加入其它合金。小含量元素以中間合金的形式加入。熔煉過程中需要通氮氣攪拌,除渣。730 ℃熔煉過程中加入脫水ZnCl2精煉不少10 min。合金熔體需經(jīng)成分化驗合格后方可澆注,合金澆注模需事先預熱。
注:合金熔煉過程中特別要注意所添加原材料及模腔不能含水,否則高溫熔體容易發(fā)生爆炸,危及人身安全。
3.2.2 合金軋制
采用Φ300×700 軋機,轉(zhuǎn)速為16~18 r/min,合金開裂率(C)與壓下量(R)之間的關系見表2。
表2 AlSn8Zn2Cu1.5Si合金軋制工藝試驗數(shù)據(jù) %
從表2 數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論:
a.首次壓下量達到42%,合金板開裂率超過15%,壓下量為36%時,合金開裂率小于5%,之后開裂率下降幅度較小。首次壓下量工藝參數(shù)設定為36%。
b.二次壓下量30%時,合金板板開裂率超過7%,二次壓下量為27%時,合金開裂率小于5%。二次軋制壓下量工藝參數(shù)設定為28%。
c.當軋合金板總變形量達到52%或經(jīng)過2 次軋制后,必須進行去應力退火[8]。
3.2.3 合金熱處理
去應力退火以合金表面不出現(xiàn)肉眼可見錫珠為基準,過高的溫度或過長的保溫時間均可致使合金表面冒錫珠。經(jīng)驗證,新合金退火溫度355 ℃、保溫時間2 h 為宜,AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金熱處理工藝見圖2。
圖2 AlSn8Zn2Cu1.5Si合金熱處理工藝
3.2.4 雙金屬軋制
本研究中的軋制(也稱冷壓焊接)指的是,采用軋機通過一定的壓力將AlSn8Zn2Cu1.5Si 試驗合金與SPHC 2 種金屬軋結(jié)在一起,從而形成一種新型的軸瓦復合材料[9-10]。軋制是軸瓦材料制備中最重要的工藝,其基本原理如圖3 所示。
圖3 軋制原理示意
被軋制材料在2 個軋輥間運動,2 個軋輥的運動方向相反,材料在這種運動中減薄、變長。
在新材料軋制試驗中,當壓下量Δh小于36%時,雙金屬容易出現(xiàn)開殼、分層現(xiàn)象;當壓下量Δh大于45%時,合金表面容易出現(xiàn)波紋、爛邊,復合板鐮刀彎曲嚴重的情況,經(jīng)試驗確定表3 所示的冷壓焊接工藝參數(shù)及工序質(zhì)量標準。
表3 新材料軋制工藝參數(shù)
3.2.5 軸承材料熱處理
合金與鋼板軋結(jié)后,雙金屬鋼帶需要進行去應力及組織均勻化退火處理,退火溫度260 ℃,保溫時間6 h,且必須隨爐冷卻[11],成品熱處理工藝如圖4 所示。
圖4 軸承材料熱處理工藝
為驗證AlSn8Zn2Cu1.5Si 軸承合金材料的耐高溫性能,將它與高錫AlSn20Cu 合金、中錫Al?Sn8Si3Pb2Cu、低錫合金AlSn6CuNi 分別制作成規(guī)格的2.5+0.10-0.07×36×180 材料,測試溫度范圍為常溫~錫熔點(231.93 ℃)之間,設定7 組測溫點,同爐保溫,每個測溫點恒溫15 min 后進行測量,測量結(jié)果比較如圖5 所示。
圖5 合金層硬度與溫度的變化關系
由圖5 可知:AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金有著優(yōu)于其它3 種合金的性能;90~210 ℃區(qū)間,隨溫度的升高硬度下降比較平緩,說明其具備良好的高溫性能。
將熱處理后的AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金軸承材料樣品切片,研磨后其組織表面結(jié)構見圖6。
圖6 樣品拋光后的表面結(jié)構
從AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金層相圖來看,鋁基體上彌散分布著MgZn2、CuAl2、Al2Mg3Zn3、鋁鋅固溶體[12]、共晶硅硬質(zhì)相,且分布較為均勻,這種組織結(jié)構為材料的強度及其摩擦性能提供了良好的保障[13]。
4.3.1 試驗設計
a.試驗原理。
根據(jù)高速高載下軸瓦的運行環(huán)境,設計開發(fā)高強度軸瓦疲勞測試平臺,將AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金軸承材料制作成與疲勞測試機相匹配的半圓軸瓦。
軸瓦疲勞試驗機裝置[13]見圖7。
圖7 疲勞試驗裝置
b.試驗條件。
試驗環(huán)境越接近真實工況,試驗結(jié)果越有價值,為達到真實模擬高速高載下軸瓦的運行環(huán)境,對AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金試驗瓦測試環(huán)境作如表4的設計。
表4 試驗條件
4.3.2 疲勞試驗
為保證AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金試驗瓦測試達到設計的強度要求,將測試軸瓦寬度在標準瓦基礎上減小12.5 mm,使單位載荷量增加60%,試驗條件下的最大負荷達到95 MPa 以上,最大摩擦功耗增加105%[15],試驗發(fā)動機參數(shù)見表5。
表5 試驗發(fā)動機參數(shù)
試驗總體規(guī)劃如下。
a.徑向間隙≦0.05 mm,油膜厚度減少28%[16];
b.試驗總時長設定為120 h;
c.油溫115~130 ℃;
d.水溫100 ℃;
e.試驗單周期工況設計見表6。
表6 試驗工況設計
4.3.3 疲勞試驗結(jié)果
依據(jù)試驗規(guī)劃,按設計完成全部試驗內(nèi)容。試驗結(jié)束后,拆瓦結(jié)果見圖8。
圖8 合金摩擦面SEM圖
圖8 中,軸承合金未出現(xiàn)斷裂、合金層與鋼背層未出現(xiàn)剝落的現(xiàn)象,合金表面組織出現(xiàn)了小部分蝕坑、輕微脫皮,軸瓦合金表面的整體性保持較好,經(jīng)過120 h高強度測試后的軸瓦功能未失效。
AlSn8Zn2Cu1.5Si 是一種高強度鋁基滑動軸承合金,它不僅滿足滑動軸承的摩擦學性能同時還具備良好的高溫性能、抗疲勞性能,適用于制作高速、高載發(fā)動機軸瓦。本研究和試驗得到如下結(jié)論。
a.一種新型的高強度鋁基滑動軸承合金,其成份名義構成為AlSn8Zn2Cu1.5Si。
b.確定了AlSn8Zn2Cu1.5Si 軸承材料主要生產(chǎn)工藝。合金熔煉工藝,形成鋁熔體700 ℃后,再投入中間合金,730 ℃精煉不少于10 min;合金軋制首次壓下量36%、二次壓下量為28%;合金總變形量超過52%時,即需經(jīng)355 ℃保溫2 h 去應力退火處理;雙金屬冷壓焊接時,△h 應控制在總厚度的38%~42%之間;復合材料成型后,需要進行260 ℃保溫6 h 熱處理。
c.因加入了Zn、Cu、Si 和Mg,極大地改善了合金的性能,MgZn2、CuAl2、Al2Mg3Zn3、共晶硅、鋁鋅固溶體硬質(zhì)相顯著提高材料的強度及耐磨性。彌散分布的共晶硅,使得該合金在與球鐵曲軸配對時的抗咬合能力較高錫合金更為突出。
d.AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金與SPHC 之間不需要純鋁過渡層,可直接進行冷壓焊接。
e.AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金硬度比高錫合金平均高27.3%,且高溫下的性能更加穩(wěn)定。
f.合金表面無需電鍍,軸瓦尺寸控制更加精準,適合于小間隙運轉(zhuǎn),油膜減薄且均勻,軸瓦運行環(huán)境更加優(yōu)良,軸瓦的使用壽命更長。
g.高強度試驗結(jié)果表明,AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金與SPHC 粘接強度很高,疲勞強度比高錫合金高60%,可用于制作高速高載發(fā)動機的連桿瓦及主軸瓦。