高負荷發(fā)動機軸承合金材料試驗與研究

李豐

（桂林航天工業(yè)學院，桂林 541004）

1 前言

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。

2 高強度鋁基滑動軸承材料設計

2.1 材料設計原則

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。

2.2 材料成份

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)）%

2.3 原材料規(guī)格

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。

3 AlSn8Zn2Si1.5Cu1材料制備工藝研究

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

3.1 材料制備中使用到的主要設備

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 材料制備主要工藝研究

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

4 AlSn8Zn2Si1.5Cu1合金軸承材料性能

4.1 高溫性能測試

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。

4.2 合金的組織分布

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 抗疲勞試驗

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。

5 結(jié)束語

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。