Ａｌ－Ｐｂ合金轴瓦材料的发展综述南通纺织工学院倪红军摘要本文论述了Ａｌ－Ｐｂ合金取代Ａｌ －Ｓｎ合金用于内燃机轴瓦上的发展趋势，综述了生产ＡｌＰｂ合金轴瓦材料的主要方法，着重介 绍厂近年来新发展的钢背－Ａｌ－１０％Ｐｂ合金双金属复合轴瓦的轧制和水平连铸两次复合法。 关键词：轴瓦材料，Ａｌ－Ｐｂ合金，水平连铸复合ＩＡＩｔ轴瓦合金的发展和应用用作轴瓦材料 的合金，有以下七种性能要求“‘：抗疲劳性、耐磨性、抗咬合性、嵌镶性、顺应性、耐腐蚀性和 耐高温性。通常用作轴瓦合金的有软基体加硬质点的巴氏合金和硬基体加软质点的铜铅合金，铝基 合金则兼有软硬二方面的可能性匕‘，而且铝合金比起其它任何别的轴瓦材料都具有更为理想的综 合性能，另外，铝合金不仅导热性好，有利于降低轴瓦的工作温度，而且弹性模量低，能使材料在 高载荷下受到较小的应力或者在相同的应力下承受更大变形。在使用时，往往将铝合金复合在钢背 上作为钢背轴瓦结构使用，这样可以增加轴瓦的机械强度和尺寸形状的稳定性，还可以设计成结构 紧凑的薄壁轴瓦。因而在用作轴瓦的所有合金中，铝合金比起其它种轴瓦材料都更有吸引力。故从 １９３０年起，铝合金开始被用作轴瓦材料，随后使用逐渐广泛，特别是在二战之后，其使用量急 剧增加。作为轴瓦材料的铝合金应用得最广泛的有以下两组：第一组为不含“软”金属的铝合金， 这类合金Ｄ‘（如含４％ＣＵ的杜拉铝）用于制造单金属轴瓦，它们具有高的强度和硬度，但同巴 氏合金相比，耐磨性和抗剥落能力较低，并且轴颈的磨损也较大。第二组为含Ｓｎ、Ｃｄ或Ｐｈ的 铝合金。在３０年代末期，这类合金先在德国出现，并在英国得到广泛使用，随后，美、苏等国制 订出这些材料标准（表１）［‘］。目前，在国内外汽车、拖拉机的内燃机的轴瓦的工业生产中， 将合３％～２０％Ｓｎ的铝合金和钢板用轧制方法粘结在一起做为轴瓦材料得到了普通应用「’‘ （图１）。表１第Ｍ组合全的化学成分和机械性能图１高锡铝合金一铜板双金属示意图１．０８＄ 板２．纯铝３．高锡铝合金２ＡＩ－Ｐｈ轴瓦合金的发展和应用２．ＩＡＩ－Ｐｈ轴瓦合全的特点 从３０年代起，苏联着重研究了ＡＩ－Ｐｈ、ＡＩ－Ｓｂ合金系列［’ｊ。研究表明，含有几乎是 纯的Ｐｈ、Ｓｎ或Ｃｄ的夹杂物的软组织成分的铝合金，其突出的特点就是这些成分在于摩擦或半 液态摩擦条件下有独特的反应。利用放射性同位素的直接试验可证明：软组织的这种能力是以迁移 的形式在轴颈表面形成一层保护膜，急剧降低摩擦力，甚至在干摩擦条件下轴颈的表面也磨损得很 少。另外，由于铅是比锡更软的元素（Ｐｈ：ＨＢ—２．９～４．８，Ｓｎ：ＨＢ—５～６），并 且具有自润滑作用，能使摩擦生成物尺寸小，硬度小，因而减小了轴的磨损，并能长久地保持轴瓦 高的表面质量。对于应用于汽车、拖拉机等内燃机上的轴瓦，在一定条件下反复应变时，要不致疲 劳断裂，合金层必须有高的应变临界极限，即极限强度与弹性模数的比值ｂ／且ｂ；铅合金的弹性 模数远比锡合金小，一般不大于锡合金的１／３，所以前者Ａ／Ｅｂ比较大，即铅合金的应变极限 比锡合金大，故有着比锡合金高的疲劳强度ｋ‘（见图２）。困２各种轴瓦的疲劳寿命团３各种轴 瓦合金的抗咬粘性２．２Ａｌ－Ｐｈ轴瓦合全的发展和应用虽然含１０％一２０％Ｓｎ的ＡＩ－Ｓ ｎ合金已经得到了广泛的应用，但ＡＩ－Ｓｎ合金的抗咬粘性能欠佳，在与轴的配合方面，锡合金 的表面性能不如铅合金表面性能，ＡＩ－２０％Ｓｎ合金常引起较大的磨损；另一方面，Ｓｎ是矿 藏资源较稀少而用途多，消耗量大的金属。目前，Ｓｎ的世界年产量不过２４～２５万吨，反之， Ｐｈ的世界年产量为４１０万吨以上［’］，价格也仅为Ｓｎ的１／１０。研究表明，含有１５％ Ｐｈ的铝合金，其抗咬粘性能大大超过ＡＩ－２０％Ｓｎ合金（见图３）；ＡＩ－（８％－１１％ ）Ｐｈ合金具有与常用的高锡合金相同的耐磨性能，且优于巴氏合金；在ＡＩ－８．５％Ｐｈ合金 中加入少量Ｓｎ和Ｓｔ，其耐磨性和耐疲劳性能均高于ＡＩ－２０％Ｓｎ合金。因此，ＡＩ－－Ｐ ｂ合金自６０年代以后取得了很大的发展，是一种新型的滑动轴承材料。２．３国内有关Ａｌ－Ｐ ｈ合全的研究现状虽然ＡＩ－Ｐｂ合金比已广泛使用的ＡＩ－Ｐｂ合金比已广泛使用的ＡＩ－Ｓｎ 合金更具吸引力，但由于冶金方面的困难，这种轴瓦材料在我国发展较晚。从６０年代起，我国工 厂和研究院所对这种合金进行了研究，并逐步解决了Ｐｈ偏析及合金与金属衬背粘合的问题，使Ａ Ｉ－Ｐｈ合金的应用开发日趋成熟。３ＡＩ－Ｐｂ合金的研究方法３．ＩＡＩ－Ｐｂ合全的相图与 比重偏析由相图可知，在通常铝合金６８０～７５０ｔ的熔炼温度范围内熔铸ＡＩ－Ｐｂ合金，这 时合金液刚好处于液态两相分离区；由于ＡＩ与Ｐｈ的密度相差甚大（常温下ＡＩ为２．６９ｇ／ ｃｍ’，Ｐｈ为１１．３４ｇ／ｃｍｓ），则会出现富Ｐｈ的Ｌ。相沉积，导致偏析，这样就不符 合减磨合金材料的要求。因而，ＡＩ－Ｐｈ合金的推广和应用的关键就是解决如何获取以细小的球 状弥散地分布于ＡＩ基上的Ｐｈ粒的问题。３．２ＡＩ－Ｐｂ合全比直怕析解决措施在解决Ｐｈ偏 析问题方面，可采用以下４个措施（ａ）搅拌法（ｂ）粉末冶金法（。）超声波加活性元素联合处 理法（ｄ）轧制法。（ａ）法高温过热，铸锭中的温度梯度增加，难以消除Ｐｈ偏析，而强烈的搅 拌，加剧了合金的氧化。（ｂ）法是目前最为广泛采用，也是较为成功的一种方法，它的关键在于 如何获取ＡＩ－－Ｐｂ混合粉末或者是ＡＩ－Ｐｈ合金粉末（见图４、图６）。（Ｃ）法侧重于超 声波振荡加活性元素Ｎａ的联合处理，可使乳化金属的成分和Ｐｈ质点分布更均匀。（ｄ）法（见 图６）的一个最大不足就是在轧制成品中，Ｐｈ会严重变形，即使在高温退火条件下，Ｐｈ也不能 回复到原来的颗粒形状，而这种缺陷严重损害了轴瓦的疲劳性能。综上所述，轧制方法涉及到复杂 的工艺和昂贵的设备等难以解决。与此相反，铸造过程和工艺操作都比较简单，设备也不复杂，因 此受到了重视。困４混合粉末烧结法图５合金粉末烧结法图６轧制法３．３水平连铸复合法在生产 钢背ＡＩ－Ｐｂ合金轴瓦３．３．ＩＮ种铸造法如图７为：（ａ）水冷铜型铸造法（ｂ）直接水冷 铸造法（Ｃ）增润熔炼底注连铸法（ｄ）水平连铸复合法（见图７）。前三种方法中，（ａ）（ｂ ）有浇注不方便、生产率低、无法预热和合金液严重氧化的缺点，而（Ｃ）法则会因为合金液压头 难以控制，出现村背拉不动或“跑火”现象。（ｄ）法是在（Ｃ）基础上改用中间包控制压头，井 设计成底注、结晶器封闭的结构，其优点：门）采用了石墨结晶器导热效果好，并具有自润滑作用 ，因而可取消连铸生产中使用的润滑剂；（２）采用了底注和封闭结构，可以避免合金液和轴瓦衬 背接触面间产生氧化膜，并减少了石墨与空气的接触机会，延长了结晶器的寿命；（３）采用了外 加水冷铜套的石墨结晶器，易于控制冷却速度；（４）采用机械手段控制复合板速度，提高了劳动 生产率。图７铸造法生产ＡＩ－－Ｐｂ合金衬背轴瓦材料３．３．２水平连铸复合法生产ＡＩ－Ｐ ｈ合金一村背轴瓦的效果水平连铸复合法分两个过程：（ａ）通过轧制，以取得各种厚度的铝钢复 合板（即衬背），（ｂ）熔炼和进行连铸复合，使ＡＩ－１０％Ｐｈ合金与衬背粘合。采用水平连 铸法并机械控制拉持速度可以得到粘结良好的无偏析的ＡＩ－１０％Ｐｈ合金一衬背双金属轴瓦材 料。这种方法采用了以下工艺参数：（１）冷却速度５０～９０℃／Ｓ，（２）轧制铝衬厚０．１ ０～０．２５ｍｍ，（）合金层厚４．５～５．５ｍｍ，（４）拉铸速度１２～３０ｍｍ／ｓ。Ａ Ｉ～１０％Ｐｈ合金的组织为Ｐｈ相颗粒以细小的近似球状弥散地分布于基体上。Ｐｈ粒平均直径 为２．０ｐｍ左右；过渡层组织为ＦｅＡＩ、ＦｅＡＩ。和ＦｅＡＩ。组成，其厚度在１５～３０ 在Ｐｍ之间。采用连铸复合法得到的轴瓦材料粘结强度远远大于ＡＩ－２０％Ｓｎ合金（见图８） ，耐磨性也优于ＡＩ－２０％Ｓｎ合金（见表２），并且耐蚀性也同ＡＩ－２０％Ｓｎ合金差不多 （见图９）。因而，水平连铸复合法的实用性是其它任何方法所无法比拟的。图８各种条件下复合 材料粘结强度图９各种合金的耐蚀性４结束语表２各种合全的耐磨性试验结果作为一种新型的、成 本低廉和性能优良的轴瓦材料，ＡＩ－１０％Ｐｈ合金与轴瓦衬背的连铸复合技术，完全可以取代 现已广泛采用的ＡＩ－２０％Ｓｎ合金与轴瓦衬背的轧制复合技术，并应用于汽车拖拉机的内燃机 轴瓦生产上。为此，国内外专家学者正加紧进行生产试验，相信不久将取得成功从而获得巨大的社 会效益和经济效益。参考文献｜｜１浅野三郎等．孙敏麟译．国外汽车，１９８２（６）：５５２ 金盛方．机械工程材料，１９８１（１）：７７３施巴金ＡＨ．耐磨合金．吴振宝译．北京：冶金 工业出版社，１９５９，１６８４科瓦索夫主编．工业铝合金．韩秉诚译．北京：冶金工业出版社 ，１９８１，３９２５铸造有色合金手册编写组．铸造有色合金手册．北京：机械工业出版社，１ ９８６６龚建森等．现代铸造，１９８１（１）：５４７洪锦均等．机械工程材料，１９８１（３ ）：２３（编辑：陈渭臣）Al－Pb合金轴瓦材料的发展综述@倪红军$南通纺织工学院轴瓦材 料，Ａｌ－Ｐｂ合金，水平连铸复合本文论述了Ａｌ－Ｐｂ合金取代Ａｌ－Ｓｎ合金用于内燃机轴 瓦上的发展趋势，综述了生产ＡｌＰｂ合金轴瓦材料的主要方法，着重介绍厂近年来新发展的钢背 －Ａｌ－１０％Ｐｂ合金双金属复合轴瓦的轧制和水平连铸两次复合法。１浅野三郎等．孙敏麟译 ．国外汽车，１９８２（６）：５５２金盛方．机械工程材料，１９８１（１）：７７３施巴金ＡＨ．耐磨合金．吴振宝译．北京：冶金工业出版社，１９５９，１６８４科瓦索夫主编．工业铝合金．韩秉诚译．北京：冶金工业出版社，１９８１，３９２５铸造有色合金手册编写组．铸造有色合金手册．北京：机械工业出版社，１９８６６龚建森等．现代铸造，１９８１（１）：５４７洪
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