專利名稱：軸瓦用復合材料及其制備方法
軸瓦用復合材料及其制備方法技術領域
本發明屬于軸瓦材料技術領域，尤其涉及一種軸瓦用復合材料及其制備方法。
技術背景
軸瓦是發動機的重要零件之一，軸瓦材料的性能會影響發動機的使用性能、可靠性和使用壽命。隨著發動機向高速、高壓、大功率、低能耗等方向發展，要求軸瓦材料滿足安全可靠、良好的順應性和嵌藏性、抗咬合性、抗高溫性、高抗疲勞性和承載能力、耐磨減磨性等要求。
現有技術公開了多種用于軸瓦的材料，其中，鋁基合金由于具有較好的抗咬合性、 耐磨減磨性、耐腐蝕性等綜合性能逐漸取代巴氏合金和銅合金成為使用最為廣泛的軸瓦材料之一。含鉛鋁合金雖然能夠滿足軸瓦材料的使用要求，但是，其含有鉛，不僅在合金熔鑄時會產生危害人體健康的有毒氣體，而且在軸瓦使用過程中會污染潤滑油，給發動機修理或報廢后的處理帶來問題。因此，無鉛鋁合金成為目前研究的熱點之一。
公開號為CN102041413A的中國專利文獻公開了一種中錫鋁合金軸瓦材料，包括 2. 4wt% 2. 6wt%&Si，12wt% 14wt% 的 Sn，lwt% 5wt% 的 Cu，0. 4wt% 0.Cr,0. 6wt% 0. 8wt%的Ni和余量的鋁，該中錫鋁合金雖然具有較好的抗咬合性和耐磨性能，但其含硅量較高，不僅會削弱鋁合金的抗疲勞強度和韌性，而且不能實現減磨功能；韓建芬等公開了一種在Al-Sn-Si合金中加入0. 8wt % 1. 8wt %的Cu和0. 3wt % 0. 9wt % 的Mg作為強化相的鋁合金軸瓦材料(韓建芬，李寶綿，劉麗平，等.高強度Al-Sn-Si-Cu-Mg 軸瓦材料的研究.輕合金加工技術，2005，33 O) :48-51)，該鋁合金材料的強度和延長率雖然較高，但其抗高溫性能和耐磨減磨性能較差；朱福生等公開了一種添加有 6wt% 的ai、lwt% 3襯％的Si和Iwt% 3襯％的Cu的鋁合金軸瓦材料(朱福生，李立新，劉秀珍.鋁鋅合金軸瓦材料的研究.南方金屬，2009，171 :11-15)，該鋁合金具有較好的力學性能，但其延伸率和耐磨減磨性能較差；王小剛等公開了一種Si含量為3. 7wt% #t%、 Cu含量為4. 2wt% 5wt%、Si含量為0. 6wt%的鋁合金軸瓦材料(王小剛，李立新，葉奔， 等.Al-Si-Cu-Si合金軸瓦材料的研究.南方金屬，2011，180 1_5)，該鋁合金雖然具有良好的力學性能，但其承載能力和耐磨減磨性較差。發明內容
有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供一種軸瓦用復合材料及其制備方法，本發明提供的軸瓦用復合材料具有良好的力學性能、耐高溫性、抗咬合性和耐磨減磨性，用作軸瓦時具有良好的綜合性能。
本發明提供了一種軸瓦用復合材料，包括
0. 5wt % 1. 5wt % 的 Zn ；
Iwt % 3wt % 的 Cu ；
0. Iwt % 0. 5wt % 的 Si ；
2wt % 5wt % 的 Sn，
0. 2wt % 0. 7wt % 的 Ti3SiC2 ；
0. 2wt% 0.(Ti，Al，Si，C)N ；
余量的Al。
優選的，包括0. 25wt%~ 0. 65wt%^ Ti3SiC2。
優選的，包括0. 25wt% 0.(Ti，Al，Si，C)N。
優選的，所述Ti3SiC2為納米Ti3SiC2。
優選的，所述(Ti，Al，Si，C)N為納米(Ti，Al，Si，C)N。
優選的，包括0. 7wt% 1.3wt%&Zn。
優選的，包括1. 2wt% 2. 8wt%^ Cu。
優選的，包括0. 15wt% 0.Si。
優選的，包括2. 5wt%~ 4. 5wt%^ Sn。
本發明還提供了一種軸瓦用復合材料的制備方法，包括以下步驟
將Si源、Cu源、Si源、Sn源、Al源、Ti3SiC2和(Ti，Al，Si，C)N熔煉、攪拌后得到軸瓦用復合材料。
與現有技術相比，本發明提供的軸瓦用復合材料包括0. 5wt% 1. 5wt%的Si ； Iwt% Cu ；0. Iwt % 0.Si ；2wt% Sn，0. 2wt% 0. Ti3SiC2 ；0. 2wt% 0. (Ti，Al，Si，C)N ；余量的 Al。本發明以含有少量 Si、Cu、Si、 Sn等元素的Al合金為基體，在鋁合金基體中彌散分布Ti3SiC2層狀陶瓷粒子和(Ti,Al, Si, C)N超硬粒子得到復合材料，提高了鋁合金的抗疲勞強度、耐熱性、承載能力和耐磨減磨性， 用作軸瓦具有良好的使用性能和較長的使用壽命。本發明以Si和Sn為軟相，增強復合材料的塑性，使得軸瓦具有良好的嵌藏性、順應性和抗咬合性；本發明以Cu為強化相，提高復合材料的力學性能和抗疲勞強度，使得軸瓦具有良好的力學性能；本發明還包括Si，提高復合材料的耐磨性能、抗疲勞強度和抗咬合性，降低合金的線膨脹系數；本發明在鋁合金基體中彌散分布Ti3SiC2層狀陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N超硬粒子，提高得到的復合材料的抗疲勞強度、耐熱性、承載能力和耐磨減磨性能，從而獲得綜合性能良好的軸瓦。實驗表明， 本發明提供的復合材料的抗拉強度可達200N/mm2以上，屈服強度可達70N/mm2以上，伸長率可達20%以上，布氏硬度可達65HB以上，可耐160°C以上高溫，同時其順應性、嵌藏性、耐蝕性、承載能力和耐磨減磨性能均優于AlSn20Cu軸瓦材料。
具體實施方式
本發明提供了一種軸瓦用復合材料，包括
0. 5wt % 1. 5wt % 的 Zn ；
lwt% Cu ；
0. Iwt % 0. 5wt % 的 Si ；
2wt % 5wt % 的 Sn，
0. 2wt % 0. 7wt % 的 Ti3SiC2 ；
0. 2wt% 0.(Ti，Al，Si，C)N ；
余量的Al。
本發明提供的軸瓦用復合材料以含有少量ai、Cu、Si、Sn等元素的Al合金為基體， 在鋁合金基體中彌散分布Ti3SiC2層狀陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N超硬粒子，提高了鋁合金的抗疲勞強度、耐熱性、承載能力和耐磨減磨性，用作軸瓦具有良好的使用性能和較長的使用壽命。
本發明提供的軸瓦用復合材料以Al為基體元素，鋁的氧化物硬度大、承載能力強，用作軸瓦材料時具有良好的性能。
本發明提供的軸瓦用復合材料中包括Si，鋅的氧化物較軟，具有六方晶結構，可起到潤滑劑的作用，增強鋁合金的耐磨性。同時，在鋁合金中添加適量鋅能夠增加鋁合金的塑性，從而提高鋁合金的嵌藏性和順應性，但是，Zn的添加量高于1. 5wt%時，鋁合金的抗拉強度、屈服強度會下降。在本發明中，所述Si的含量為0. 5wt % 1. 5wt %，優選為 0. 7wt % 1. 3wt %，更優選為 0. 8wt % 1. 2wt %。
本發明提供的軸瓦用復合材料中包括Cu，Cu作為強化相，可以固溶到鋁中或與鋁生成化合物，從而提高鋁合金的力學性能和抗疲勞強度，但是，Cu含量高于3wt%時，會降低鋁合金的耐腐蝕性和延伸率，從而影響復合材料的嵌藏性和順應性。在本發明中，所述Cu 的含量為Iwt % 3wt%，優選為1. 2wt% 2. 8wt%，更優選為1. 5wt% 2. 5wt%。
本發明提供的軸瓦用復合材料還包括Si，Si可以提高軸瓦材料的耐磨性能、抗疲勞強度和抗咬合性，降低合金的線膨脹系數。但是，Si含量過高時，得到的鋁合金的抗疲勞強度和伸長率會下降，同時，Si具有較高的摩擦系數，含量過高時不能實現軸瓦用復合材料的減磨性能。在本發明中，所述Si的含量為0. ^^^ 化日襯^，優選為化15wt% 0. 45wt %，更優選為 0. 2wt % 0. 4wt %。
本發明提供的軸瓦用復合材料還包括Sn，Sn作為軟相加入，可提高合金的抗咬合性、嵌藏性和順應性；Sn含量低時能夠改善鋁合金的抗疲勞性能，但其含量過高時，會使鋁合金的硬度和抗拉強度等力學性能下降。在本發明中，所述Sn的含量為2wt% 5wt%，優選為2. 5wt % 4. 5wt %，更優選為3wt % 4wt %。
本發明提供的軸瓦用復合材料還包括Ti3SiC2, Ti3SiC2是一種具有三元層狀結構的碳化物，屬于陶瓷，同時具有金屬和陶瓷的優異性能，如在常溫時具有良好的導熱和導電性能；良好的抗熱震性；易加工性；良好的高溫塑性；較高的屈服強度；較高的熔點；較高的熱穩定性；良好的抗氧化性能和良好的耐腐蝕性能等。在本發明中，所述Ti3SiC2優選為納米尺寸的Ti3SiC2,即納米Ti3SiC2。在鋁合金中加入Ti3SiC2能夠提高鋁合金的抗疲勞強度、耐熱性、承載能力和耐磨減磨性能。在本發明中，所述Ti3SiC2的含量為0.2wt% 0. 7wt %，優選為 0. 25wt % 0. 65wt %，更優選為 0. 3wt % 0. 6wt %。
本發明提供的軸瓦用復合材料還包括(Ti，Al，Si，C)N，(Ti，Al，Si，C)N是一種具有納米晶/非晶復合結構的超硬粒子，具有較高的硬度，能夠提高鋁合金的硬度和耐磨減磨性能。在本發明中，所述(Ti，Al，Si，C)N優選為納米尺寸的(Ti，Al，Si，C)N，即納米 (Ti, Al, Si, C)N。所述(Ti，Al，Si，C)N 的含量為 0. 2wt% 0. 8wt%，優選為 0. 25wt% 0. 75wt%，更優選為0. 3wt% 0. 7wt%。本發明對所述(Ti，Al，Si，C)N的來源沒有特殊限制，可以從市場上購買，如西北有色金屬研究院研制的(Ti，Al，Si，C)N超硬粒子。
本發明還提供了一種軸瓦用復合材料的制備方法，包括以下步驟
將Si源、Cu源、Si源、Sn源、Al源、Ti3SiC2和(Ti，Al，Si，C)N熔煉、攪拌后得到軸瓦用復合材料。
在本發明中，所述Si源可以為鋅錠，也可以為Si-Al中間合金，優選為純度為99. 9%以上的鋅錠；所述Cu源可以為銅錠，也可以為Cu-Al中間合金，優選為純度為 99. 9%以上的銅錠；所述Si源優選為Al-Si中間合金；所述Sn源可以為純錫，也可以為 Sn-Al中間合金，優選為純度為99. 9%以上的純錫；所述Al源可以為鋁錠，也可以為Si-Al 中間合金、Cu-Al中間合金、Al-Si中間合金等，優選為純度為99. 9%以上的鋁錠；所述 Ti3SiC2即為市售的粉體或粒子，(Ti，Al，Si，C)N為市售的粉體或粒子。
將上述各原料按照重量配比混合后進行熔煉，熔煉的同時進行攪拌，得到復合材料。在本發明中，所述熔煉的溫度優選為660°C 680°C，更優選為665°C 675°C ；所述熔煉的時間優選為20min 40min，更優選為25min 35min ；所述攪拌的轉速優選為400轉 /min 700轉/min，更優選為500轉/min 650轉/min。本發明優選在電阻爐坩堝中進行熔煉，優選采用雙筒式機械攪拌器進行攪拌。
熔煉完畢，將所述熔煉物進行壓鑄，即可得到所需尺寸和形狀的軸瓦。
得到軸瓦后，對所述軸瓦進行成分分析，其具有上述技術方案所述的組成。
得到軸瓦后，對所述軸瓦進行力學性能測試，結果表明，其抗拉強度可達200N/mm2 以上，屈服強度可達70N/mm2以上，伸長率可達20%以上，布氏硬度可達65HB以上；
得到軸瓦后，對所述軸瓦進行耐高溫測試，結果表明，其可耐160°C以上高溫；
采用“藍寶石疲勞試驗臺”測試所述軸瓦試樣的抗疲勞強度；采用“鹽霧試驗箱IlJ 試所述軸瓦試樣的抗腐蝕性能，具體條件為連續噴霧8小時，間歇16小時，24小時為一周期，共M周期；采用“磨損試驗機”測試所述軸瓦試樣的耐磨損性能，具體條件為196N載荷，400轉/分鐘，干摩擦，摩損時間0. 5小時；測試所述軸瓦試樣的抗咬合溫度，結果表明， 其上述性能均優于AlSn20Cu軸瓦材料。
本發明以含有少量Zn、Cu、Si、Sn等元素的Al合金為基體，在鋁合金基體中彌散分布Ti3SiC2層狀陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N超硬粒子得到復合材料，提高了鋁合金的抗疲勞強度、耐熱性、承載能力和耐磨減磨性，用作軸瓦具有良好的使用性能和較長的使用壽命。本發明以和Sn為軟相，增強復合材料的塑性，使得軸瓦具有良好的嵌藏性、順應性和抗咬合性；本發明以Cu為強化相，提高復合材料的力學性能和抗疲勞強度，使得軸瓦具有良好的力學性能；本發明還包括Si，提高復合材料的耐磨性能、抗疲勞強度和抗咬合性， 降低合金的線膨脹系數；本發明在鋁合金基體中彌散分布Ti3SiC2層狀陶瓷粒子和(Ti，Al， Si，C)N超硬粒子，提高得到的復合材料的抗疲勞強度、耐熱性、承載能力和耐磨減磨性能， 從而獲得綜合性能良好的軸瓦。
為了進一步說明本發明，以下結合實施例對本發明提供的軸瓦用復合材料及其制備方法進行詳細描述。
以下各實施例中，Ti3SiC2納米陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N納米超硬粒子均購自西北有色金屬研究院。
實施例1
以純度大于99. 9%的鋁錠、鋅錠、純錫、純銅、Al-18Si中間合金、Ti3SiC2納米陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，(川納米超硬粒子為原料，按照0.6 丨％的&1、1 丨％的01、0. Iwt% 的 Si,2. 8wt%^ Sn、0. 7wt%^ Ti3SiC2、0. 8wt%^ (Ti，Al，Si，C)N 和 94. Owt% ^ Al 配料3. 0kg，加入電阻爐坩堝中，660°C進行熔煉，同時采用速度為600轉/min的雙筒式機械攪拌器攪拌30min，然后壓鑄成厚度為IOmm的軸瓦試樣。取樣分析所述軸瓦組分的成分及含量，結果如下0. 5wt%的ai、lWt%的Cu、 0. Si、2.Sn、0.Ti3SiC2、0.(Ti，Al，Si，C)N 和 94.Al。對所述軸瓦試樣進行力學性能分析，結果參見表1，表1為本發明實施例提供的軸瓦試樣的力學性能結果；對所述軸瓦試樣進行耐熱性能分析，結果表明，本發明提供的軸瓦試樣可耐180°C 尚溫；采用“藍寶石疲勞試驗臺”測試所述軸瓦試樣的抗疲勞強度；采用“鹽霧試驗箱”測試所述軸瓦試樣的抗腐蝕性能，具體條件為連續噴霧8小時，間歇16小時，24小時為一周期，共M周期；采用“磨損試驗機”測試所述軸瓦試樣的耐磨損性能，具體條件為196N載荷，400轉/分鐘，干摩擦，摩損時間0. 5小時；測試所述軸瓦試樣的抗咬合溫度，結果參見表2，表2為本發明實施例及比較例提供的軸瓦試樣的性能參數。實施例2以純度大于99. 9%的鋁錠、鋅錠、純錫、純銅、Al-18Si中間合金、Ti3SiC2納米陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N納米超硬粒子為原料，按照1.2財％的&1、2財％的01、0. 3wt% 的 Si,4. 9wt%^ Sn、0. 4wt%^ Ti3SiC2、0. 5wt%^ (Ti，Al，Si，C)N 和 90. 7wt%^ Al 配料 3. 0kg，加入電阻爐坩堝中，670°C進行熔煉，同時采用速度為600轉/min的雙筒式機械攪拌器攪拌30min，然后壓鑄成厚度為IOmm的軸瓦試樣。取樣分析所述軸瓦組分的成分及含量，結果如下lwt %的ai、2wt %的Cu、 0. Si、3.Sn、0.Ti3SiC2、0.(Ti，Al，Si，C)N 和 92.Al。對所述軸瓦試樣進行力學性能分析，結果參見表1，表1為本發明實施例提供的軸瓦試樣的力學性能結果；對所述軸瓦試樣進行耐熱性能分析，結果表明，本發明提供的軸瓦試樣可耐180°C 尚溫；采用“藍寶石疲勞試驗臺”測試所述軸瓦試樣的抗疲勞強度；采用“鹽霧試驗箱”測試所述軸瓦試樣的抗腐蝕性能，具體條件為連續噴霧8小時，間歇16小時，24小時為一周期，共M周期；采用“磨損試驗機”測試所述軸瓦試樣的耐磨損性能，具體條件為196N載荷，400轉/分鐘，干摩擦，摩損時間0. 5小時；測試所述軸瓦試樣的抗咬合溫度，結果參見表2，表2為本發明實施例及比較例提供的軸瓦試樣的性能參數。實施例3以純度大于99. 9%的鋁錠、鋅錠、純錫、純銅、Al-18Si中間合金、Ti3SiC2納米陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N納米超硬粒子為原料，按照1.8wt%mai、3wt%&Cu、0. 5wt% 的 Si,7wt%^ Sn、0. 2wt % ^ Ti3SiC2、0. 2wt % ^ (Ti, Al, Si, C)N 禾口 87. 3wt % ^ Al 配料 3. 0kg，加入電阻爐坩堝中，680°C進行熔煉，同時采用速度為600轉/min的雙筒式機械攪拌器攪拌30min，然后壓鑄成厚度為IOmm的軸瓦試樣。取樣分析所述軸瓦組分的成分及含量，結果如下1. 5wt %的ai、3wt %的Cu、
70. 5wt%&Si、5wt%mSn、0. 2wt% 的 Ti3SiC2、0.(Ti，Al，Si，C)N和 89. 6wt%&Al。對所述軸瓦試樣進行力學性能分析，結果參見表1，表1為本發明實施例提供的軸瓦試樣的力學性能結果；表1本發明實施例提供的軸瓦試樣的力學性能結果
權利要求
1.一種軸瓦用復合材料，包括 0. 5wt% 1.Zn ； lwt% Cu ；0. lwt% 0.Si ；2wt% Sn ；0. 2wt% 0.Ti3SiC2 ；0. 2wt% 0.(Ti，Al, Si, C)N ；余量的Al。
2.根據權利要求1所述的復合材料，其特征在于，包括0.25^^-0.65^^^3TlgSl Cg ο
3.根據權利要求1所述的復合材料，其特征在于，包括0.25^^-0.75^ ^^(Ti， Al, Si, ON0
4.根據權利要求1所述的復合材料，其特征在于，所述Ti3SiC2為納米Ti3SiC2。
5.根據權利要求1所述的復合材料，其特征在于，所述(Ti，Al，Si，C)N為納米(Ti，Al， Si, C)No
6.根據權利要求1 5任意一項所述的復合材料，其特征在于，包括0.7wt % 1.Zn。
7.根據權利要求1 5任意一項所述的復合材料，其特征在于，包括1.2Wt% 2.Cu。
8.根據權利要求1 5任意一項所述的復合材料，其特征在于，包括0.15wt % 0. 45wt%^ Si。
9.根據權利要求1 5任意一項所述的復合材料，其特征在于，包括2.5wt % 4. Sn。
10.一種軸瓦用復合材料的制備方法，包括以下步驟將Si源、Cu源、Si源、Sn源、Al源、Ti3SiC2和(Ti，Al，Si，C)N熔煉、攪拌后得到軸瓦用復合材料。
全文摘要
本發明提供了一種軸瓦用復合材料，包括0.5wt％～1.5wt％的Zn；1wt％～3wt％的Cu；0.1wt％～0.5wt％的Si；2wt％～5wt％的Sn；0.2wt％～0.7wt％的Ti3SiC2；0.2wt％～0.8wt％的(Ti，Al，Si，C)N；余量的Al。本發明還提供了一種軸瓦用復合材料的制備方法。本發明以含有少量Zn、Cu、Si、Sn等元素的Al合金為基體，在鋁合金基體中彌散分布Ti3SiC2層狀陶瓷粒子和(Ti，Al，Si，C)N超硬粒子得到復合材料，提高了鋁合金的抗疲勞強度、耐熱性、承載能力和耐磨減磨性，用作軸瓦具有良好的使用性能和較長的使用壽命。
文檔編號C22C21/00GK102517479SQ201210009149
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者劉存波, 華云峰, 周琳, 樊新宇, 田從豐, 趙勇 申請人:山推工程機械股份有限公司