1、影响 20高锡/钢双金属材料粘结强度因素探讨娄兆云（上海核威实业有限公司, 上海 201615）摘 要：对影响 20 高锡/钢双金属材料粘结强度的几个主要因素进行了初步探讨，得出钢板、20 高锡合金板的表面处理、钢板的变形量、钢板/20 高锡合金板的原始厚度比、轧机的线速度、润滑油使用情况及成品退火均对粘结强度产生一定的影响。并提出了合理的控制方法，在实际生产中加以应用，能有效地提高粘结强度和产品质量。关键词：20 高锡/钢； 双金属材料； 粘结强度； 因素Study of Factors Influencing Adhesive Strengthof AlSn20Cu/Steel Bimet
2、alLOU Zhao-yun(Shanghai Hewei Industries Co.,Ltd.,Shanghai 201615,China)Abstract: After a preliminary study of the captioned factors, we have found out that surface treatment of both metals, distortion of steel plate, thickness ratio between the two metals, linear speed of the rolling line, lubrican
3、t used and the final annealing all influence the adhesive strength between the metals. A suitable method is proposed to control the influencing factors so as to increase the strength.Key words: AlSn20Cu/steel; bimetal; adhesive strength; influencing factors 0 前 言上世纪 50 年代前，国内外滑动轴瓦材料主要是采用巴氏合金、铜铅合金和整体
4、铝合金轴承。巴氏合金因疲劳强度低而不适用；铜铅材料由于价格昂贵和环境保护而发展潜力降低；前苏联、德国、日本先后研制并采用过的整体铝合金轴承同样由于线膨胀系数高、强度低、硬度高、顺应性和嵌入性差而不适用。随着发动机日益向高速和高增压强化方向发展，一种新型的复合材料20 高锡/钢复合材料逐步取代了巴氏合金、铜铅合金和整体轴承，它具有较高的疲劳强度、良好的相容性、嵌入性和耐蚀性。我国于 1964 年开始生产 20 高锡/钢双金属材料，上海东风有色合金厂于 1983 年引进了英国格来西亚 20 高锡/钢双金属复合材料的全套先进生产工艺。经过几十年的发展，20 高锡/钢双金属复合生产工艺日趋成熟，全国每
5、年的产量达 20 000 多 t。 20 高锡/钢双金属复合材料要发挥其固有的优良性能，合金层的金相组织和合金层与钢层之间的粘结强度是材料的两大关键。本文系作者在总结从事铝基复合材料生产多年的经验基础上，试图对影响20 高锡/钢双金属复合材料粘结强度的因素作一粗浅的探讨。收稿日期：2008-12-24作者简介：娄兆云（1965） ，男，浙江省人，工程师， 主要从事铝合金熔炼、轧制及与钢板复合工艺的研究。Tel：13795272239，E-mail：。1 生产原理20 高锡与钢背的结合采用复合轧制法，其生产工艺流程如图 1：20 高锡合金 纯铝 低碳钢板（SPHC）图 1 20 高锡/钢双金属材
6、料生产工艺流程滚边、冷轧20 高锡/钢双金属材料成品打 毛退 火复合轧制退 火熔 化 下 料冷 轧清 洗砂带抛光落断、校平包铝复合轧制浇 铸 酸 洗铸锭铣面刷光落断校 平从材料的生产工艺可知，20 高锡合金板在与 SPHC 钢板复合前处于冷加工状态,复合后该材料具有 4 层结构第一层（基层）钢板；第二层（过渡层）纯铝；第三层（耐磨层）20 高锡合金层；第四层（外表层）纯铝。第二层、第三层和第四层统称 20 高锡合金层。对粘结强度有影响的工序主要是 20 高锡合金板与钢板的复合工序，主要剥离界面为第一层与第二层。2 影响粘结强度的因素2.1 表面处理目前，国内大多数铝基双金属材料厂家的钢板抛光，
7、均采用砂带抛光机进行连续的砂带抛光，铝合金板采用钢丝刷光机单面刷光。经抛光处理后的钢板表面粗糙，且露出新鲜的银白色金属光泽，铝合金面新鲜呈银白色，在正确的操作程序下能够满足粘结强度 b60N/ 2的要求。但下列几种情况，会影响粘结强度：钢板、铝合金板抛光后长时间裸露于空气中。据有关资料报道,钢板的新鲜表面裸露在空气中 10h，其表面就会生成 30m的氧化层。而铝合金表面经打毛处理后，其新鲜表面更易吸潮和生成氧化膜。在复合轧制过程中，一部分能量就必须消耗在使铁、铝氧化膜破裂上，同时在接触界面上残留了铁和铝的氧化夹杂物，进而影响粘结强度，见图 2。实践证明，钢板、20 高锡合金板抛光后，在空气中的
8、搁置时间不宜超过 1 h。这种现抛现复的抛光工艺，能保证复合界面的粘结强度。图 2 位于铝合金层和钢背粘接中间面上的铁铝氧化夹杂物抛光后的钢背表面未处理干净，残留有铁质和砂质微粒。经砂带抛光的钢板复合面常残留有氧化的铁质微粒和砂带磨损掉下的砂粒。如果在复合时，没有清除干净，在纯铝与钢板结合面上，就会残留微小的砂粒和铁质夹杂物，影响粘结强度，见图 3。因此，对已抛光的钢板表面进行吹风、吸尘或在喂料时钢板侧敲一下，是十分必要的。图 3 铝合金层和钢背粘接中间面上残留的层状夹杂物钢板复合表面的粗糙程度。根据摩擦焊接观点，当两种原子半径相近、晶体结构相似、相互固溶度大的金属表面，经过处理后，在外力的作
9、用下，欲使其相互贴合，需沿两结合表面的凹凸部位获得足够能量的原子克服界面阻碍，并相互扩散、渗透、咬合才能形成焊接。一般而言，钢板新鲜面越粗糙，则钢板、20 高锡合金板接触面积就越大，越易咬合。因此,采用适度增加结合面的粗糙度来增加两结合面的接触面积，能有效解决复合层的结合。我公司曾有一实例，在 2007 年在生产 20 高锡/钢双金属材料时，采用 16的钢板，由于当时没有大型矫直机，砂带抛光机不能确保每一部位均抛到，未抛到部位只能采用手工抛光。结果在成品复合时，采用 48%的加工率，亦不能粘合。而在目前的工况条件下，为了保证复合面具有足够的粗糙度，规定了每条砂带的抛光面积，进而解决了界面结合问
10、题，保证了粘结强度。铝合金板表面，纯铝皮不能破裂。纯铝皮破裂部位，被钢丝刷刷过后，游离态的锡相暴露在表面，若直接与钢板复合，由于锡在铁中的溶解度几乎为零，且两种元素的晶体结构不同，在结合面就不能有效的焊接。同时，退火时沿开裂部位“铝锡”共晶体析出在钢板上，形成坚硬的锡瘤。2.2 钢板变形量目前，国内对薄规格的 20 高锡/钢双金属材料，为保证粘结强度，钢板的变形量均采用 4050%，这已被实践所证明是正确的。但当合金层厚度1.0时，必须增大钢板的变形量，粘结强度才符合要求。我公司曾生产 3.42.4122840 规格的 20 高锡/钢复合材料，使用 4.5的钢板。在进行弯曲试验时，发现合金层与
11、钢层剥离长度为 10，不合格。后重新生产，在同样的工况条件下，采用 5.0的钢板，材料弯曲试验时，粘结强度良好。这是因为钢板变形量越大,金属得到的塑性变形功就越大，同时强烈的塑性变形产生的变形热，使界面原子处于激发状态，能够克服界面的氧化膜障碍和能级障碍，连续不断地形成金属键，实现点结合。2.3 钢板/20 高锡合金板的原始厚度比值从几年来的生产实际来看，钢板/20 高锡合金板的原始厚度比对粘结强度的影响是非常大的，尤其是在生产合金层厚度大于 1.0的 20 高锡/钢双金属材料时，影响尤为明显。例如:我公司 2006 年第一次生产某厂家材料时，材料规格：3.452.051851400,采用钢板
12、/20 高锡合金板的原始厚度比值为 1.298，出厂弯曲检验时，剥离长度大于 10，不合格。后增加了钢板变形量，此问题得到了有效解决。同样，在生产该厂家另一种规格的材料时，材料规格：5.03.61851400，采用钢板/20 高锡合金板的原始厚度比值为 2.33。在几乎相同的总加工率和钢板变形量的前提下，由于提高了钢板/20 高锡合金板原始厚度的比值，就没有出现粘结强度不好的问题。对此现象，作者的解释是：当钢板/20 高锡合金板的原始厚度比值接近 1 或者小于 1，且合金板厚度远大于2.0时，轧机所给予的变形功主要消耗于钢板、合金板的塑性变形上。接触界面的能量不能有效集中，就不能突破界面能量障
13、碍形成有效的点结合，我们俗称此现象为“变形不深透” 。 当钢板/20 高锡合金板的原始厚度比值大于 2 时，在一定的加工率下，轧制过程产生的变形功，一部分用于使钢板、合金板产生塑性变形，另一部分能量则优先穿透合金板，转移到接触界面，形成有效的点结合。2.4 轧机线速度和润滑油流量轧机线速度对粘结强度的影响（指条块式生产） ，主要集中于两个方面线速度大，变形金属所获得的瞬时变形功必然小，作用于界面上的压力就小；线速度大，变形金属在变形区中停留时间短，即变形金属承受平均单位压力的时间短，双金属结合界面上的金属质点来不及完全的“渗透” 、 “咬合” ，难以形成连续不断的点结合，从而减弱粘结强度。据多
14、年的经验，钢板/20 高锡合金板复合，理想的线速度为0.050.15m/s 。润滑油对粘结强度的影响主要是在辊温很高时，过多使用润滑油，辊面会形成油气，进入结合面，进而影响粘结强度。因此，实际生产操作时轧辊中的润滑油流量应该适度控制。一般而言，在辊面上形成一层薄薄的油膜即可。2.5 退火温度和退火时间成品退火的作用：一是消除合金的加工硬化得到理想的金相组织；二是在钢板/20 高锡合金板结合面上加速原子扩散、渗透，形成牢固的面结合。选择合适的退火温度和退火时间能有效地提高 20 高锡/钢双金属材料的粘结强度和合金的力学性能。3 结束语针对影响钢板与 20 高锡合金板粘结强度因素的初步分析，要提高
15、 20 高锡/钢板双金属材料的粘结强度，应着重控制以下几方面的工作：钢板表面新鲜、洁净、粗糙，无残留氧化物和砂粒，20 高锡合金板表面新鲜、洁净，抛光后空间搁置时间不超过 1h，力求做到现抛现复；当合金层厚度1.0时，需加大钢板的变形量；钢板/20 高锡合金板原始厚度比2 时，结合面具有良好的粘结强度；钢板/20 高锡合金板原始厚度比1.5 时, 需加大钢板变形量；条块式生产时，复合轧机的轧制线速度不能过快，以 0.050.15m/s 为佳；润滑油流量以在辊面上形成一层薄薄的油膜、轧制时不发生干摩擦即可；复合后的 20 高锡/钢双金属材料选择合适的温度、时间进行退火，可保证合金的力学性能，增加
16、粘结强度。必须指出的是：以上几个方面因素是相互作用、相辅相成的。任一因素发生改变，将对粘结强度产生不良影响，从而不能满足界面的有效复合。参考文献：1 李柱国. 内燃机滑动轴承 M. 上海: 上海交通大学出版社, 2003: 59-61.2 龚惠芳, 詹荷生, 陈宝田, 等. 金属材料学 M. 北京: 中央广播电视大学出版社, 1984：293.3 李柱国 , 陈伯贤. 轴承寿命分析M 上海: 上海交通大学出版社, 1982: 14-15.4 李兴刚, 李宝绵, 许光明, 等. 液固相轧制复合法生产含硅中锡铝合金 /钢复合轴瓦带的组织和界面J. 东北大学学报(自然科学版), 2002， 23(12)：1179.
