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Al-Sn系合金是一种在现代工业上被广泛应用的滑动轴承材料,尤其是在内燃机中应用最为广泛的AlSn20Cu轴承合金。随着现代发动机的发展,对传统的AlSn20Cu系轴承合金的摩擦磨损性能提出了更高要求。要获得具有优良摩擦磨损性能的Al-Sn合金,关键是要控制合金中Sn相的组织形态,即Sn相要尽可能的细小均匀且弥散分布在Al基体中。因此,本文采用机械合金化方法制备添加Cu元素的纳米复合结构Al-20％Sn轴承合金,探索球磨、压制以及烧结工艺,研究添加Cu元素后Al-20％Sn系合金的显微组织结构变化及摩擦磨损性能。
球磨实验表明：利用QM-1SP型行星式球磨机可以制备出Sn相均匀弥散分布的Al-Sn-Cu合金粉末。Al基体的晶粒细化和Sn相的弥散强化共同提高了合金的硬度；此外,球磨20 h后所加入的Cu元素开始溶入到Al中所形成Al(Cu)过饱和固溶体,也起到了强化作用。随着Cu含量的增加,合金的硬度也随之增加。
烧结实验表明：在球磨后的Al-Sn-Cu粉末压制烧结过程中,发现低压烧结可以获得致密度和硬度更高的合金块体,随着烧结温度的升高,Sn相发生长大,合金的硬度有所下降,但Sn相仍然保持均匀弥散的分布状态,硬度也比传统的轴承合金要高；并且随着Cu加入量的增加,合金的硬度也随之增加。研究添加4.5％Cu.的Al-20％Sn合金的烧结过程,发现当烧结温度达到200℃时,Al(Cu)固溶体开始明显发生脱溶析出,其析出相应该是CuAl2相。
摩擦磨损实验表明：烧结温度为450℃时,机械合金化制备的Al-Sn-Cu合金的耐磨性最好,且在高载荷下表现更突出；添加Cu的量为3％时,Al-20％Sn合金的耐磨性更优异,特别是在高载荷(147 N)下,其耐磨性优于未添加Cu的Al-20％Sn合金。由于添加Cu元素后,Al-20％Sn合金较难压制,造成烧结后合金的致密度较低(89％左右)。故粉末的结合较为松散、强度不高,导致添加Cu后Al-20％Sn合金的磨损率高于未添加Cu的Al-20％Sn合金(致密度92％左右)。
综上所述,机械合金化可以制备出Sn相均匀弥散分布的纳米复合结构的Al-Sn-Cu合金,Cu含量为3％的Al-20％Sn合金在450℃烧结后,其耐磨性最好。