（材料物理与化学专业论文）内生颗粒增强al10sn复合减摩材料的研究.pdf

内生颗粒增强a i 10 s n 复合减摩材料的研究 摘要 寻找一种摩擦磨损性能好、成本低、无污染的新型轴承减摩材料是当 今轴承减摩材料研究的一个重点。本文在对“a i k b f 4 一k z t i f 6 一n a 3 a l f 6 ” 反应体系进行热力学分析的基础上，采用混合盐反应法制备了一种新型的 铝基减摩材料一内生颗粒增强t i b 2 拍。1 1 0 s n 复合减摩材料。通过x 射线衍 射仪、扫描电子显微镜、万能材料硬度仪等仪器对复合材料的物相、组织、 硬度进行了分析、观察和测定；在摩擦试验机上研究了复合材料和基体合 金的滑摩擦磨损性能；最后对复合材料和基体合金的冷轧再结晶进行了较 为系统的研究。 试验结果表明：( 1 ) 复合材料主要由( a 1 ) ，1 3 ( s n ) 和t i b 2 三相组织， 并未发现t i a h 等其他相。复合材料中内生t i b 2 颗粒呈近似球状，其尺寸 约在0 8 pi n 1 5 1 1i n 之间，主要分布在q ( a i ) 与共晶b ( s n ) 的交界处，呈 s n 包t i b ：复相组织。( 2 ) 与基体合金相比，复合材料的承载能力和耐磨 性显著提高，且在中高载荷时仍保持较好的减摩性，但低载时基体合金的 减摩性较好。( 3 ) 随载荷的增加，材料的摩擦系数和磨损失重都有所增大。 低载荷时以轻微磨粒磨损为主；在中高载荷时磨粒磨损加剧，并伴有轻微 的粘着磨损和疲劳剥层；高载荷时出现了磨粒磨损和粘着磨损并重的磨损 状态。( 4 ) 随冷轧变形程度的增加，复合材料和基体合金的近似等轴状的 组织逐步被沿轧制方向拉长成典型的“纤维状组织”。冷变形量的增加使 材料的硬度、强度等力学性能显著提高。( 5 ) 与基体合金相比，内生t i b ： 颗粒的存在有效抑制了复合材料再结晶转变，提高了再结晶温度。( 6 ) 测 定出了复合材料和基体合金在7 5 冷变形时的等温再结晶动力学曲线，为 材料退火工艺的制定提供了重要参考依据。( 7 ) 通过硬度一时问关系曲线， 计算出了复合材料和基体合金的再结晶激活能，前者为9 2 9 8 k j t o o l ，后者 为8 3 1 6 k j t o o l 。这说明弥散细小的t i b 2 颗粒增强了原子扩散的势垒，提 高了复合材料再结晶软化抗力和热稳定性。 关键词：内生颗粒减摩材料摩擦磨损性能冷轧变形再结晶 s t u d yo nl n s i t up a r t i c l e r e i n f o r c e da i 一10 s n m a t r i xa n t i f r l c t l o nc o m p o s i t e s a b s t r a c t i ti sa ni m p o r t a n to b j e c tf o rm a t e r i a lr e s e a r c h e rt od e v e l o pan e wb e a r i n gm a t e r i a l w i t hp r o m i s i n gt r i b o l o g i c a i p r o p e r t i e s ，l o wc o s ta n db o u - p o l l u t i o n b a s e do nt h e t h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i so ft h ea ( b f 4 _ l ( 2 t i f 6 - n a a l r 6r e a c t i o ns y s t e m ，an e w a l u m i n u mm a t r i xa n t i f r i c t i o nm a t e r i a l ，n a m e l y , i n - s i t ut i b 2p a r t i c l e - r e i n f o r c e da i i o s n m a t r i xa n t i - f r i c t i o nc o m p o s i t e sw a sf a b r i c a t e db yt h em i x e ds a l tr e a c t i o n s y n t h e s i s p r o c e s si nt h i st h e s i s t h es o l i d i f i c a t i o np h a s ea n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o m p o s i t e sw e r e a n a l y z e db yx r da n ds e m t h eh a r d n e s so ft h ec o m p o s i t e sw a sm e a s u r e dw i t h u n i v e r s a lm a t e r i a lh a r d n e s st e s t e ru s i n gv i c k e r si n d e n t e r , a n dt h es l i d i n gf r i c t i o na n d w e a rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p o s i t e sa n dm a t r i x a l l o y s w e r ei n v e s t i g a t e dw i t h f r i c t i o n - w e a rt e s t e ru n d e rd i v e r s ec o n d i t i o n s t h ec o l d - r o l l i n gr e c r y s t a l i z a t i o no ft h e c o m p o s i t e sa n dm a t r i xa l l o y sw a ss t u d i e ds y s t e m i c a l l y t h er e s u l t sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w ( 1 ) t h ei n v c s t i g a t i o ns h o w e dt h a tt h e r e w e r eo - a i ，p - s na n dt i b 2p h a s e si nt h ec o m p o s i t e sw i t h o u ta n yo t h e rp h a s e s u c ha s t i a ho ra i b 2p h a s ea n ds oo n i n - s i t ut i b 2p a r t i c l e sw i t hn e a r l ys p h e r i c a lf o r m ，a r e b e t w e e no 8 p r oa n d1 2 1 a mi ns i z e a n dd i s p e r s em o s t l yi nt h ei n t e r f a c eb e t w e e na - a la n d c n t e c t i ct i n ，w h i c hf o r m st h em i e r o s t r u c t n r eo ft i b 2p a r t i c l e sc o v e r e dw i t ht i nf i l m ( 2 ) c o m p a r e dw i t hm a t r i xa l l o y s ，t h ec o m p o s i t e sh a v eh i g h e rb e a r i n gc a p a c i t ya n d w e a r - r e s i s t a n c e ，e s p e c i a l l y ，e x h i b rb e t t e ra n t i - f r i c t i o nu n d e rh i g h e rl o a d ，b u tt h em a t r i x a l l o y si s e x c e l l e n tu n d e rl o w e rl o a d ( 3 ) t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n d w e i g h tl o s si n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s i n go fl o a d m i l da b r a s i v ew e a rd o m i n a t e da tl o w e rl o a d ，aa sw e l la s m i l d a d h e s i o nw e a r a n df a t i g u ew e a ra p p e a r e du n d e rh i g h e rl o a d ( 4 ) w i t ht h e i n c r e a s i n go ft h ed e g r e eo fc o l d r o l l i n gd e f o r m a t i o n ，t h ee q u i a x e ds t r u c t u r e so ft h e c o m p o s i t e sa n dt h em a t r i xa l l o y sw e r es l i g h t 坤e l o n g a t e da l o n gr o l l i n gd i r e c t i o na n d t u r n e di n t ot y p i c a l l yf i b e r - l i k es t r u c t u r e ，m e a n w h i l e ，t h eh a r d n e s s ，s t r e n g t ha n do t h e r m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ei m p r o v e dg r e a t l y ( s ) c o m p a r e dt ot h em a t r i xa l l o y s ，t h e c o m p o s i t e s h a v eh i g h c r r e c r y s t a l i z a t i o nt e m p e r a t u r e ，w h i c h s h o w st h a t t h e r e c r y s t a l i z a t i o nt r a n s f o r m a t i o no fc o m p o s i t e si sh i n d e r e de f f e c t i v e l yb yt h ep r e s e n c eo f t h ei n s i t ut i b 2p a r t i c l e sw i t hf i n e rs i z ea n dh i g h e rh a r d n e s s ( 6 ) t h ek i n e t i c sc u r v e so f i s o t h e r m a lr e c r y s t a l i z a t i o no ft h ec o m p o s i t e sa n dm a t r i xa l l o y sw i t h7 5 c o l d r o l l i n g d e f o r m a t i o nw e r ed e t e r m i n e d f r o mt h ec u r v e s ，w ec a nf i n dt h a tt e m p e r a t u r eh a v e i m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h er e c r y s t a l i z a t i o nb e h a v i o r , t h eh i g h e rt e m p e r a t u r e ，t h ef a s t e r r e c r y s t a l i z a t i o nt r a n s f o r m a t i o ni s a n dar e a s o n a b l er e c r y s t a l i z a t i o na n n e a l i n gp r o c e s s c o u l db ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ek i n e t i c sc u r v e s t h r o u g ht h ec u r v e so fh a r d n e s s v s t i m er e l a t i o n s h i pa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，t h er e c r y s t a l i z a t i o na c t i v a t i o ne n e r g yo f t h ec o m p o s i t e sa n dm a t r i xa l l o y sw i t h7 5 c o l d r o l l i n gd e f o r m a f i o nw a sc a l c u l a t e d ，a n d t h ef o r m e ri s9 2 9 8 k j ，m 0 1 t h el a t e ri s8 3 1 6 k j t 0 0 1 t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h ef i n e i n - s i t ut m 2p a r t i d e si m p r o v et h ea t o md i f f u s i o nb a r r i e ra n de n h a n c er e c r y s t a l i z a t i o n s o f t e n i n gr e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t e s i naw o r d ，t h ef i n ed i s p e r s i o nt i b 2p a r t i c l e sm a k e t h ec o m p o s i t e so b t a i ns u p e r i o rt h e r m a b s t a b i l i t y k e yw o r d s ：i n s i r up a r t i c l e s ；a n t i f r i c t i o nm a t e r i a l ；w e a ra n d 矗i c f i o np e r f o r m a n c e c o l d r o l l i n gd e f o r m a t i o n ；r e c r y s t a l i z a t i o n 广蕾r 大攀硕士掣q 晰文内生糠粒增强a i - 1 0 s n ，：奢减l 材料的研究 1 1 研究背景 第一章绪论 摩擦与磨损是各种机器设备在运转中普遍存在的一种现象。一般说来，磨损是摩擦 的必然结果。它们是降低机器设备工作效率、缩短机器使用寿命以及无功耗能的主要因 素。据估计，全世界大约有i 3 一i 2 的能源以各种形式消耗在摩擦上，而摩擦导致的磨 损是各种机械设备的主要损坏失效原因，大约有8 0 的损坏零件是由各种形式的磨损引 起的【l 】。在英国、日本、德国等高度工业化的国家里，每年约有2 0 亿美元由于摩擦磨 损而损失掉。据统计，在我国每年由于摩擦、磨损造成的机器设备损坏失效、能源浪费、 材料损耗等经济损失已达5 0 0 多亿元人民币。值得关注的是：在这些机械摩擦磨损中， 轴与轴承轴瓦的摩擦磨损是机器设备的主要无功能耗和损坏失效形式。因此，在全球面 临资源、能源、环境严峻挑战的今天，研制开发新型的、耐磨性好且无污染的轴承减摩 材料，从而减少摩擦、降低磨损具有重大社会经济意义】。 轴承减摩材料主要是指用于制造滑动轴承、轴套或轴瓦的合金，也称为轴承合金。 常用的轴承减摩材料有锡基、铅基、铜基、铝基、铁基合金以及粉末冶金含油轴承材料 等，其中锡基和铅基为低熔点轴承合金，又称巴氏合金 4 】。巴氏合金是历史悠久、使有 较广泛的第一代轴承减摩材料。这类减摩合金是以软质的锡和铅为基体，因而具有很好 的轴承表面性能。锡基巴氏合金具有很小的摩擦系数，优良的抗咬合性、嵌藏性、顺应 性和对润滑油的耐腐蚀性等。但是，这类合金的疲劳强度较低，同时由于合金的熔点低， 工作温度也较低，1 5 0 时的硬度只有h b 6 1 2 ，所以这类轴承合金的最高工作温度不能 超过1 3 0 1 5 0 。c p j 。此外，锡价格昂贵，故用廉价的铅替代锡的铅基轴承合金在工业上 得到应用。铅基轴承合金具有塑性好、抗疲劳性能高、成本低廉等优点，但合金的强度、 硬度、耐蚀性和耐磨性均不如锡基合金，只能用于低速低载荷或静载荷下的中等载荷轴 承。随着设备运行速度加大，负荷增高，传统的巴氏合金的疲劳强度，承载能力等已经 不能满足使用的要求，因此科研工作者又开发出巴氏合金的替代品一铜基轴承合金和铝 基轴承合金。 传统的轴承减摩材料中综合性能较高的主要是各种铜基轴承合金( 锡青铜、铅青铜、 和铜铅合金) 。与锡基、铅基合金相比较，铜基合金具有承载能力大，疲劳强度高，导 广西大掌硕士学位锚j t内生厢吐增强h l l o s n ，：嘈p 减l 材料的研】宅 热性能优良，能在更高温度下工作等优点，因此广泛用来制造在重负荷和高的滑动线速 度情况下工作的重要轴承。但它的主要缺点是轴承的顺应性、嵌藏性比较差，合金中的 铅易受酸的腐蚀，耐蚀性不如巴氏合金嘲。铜基合金的一个最大缺点是价格较高，尤其 对于我们国家来说，铜资源比较匮乏，对海外铜资源的依赖较高，每年铜产品的进口额 约占有色产品进口额的5 0 以上【7 】。因此，国内资源丰富、价格低的铝基轴承合金的研 究对于我国轴承行业具有积极的意义。 此外，随着各国政府对环境保护的日益重视，淘汰含铅、镉等有毒重金属的已成为 轴承减摩材料选用的一个重要考虑因素。铜铅合金中，平均含铅量高达2 4 3 0 ，铅基 轴承合金含铅量更高，在材料的浇注过程中污染问题治理困难，而且在轴瓦使用过程中 污染润滑油，废弃后造成的二次污染也很严重，对环境危害巨大。薄壁轴瓦2 0 0 0 年新 国际标准i s o4 3 8 3 ：2 0 0 0 滑动轴承，增加了“将来环境的要求将限制铅一类的某些材料 的使用”的条款【8 】。可见，从环境保护角度出发，铅最终将在轴承减摩合金中消失。因 此少铅或无铅的轴承减摩合金的研制将是现今的一个热点课题【9 1 ，并在我国已经取得了 一些进展。 鉴于巴氏合金和铜基合金在性能、经济和环保等方面的问题，人们越来越多的将关 注的目光投向最有前途的铝基轴承减摩材料。铝基轴承减摩合金是近代发展起来的优良 减摩合金材料，不仅质轻、价格低廉，而且具有较高的承载能力和疲劳强度、低的摩擦 系数、好的耐磨性和抗擦伤能力、良好的导热性、机加工性和耐腐蚀性等。因此广泛的 用于汽车、拖拉机、航海、航空等高速高压重载发动机中【。铝基轴承减摩材料主要包 括：a i - s n 、a 1 一s i 、a 1 一p b 和a 卜z n 合金等。其中，a i - p b 合金具有极佳的减摩性能，但 是a i - p b 合金中含铅量高，生产使用中受到限制；中、高锡a l - s n 合金的减摩性能好， 然而抗擦伤能力和耐磨性有待提高 1 2 1 。因此，在研究了a l s n 合金和内生t i b 2 p a l 复 合材料的基础上，本文进一步研制一种具有“软相+ 硬颗粒”相辅相成的组织结构特点 的新型轴承减摩材料一内生颗粒增强铝锡基轴承减摩复合材料，并研究了该材料的摩擦 学特性和冷轧再结晶性能等。 1 2 减摩材料概况 1 2 1 轴承减摩材料的工作环境和性能要求 滑动轴承主要由轴颈和轴瓦( 轴套、瓦块) 组成，制作轴颈的材料称为轴颈减摩材 内生i 瞳粒增强a 1 一l o s n 复奢减l 材料的研兜 料，制作轴瓦的材料称为轴瓦减摩材料，两者统称为轴承减摩材料。轴瓦减摩材料中包 括单层( 整体) 轴瓦减摩材料、“衬层+ 衬背”双金属减摩材料。轴瓦的结构型式有： 整体铜合金、整体铝合金、钢背+ 减摩合金层、钢背+ 减摩合金层+ 镀层，目前国际上 多采用后两种居多。其中又都把主要精力集中在减摩层和镀层的选材上，因为它们直接 决定了轴瓦的工作稳定性和使用寿命【1 1 】。 滑动轴承是直接与轴颈配合使用的。轴在高旋转下工作时，轴对轴瓦或轴套表面施 以周期性交负荷，有时还伴随有冲击力。在工作时，滑动轴承与轴之间产生高速相对运 动，并发生摩擦现象，造成轴与轴承的磨损。在理想的工作条件下，轴与轴瓦间有_ 层 润滑油膜相隔，进行理想的液体摩擦。但实际工作中，特别是在启动、停车以及负荷变 动时，润滑油膜往往遭到破坏，而进行半干摩擦甚至干摩擦，产生大量的热。为了保证 滑动轴承既能支承轴正常转动，又不磨损轴，同时自身磨损也较小，因此，对滑动轴承 及其材料提出了一定性能要求。 轴承合金的性能要求可以分为表面性能和机械性能两方面 1 3 j 4 。 ( 1 ) 表面性能 抗咬合性指由于油膜破裂，导致金属表面直接接触时，合金依靠自润滑作用 具有对抗咬合的能力。可通过连续反复进行起动停车实验来判断。巴氏合金、带表面涂 层的铜基和铝基合金都具有很好的抗咬合性。不带涂层的铜基合金和低锡铝合金抗咬合 性能较差。 顺应性由于轴颈和座孔制造误差和工作变形，使工作表面产生边缘峰值压力， 引起偏磨，顺应性好的材料弹性模数低，依靠本身的弹性变形能自动适应上述偏移，使 峰值压力得到缓和。巴氏合金、铝锡合金都是顺应性较好的材料，铜基合金顺应性较差。 嵌藏性当杂质、金属磨屑随润滑油进入润滑间隙时，合金层依靠自身的塑性 变形能将异粒嵌藏于其中，以免划伤轴颈。嵌藏性差，滤清要求就高，对异粒十分敏感。 合金硬度低的材料嵌藏性好。巴氏合金、铝基合金具有良好的嵌藏性。铜基合金较差， 但采用涂层可使其略为改善。 磨合性又称跑合性，即新轴承经短时间运转后，将不适应部分磨去，达到与 轴颈均匀贴合的能力。合金的磨合性愈好，所需磨合时间愈短。巴氏合金磨合性最好， 铝基合金居中，铜基合金较差。表面涂层可使磨合性能得到改善。 亲油性指合金对润滑油的吸附能力。合金亲油性好，则合金表面容易形成吸 附油膜，而且油膜即使暂时被切断，恢复也快，不易产生皎合。 广西大掌硕士掌位谴? 文 内生收粒增j 美a 1 一l o s n 复分j t l 材料的研兜 耐腐蚀性润滑油在工作过程中氧化，分解出的酸份使合金表面腐蚀，形成针 孔状麻点，最终导致疲劳剥落。锡基巴氏合金、铝基合金具有很好的耐腐蚀性。铜铅合 金中的铅比铅青铜中的铅容易腐蚀，但通过表面涂层可得到明显的改善。铝基合金在碱 性介质中易被腐蚀，但在发动机中这种情况少见。 损伤敏感性由于暂时故障，合金层会受到损伤。损伤敏感性低的材料能依靠 温度与压力的作用自动将伤口“烫平”，不影响正常运转。一旦出现导致最终破坏的严 重故障，它也能迅速熔融，保护轴颈维持到停车而不受损伤。巴氏合金、铝锡合金损伤 敏感性低。铜基合金即使带表面涂层，损伤敏感性也很高。 ( 2 ) 机械性能 抗拉强度合金层的裂纹通常发生在与工作表面相垂直的方向，因此材料的抗 拉强度是反映承载能力的标志之一。铜基合金抗拉强度最高，铝基合金居中，巴氏合金 较差。 疲劳强度各种合金的的疲劳强度不同。铜基、低锡铝基合金都具有较高的承 载能力，2 0 4 0 铝锡合金居中，巴氏合金最差。 耐热性能发动机工作温度不断提高，合金在高温下的机械性能十分重要。铜 基、铝基合金具有较高的耐热性，巴氏合金的耐热性极差，使其应用受到限制。 磨损特性这是一项综合指标，包括轴颈与轴承磨损量两个方面。首先应保证 轴颈磨损尽量小，其次要求合金磨损小。巴氏合金、铝基合金对轴颈的磨损小，但自身 磨损量大，铜基合金反之，但通过提高轴颈硬度和采用表面涂层能使其磨损特性显著改 善。 各种机械设备对轴承合金材料的性能要求也不相同，实际上所有性能都理想的轴承 合金材料是难以得到的，必须根据不同机械设备所需轴承的工作条件，以几项主要的性 能指标为依据，选取合适的轴承合金材料。例如，具有好的嵌藏性、顺应性以及与钢轴 有相容性的材料，其承载能力往往很低。这就追使人们或者在这些相互矛盾的性能要求 之间寻找折中的方案，或者发展一类具有很好相容性、嵌藏性及顺应性的材料，然后以 其它办法( 如镶以钢的基底一钢背) 补偿其承载能力的不足。 1 2 2 轴承减摩材料的组织结构和减摩机理 众所周知，材料的组织决定材料的性能。为了满足滑动轴承在使用过程中，对轴承 减摩材料性能指标( 主要是减摩性和承载能力) 的要求，滑动轴承材料应具有特殊的组 4 广西大学硕士掌位论文内生婀e 粒增益a l l o s n ，：奢减摩材料的研究 织结构。轴承减摩材料的组织通常是由两相或多相组成的。从显微组织看，轴承材料可 分为以下三种主要类型【1 4 】： ( 1 ) 在软的基体上分布着细小、弥散的硬质点。铅基巴氏合金与锡基巴氏合金就属 于这一类。这类合金有极好的磨合性、顺应性、嵌藏性及抗咬合性。另外，细小、弥散 的硬质点对软基体起到一定的强化作用，因此该类合金具有一定的承载能力和较好的耐 磨性能。 ( 2 ) 在硬的基体上弥散分布着一些软相质点。铅青铜、锡青铜、铝锡合金及铝铅合 金就属于这一类。其显微组织是由连续分布的铜基或铝基金属基体和弥散分布的铅或锡 小块组成。这类合金的顺应性、嵌藏性、强度和硬度是由基体决定的，而暴露于轴承合 金表面的软相能使相容性增加。 ( 3 ) 软相和硬相互嵌的显微组织，该合金是以上两类的复合型。有一些铜铅合金属 于这类。在这些合金中，铜和铅相是连续地互相支撑。这种合金的相容性主要取决大 体积分数铅的存在。其顺延性、嵌藏性、强度与硬度则处于铅基和铜基合金之间。 成分、组织决定了这些轴承减摩合金的整体性能，这些性能一般是以大块材料为试 样时测得的，如强度及硬度等。要强调的是，轴承材料的整体性质对于选材来说，只是 在作初步鉴别时才有意义，并不能用这些整体性质来精确预期双金属或三金属轴承中， 这些减摩材料在薄层形式下的性质。 至今轴承减摩合金的减摩机理仍是研究的热点，合金的设计却都是按照软相与硬相 相配合的显微组织考虑。关于该减摩机理目前有几种说法【1 5 】： ( 1 ) 软基体中硬相承载机理 通常认为减摩材料的组织应当是在软的塑性基体上分布着许多硬颗粒的异质结构， 例如，锡基巴氏合金的组织是以含锑与锡固溶体为塑性基体，在该软基体上面分布着许 多硬的s n - s b 立方晶体和c u - s n 针状晶体。在正常载荷作用下，主要由突出在摩擦表 面的硬相直接承受载荷，而软相起着支持硬相的作用。由于是硬相发生接触和相对滑动， 所以摩擦系数和磨损都很小。又由于硬相被支持在软基体之上，易于变形而不至于擦伤 相互摩擦的表面。同时，软基体还可以使硬相上压力分布均匀。当载荷增加时，承受压 力增大的硬相颗粒陷入软基体中，将使更多的硬颗粒承载而达到载荷均匀分布。这是当 前占主流的一种观点( 如图i - i ) 。 ( 2 ) 软相承载机理 与上述观点相反，有人认为材料的减摩耐磨机理在于软相承受载荷。在这类材料中， 5 内生颗粒增强a 1 1 0 s n ，：合减材辛的研究 各种组织的热膨胀系数不同，软相的膨胀系数大于硬相。在摩擦过程中，由于摩擦热引 起的热膨胀使软相突起几个油分子的高度而承受载荷。由于软相的塑性高，因而减摩性 能良好。 软基体 图卜1 轴承合金组织结构示意图 f i g 1 1s k e t c ho f s i l d i i l gb e a r i n ga l l o y i ss t r u c t u r e ( 3 ) 多孔性存油机理 现代机械装备中广泛应用的粉末冶金材料是典型的多孔组织。这种材料是将金属粉 末与非金属粉末混合，并渗入各种固体润滑剂，如石墨、铅、硫及硫化物等，以改善材 料的减摩性能，再经过成型烧结等工艺而制成。粉末冶金材料的孔隙约占1 0 3 5 。 将它放在热油中浸渍数小时后，孔隙中即充满润滑油。当摩擦副相对滑动时，摩擦热使 金属颗粒膨胀，孔隙容积减小。而润滑油也膨胀，其膨胀系数比金属大，因而润滑油被 溢出表面起润滑作用。巴氏合金和铅青铜等轴承材料组织结构中，各相的热膨胀系数不 同，经过工艺过程中的热胀冷缩而形成许多小孔隙。因此也具有与粉末冶金孔隙相同的 润滑效果。 ( 4 ) 塑性涂层机理 近年来，多层材料曰益广泛地应用于轴瓦和其它摩擦副。在硬基体材料表面覆盖一 层或多层软金属涂层。常用地涂层材料有铅、锡、铟和镉等。由于表面涂层很薄，并具 有良好塑性，因而容易磨合和降低摩擦系数。 t - 西大掣峨士掌位鼬? 文 内生曩e 粒增强a 1 一l o s n ，：奢减l 材料的研究 1 3 轴承减摩材料的发展与应用 1 3 1 轴承藏摩材料的发展 最早的轴承减摩材料是美国人巴比特( i 8 a b b jt ) 和英国人伊沙克1 8 3 9 年发明， 并于1 8 4 3 年取得英国专利的锡基合金一s n 一7 4 s b - 3 7 c u 1 6 】。锡基合金具有极佳的减摩 性能，有非常好的嵌藏性、顺应性、磨合性等表面性能。虽然锡基轴承减摩材料性能较 好，但是锡价格昂贵。因此，巴比特又将耳光转向了价廉的铅合金，接着研制开发出一 系列锡基和铅基轴承减摩合金，且都被称为巴比特合金，简称一巴氏合金【 l 。锡基和铅 基巴氏合金于二十世纪初进入我国，因其呈白色，我国也称它“白合金”。 初期的滑动轴承是将轴直接支承在轴承座或铸有巴氏合金的轴承座上，后来发展成 用铜合金做成单金属厚壁轴承予以使用。5 0 年代后期，我国开始用离心浇铸或连续浇铸 的方法生产钢背巴氏合金薄壁轴承材料。薄壁轴承具有重量轻、相对疲劳强度高、生产 成本低和轴承运输方便等优点，5 0 年代后期，我国生产的汽车发动机的最大轴承压力不 超过8 - 1 0 m p a ，这种轴承能够满足使用要求，到6 0 年代中期，我国掌握了用压力结合法 生产钢一铝锡合金材料及轴承的技术，主要是生产含锡量为2 0 - 3 0 的高锡铝合金材料。 铝合金有着价廉、资源丰富及较巴氏合金轴承的疲劳强度提高一倍等优点而被我国的发 动机行业广泛应用，并逐步替代巴氏合剑埽】。 随着我国汽车行业和内燃机行业的发展，无论引进的还是自己设计和改进的发动机 都对轴承提出增大负载、提高转速和缩小结构、减轻比重等要求，这也是原巴氏合金和 铝合金轴承较难适应的。为此我国滑动轴承行业开始研制和引进了钢一铜铅合金复合烧 结材料制造技术和生产线及电镀三元合金软敷层技术和生产线。这些技术的掌握和生产 能力的形成，使得我国在滑动轴承的生产和应用方面向前跨了一大步，大大缩小了和先 进国家的差距。 进入八十年代，国内多数使用和生产厂家普遍采用z q s n 6 6 3 锡青铜制造整体式滑 动轴承轴瓦、轴套等零件。但铜的市场价格较高，且我国铜资源贫乏，研究新的能够替 代铜基轴承合金的材料，降低生产成本，并满足制造整体式滑动轴承轴瓦、轴套等零件 的要求，己成为当务之割1 9 】。 内生颗粒增强a 1 一l o s n ，：奢减l 材弗的研究 1 3 2 常用的轴承减摩材料 轴承减摩材料最突出的特点是：减摩性好，摩擦系数低，嵌藏性和顺延性等表面 性能强。因此，人们一开始就从质地较软的锡和铅入手，发展起来了“软基体+ 硬质点” 的巴氏合金。但是抗疲劳性和承载能力等机械性能与减摩性能往往相互矛盾，质软的合 金减摩性好，其抗疲劳性和承载能力却较低。随着机器设备向着高速高载的方向发展， 软基体的巴氏合金已不能满足性能的需要，从而促使“硬基体+ 软质点”的铜基合金和 软硬两相互嵌的铝基以及铁基自润滑含油轴承减摩材料的诞生1 2 0 1 。 1 巴氏合金 巴氏合金包括锡基和铅基轴承合金，是最早的轴承减摩材料。第一代轴承减摩合金 是巴比特( i b a b b i t ) 【2 1 】于1 8 3 9 年发明，1 8 4 3 年取得英国专利的锡基合金，其成分是 8 2 8 4 s n ，5 6 c u ，1 1 1 2 s b 。后来在此基础上发展了一系列软的减摩锡基和铅 基轴承合金，且都被称为巴比特合金，因其呈白色，故我国又称之为“自合金”。这些 合金的特点是有低的硬度( h b l 3 3 2 ) ，低的熔点( 2 4 0 3 2 0 ) ，随着温度升高明显软 化( 1 0 0 时，h b 9 2 4 ) ，因而它们具有良好的减摩性能和极佳表面性能，可配不经硬 化的曲轴 2 2 】。对于钢和球墨铸铁的轴，这类合金有高的抗咬合能力。 1 ) 锡基巴氏合金( 锡锑轴承合金) 锡基轴瓦合金以锡为基体，添加锑、铜等合金元素制成多相合金。铜、锑溶入锡中 形成的固溶体是软相组织，锡、锑、铜形成的金属间化合物为硬质点，从而形成典型的 “软基体+ 硬质点”减摩组织构成。锡基轴瓦合金的特点是摩擦系数小，减摩性好，有 良好的塑性、韧性和耐蚀性，在所有的轴瓦合金中，锡基合金具有最好的相容性、顺应 性和嵌藏性，至今仍在低速船用柴油机和中、轻型汽车发动机中应用，但由于其承载能 力和疲劳强度较低，且随工作温度升高机械性能急剧下降，故在现代汽车发动机中应用 曰渐减少。 2 ) 铅基巴氏合金( 铅锑轴承合金) 铅基轴瓦合金以铅为基体，添加锡、锑、铜等元素制成，铅锑、铅锡形成的软的共 晶基体组织上分布有锡锑、铜锡、铜锑硬粒子化合物。铅基合金与锡基合金使用性能基 本相当，铅基轴瓦合金摩擦系数比锡基轴瓦合金稍大，韧性低，疲劳强度也较低但价 格便宜，因此也在工业中应用较多，但随着各国对环境保护的重视，铅基合金的使用会 受到很大限制，并最终推出历史舞台。 广西大掌硕士掌位 i 文 内生瓤粒增3 a i l o s n ，：合麓l 材料的研究 针对巴氏合金的性能中的致命弱点机械性能差，各国学者都在研究想方设法提高 巴氏合金制成轴瓦的机械强度，如在基体中加入合金元素，细化合金组织，提高合金的 机械强度，同时增强合金与钢背的结合强度；另一方面，减薄巴氏合金轴承中合金层厚 度，也可大大提高轴承的承载能力和疲劳强度2 3 1 。 2 铜基轴承合金 早在二战前就开始使有的铜基轴承合金迄今仍然是各种内燃机中应用最广的一种 轴承减摩材料，它主要包括：铜铅合金( 铅青铜) ，铜锡合金( 锡青铜) ，铜铝合金( 铝 青铜) 和铜锌合金等。这类合金具有疲劳强度高、承载能力大、热稳定性好等等突出的 优点】。 ( 1 ) 铅青铜：铅青铜轴承合金是由铜铅二元合金发展而来的，其基体金属是铜，含 2 5 一3 5 的铅和1 一5 的锡。因铜、铅熔点和密度相差悬殊，合金结晶时易产生偏 析，一般采用粉末冶金快速凝固( r s p m ) 法生产铜铅合金以防止偏析。铜铅合金组织 中含有连续的相互支持的铜、铅海绵状结构，大量的铅有助于提高相容性、磨合性、顺 应性和嵌藏性，合金硬度和强度介于铜、铅之间，与铝基、铅基轴瓦合金相比，铜铅轴 承合金承载能力较大，疲劳强度较高，机械性能受温度分布影响较小，但减摩性差，易 受酸腐蚀且生产工艺复杂，因此真正应用铜一铅二元合金较少。为提高其减摩性和表面 性能，向其中加入卜5 的锡，这就是铅青铜。有时为提高合金强度，还添加n i ，z n 等元素目前高速、高载荷、高增压强化发动机上应用的铅青铜轴瓦表面都镀有一层软的 合金层【2 4 】。 ( 2 ) 锡青铜：其主要合金元素是锡。虽然锡本身有很高的抗咬合能力，但是它在铜 合金中含量在6 0 以下时并不能改善铜的抗咬合能力。为了使这类合金有较好的减摩特 性，需要加入一些合金元素形成多相组织。如加入适量的铅、锌或磷。铅几乎不溶于锡 青铜中，以纯组元形式存在，提高合金粘着抗力和顺应性。 ( 3 ) 铝青铜：具有比黄铜和锡青铜高的机械性能。耐磨、耐蚀和流动性好，无偏析 倾向，可得致密铸件。但组织中b 相在缓冷时会转变为粗大的( q + y2 ) 共析体，使合 金变脆。加入铁能细化晶粒，延缓再结晶过程和b 相的转变，提高合金的强度硬度和耐 磨陛。加入镍和锰也能提高强度和耐磨性。铝青铜多被用于制造重载摩擦零件，如筑路 机械，重型机床，热加工设备中的动绞接中的摩擦零件。 3 铝基轴承合金 铝基轴承合金是一种优良的减摩材料，也是产生在二战之前的，最初是制成整体轴 q 广西夫攀訇e 士掌位论文内生胃e 粒增强a 1 一l o s n ，焓署慷材料的研究 承使用。1 9 4 3 年，美国用轧制法将低锡铝合金复合到钢板上，但层间结合强度低，直到 1 9 5 1 才满意的解决此难题吲。2 0 世纪6 0 年代以来，铝基轴承合金得到很大的发展， 且有进一步取代铅基、锡基减摩合金和铅青铜的趋势。它的疲劳强度约为巴氏合金的两 倍，使用温度高、承载能力强，在大型船用发动机中已用来取代巴氏合金。铝基合金既 可以制成单金属部件( 衬套、轴承、销绞接等) ，也可制成铝衬里钢背底双金属轴承使 用。铝基轴承合金密度小，导热性好，疲劳强度和高温硬度高，又具有较好的化学稳定 性和承载能力，适合于制作在高速高负荷下工作的轴承。此外，铝基轴承的价格也较便 宜。其主要缺点是线膨胀系数大，运转时容易与轴咬合，因此需要加大轴承间隙口5 1 。 在轴承减摩材料中，铝基合金比任何其它单一材料都具有更理想的综合轴承性能， 它以铝为基体，添加软质的锡、铅等元素来提高其减摩性和表面性能；添加铜、铬、硅、 锑等元素以提高轴承合金疲劳强度和承载能力闭。铝基轴承合金主要有铝锡合金、铝铅 合金、铝锌合金、铝硅合金、铝锑镁合金等，一般铝基轴承合金与钢背结合在一起，制 成“双金属”复合轴瓦使用，即通常所说的钢背轻金属复合轴瓦。因而，铝基轴承减摩 材料被大量使用在大功率汽油发动机、高功率柴油机和其他动力机械上。 4 粉末烧结含油轴承减摩材料 粉末烧结含油减摩材料是以金属粉末或添加些石墨、硫、锡、铅等粉末为原料，高 压成型，再经高温烧结制成的多孔性自润滑材料，其空隙度约占总体积的1 5 3 5 不等。 目前，一般常用的粉末金属含油轴承材料有铁基和铜基两大类口们。其中，铁基合金主要 填充物质有铜、铅及具有层状结构的硫、石墨、硫化锌等等。在铁基烧结减摩材料中， 铜是比较常用的元素，一方面，铜能起强化作用；另一方面，铜能形成孔隙，而孔隙能贮存 润滑油，对提高材料的减摩性能有利。国内外对含铜铁基材料的研究主要集中于“铜的 膨胀作用机理”及抑制“铜膨胀”的方法【2 8 0 针。 这些材料可制成较精确的轴套，使用前在热油中浸泡几小时，使孔隙内充满润滑油， 常称为含油轴承。工作时由于轴颈旋转的抽吸作用和轴承发热时油的膨胀，油流出孔隙 起润滑作用【3 0 1 。 除上述常用轴承减摩材料之外，还有航空发动机中用以减轻重量的镁基轴承合金； 耐高温可选用镍基轴承合金；要求高可靠性可选用银基轴承合金；机床工业和制冷压缩 机中常用的灰口铸铁轴承，为保证良好的耐磨性，其基体是珠光体，不规则分散着石墨 片：特殊场合使用的非金属材料轴承材料一尼龙、特氟龙、石墨碳、超高分子聚乙烯【3 i 】 等，它们有着良好减摩耐磨性能，有的甚至可以替代金属基减摩材料 3 2 , 3 3 。 l o 内生颗粒增强a 1 一l o s n 复合截l 材料的研究 1 4 铝锡轴承减摩材料的发展现状 铝基轴承合金是上世纪六十年代快速发展起来的新型轴承减摩材料。铝作为轴承减 摩材料，其优点是：质轻、价廉、加工性和耐蚀性好等。但其原子半径尺寸同铁原子半 径相近，与铁生成脆性铝铁化合物，从而易与钢铁发生咬粘。向其添加s n 、p b 、c d 等 元素，形成软相，可改善铝合金的抗咬粘性，向其添加c u 、s i 、z n 、m g 等元素，强化 基体，以提高其机械性能【3 4 】。因此，铝基轴承材料兼有软硬两方面性能，综合性能极佳 一减摩性好、承载能力强、疲劳强度高、耐磨性和耐腐蚀性强等等。铝基轴承合金主要 包括：铝锡合金、铝铅合金、铝锌合金等，其中铝锡轴承合金是发展最快、应用最广， 也最有前途的一类。特别是在全球倡导绿色、环保的今天，大力发展不含p b 的铝锡轴 承合金更具有重要的社会意义【3 5 】。 1 4 1 铝锡轴承藏摩材料的发展 第一次广泛使用铝锡合金的是三十年代末期在英国研制的r r a c - 7 和r l a c - 9 型合金。 随后美国出现了含锡的铝合金( 7 5 0 ， x a 7 5 0 ，x b 7 7 0 ，x b 2 8 0 ，s a e 7 7 0 ， s a e 7 8 3 ，s a e 7 8 7 ，s a e 7 8 8 ) 3 6 ，3 7 1 。同时在加拿大、意大利、法国和其它国家也对这些材料 进行了研究。铝锡合金作为发动机轴承材料已有近四十年的历史，它以a l 为基体，s n 为主要添加元素，添加s i 、c u 、c d 、c r 、p b 等元素以提高其性能，正愈来愈多的应用 图1 2 含s n 和s i 的量对轴颈的磨损影响 f i g 1 2 e 旋c t o f s n m ds ic o n t e n t s o n w e a r - 崩c t i o n p r o p e n i 豁o f b e i n g s 广西大学硕士掌位谴。文内生氟捌。爿| 强a i - 1 0 s n ，：名- 减l 材肆的研究 以代替传统的锡青铜和巴氏合金【3 8 1 。含锡合金的软组织成分的保护作用自3 s n 起就已 经显示出来。锡含量超过6 时，轴颈的磨损量急剧减少。在无润滑的删试验机上，在 1 4 公斤毫米2 负荷下用一对钢轴颈的试验测定了锡和硅对钢表面磨损的影响【，如图 l 一2 所示。 铝锡轴承合