国外内燃机滑动轴承材料无铅化及其应用[1]

1、专 题报直E A T U R E S外内燃机滑动轴承材料无铅化及其应用 中国第一汽午集团公司技术中心 李 鹏2009年第7期汽弔工艺与材料AT&M 1© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 专 题报直2009年第7期汽弔工艺与材料AT&M #© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 专 题报直ai各公司的

2、锡-铝合金的具体牌号和相关性能公司上你代号牌号度HV我劳侵度NPaNfiba公司3.2020AlSn20Cu30 4040-45Miba公司3.2511AlSn25CuNfn48-5540 45FAI公司A37OAlSn20CulNfn40 5045 50MAHLE (Glicier)MAS 16 (AS15)AlSn20Cul30 4040 45MAHLE (GUcier)NIAS 16 (AS16AlSn20CulNfn45 554550大同公司AS17SAlSnl7CulMn45 5545 50图1有Mn和无怖的AISn20Cu1的金相组织随着人类社会对环境保护建來 越匝视，对发动机滑动

3、轴承制造业 采用的铜铅合金滑动轴承的减摩 涂层中铅的使用限制的呼声越来越 高，钳是仃帝的重金属，故从保护 环境的角度来看，必须严格控制在 发动机滑动轴承领域中使用铜铅合 金材料。L1前，欧盟及英国发动机滑动 轴承材料的无铅化的进程已经完 成，并在发动机设计领域实施。木 文重点介绍国外轴承无铅化材料及 减摩涂层的发展状况以供发动机 滑动轴承设计、制造的相关人员參 考1铝锡合金及铝锡硅合金双 金属轴瓦（1）20%锡铝合金20%锡铝合金是最早由英国 Glacier公司（已经被MAHLE公司收购）研制并大批虽生产的一种 合金，儿乎所育金屈帶料厂家都 引进其生产技术专利并有相应的 牌号,迄今为止是应用范

4、国最广 泛的合金Z，倉有20%的锡和 1%的铜，其余为铝，其金相组 加了0.3%Mn获得了新的轴承介金 AS16,较标准的20%砌.铝介金的疲 劳性能付所提雋。添加Mn、Cu、Ni 零介金元索后对金相组织的影响见 图仁并公司的锄铝介金的JI体牌廿 和相关性能见表仁以匕合金牌号广泛地应用于内 燃机的主轴承与连杆轴承中,在无 钳化后仍扮演着重要的角色。（2）8%-12%左右锡铝介金 （中锡铝合金及中锡铝硅Q金） 8%12%左右锡铝合金含 10%12%的锄、2%左右的铜、 2%4%储，用轧制方法将连续铸造 的介金铝锭轧制到附有中间层（一 般厚度为3 pm左右的铝或铝硅、 铝钦、钳猛合金）的优质低碳钢

5、帯 上.随后经中间退火而成。既改善 了微观组织又増加了结合强度.n 金相组织为在细致的铝同溶体基体 上分布连续网状锡铝共胡体和弥散 细碎共晶硅颗粒,即在较峽的基体 纽织中存在软相与硬质点的结晶的 収相结构.这样的组织既保证了对 轴的良好的抛光作用，又避免了过 度烧损及咬粘，还行比较高的疲 劳强度，比20% 镯铝介金提高 了 20%30%。AISn20CuMn 与 AlSn 1 OCu Mn 金相对比见图 2,从图2可以 明显地看出.2009年第7期汽弔工艺与材料AT&M #© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publis

6、hing House. All rights reserved, 专 题报直AlSnlOCiiMn图2 AISn2OCuMn与AISMOCuM n金相组织对比织为均匀地分布在铝基体中的网状 铝锡共晶体.它有优异的抗咬合性 和恨入.无需涂层.乞公司为了 提高20%锄-铝合金的疲劳性能，在 其基础上乂添加了Mn、Ni尊微星元 索，进步捉高了20%昧铝合金性 能并扩大了应用范隔以Glacier公 司为例,在其标准合金的基础上添2009年第7期汽弔工艺与材料AT&M 2© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing H

7、ouse. All rights reserved, 专 题报直2009年第7期汽弔工艺与材料AT&M #© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 专 题直FEATURES3 |汽弔工艺与材料AT&M2009年第7期© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 专 题直I表2各公司典型的中镐铝合金|公司名你代号

8、牌号砍度HVMiba公司3.1010AlSnlOCu50 60FM公司A480AlSnl2Si340-50NIAHLE (Glicier)AS104AlSnlOSi4Cu242 53日本大同公司AX17AlSnl2Cu245 55镀E序，使加工过程简放化，且更便于实公司名祢代号牌号屹度HVMiba公司3 6200AlSn6CuNi35 45Miba公司3 6400AlSn6Cu2NiMg50 60FM公司A590AlSn6Si450 60NIAHLE (Glicier)MAS19AlSn6Si2CuNiMnV40 62NIAHLE (Glicier)MAS20AlSn6Si2CuNiMnV50

9、 65表3几种典型的低锡铝类合金轴承材料牌号AISnIOCuMn 与左 |hl 的 AISn20CuMn 相比其品粒更加致密,而山T中间 结介层山纯铝变成了強度更高的 AINi合金，其承栽能力和疲劳强度 也得到了很人的捉高。特别是与球 墨傅饮曲轴用配处仃很好的傑擦性 能和相容性.近年來，此类介金:在 高速汽油机上得到了越來越广泛的 应用，其中以Glicier公司的AS104 及AS1241为代衣.其他公诃也纷纷 研制了自己的中锡铝及中鶴铝硅材 料。并公司典醴的中锄铝介金见義（3）低钳铝合金为了获得更好的疲劳强度和承 载性能，国外相继开发了锄仟虽为 6%7%的低樹铝硅介金其硬度与 中锡材料相比提

10、高了30%左右,达 到6070HV。在加入掘、银、饥等 微呈元索后疲劳强度又仃很人的捉 岛，已经接近传统的CuPb24的水 平.在高速、高负倚的汽油机匕得 到了广泛的应用，使汽油机用轴瓦 彻底皆别了钢铅合金时代。目询,-汽技术中心开发的TA1轿车汽汕发 动机即使用此类材料的轴承,在最 大爆发斥力72x105 Pa及连杆轴承 瑕人比用达50 MPa以上的苛刻条件 下，使用该材料的轴瓦彻底解决了 料的开发工作,特别足在汽油机领 域铝基轴瓦占有绝对的优势地位.通过对轴承轧制工艺的改进主要 是中间层以強化合金替代纯铝以及 Mn. Nk V等合金增强元索的加入 和通过对铝基材料中Sn的含S的调 节制造出

11、了乞种便度梯度的轴承介 金.以配介不同材料和不同磧度的 曲轴,极大地扩展了铝基轴承的应 用领域。目前,开发的铝基材料己经解 决了介金恢藏性的问题，故已经全 部实现了无农|何减摩层，减少了电现加工中的尺寸分组及壁厚公差控 制,铝錫合金已经成为设计师在轴 承设计之初优先考世的材料.Glicier 公司无铅化铝呈轴承材料的牌兮及 强度性能等级的比较见农4,供设计 选材时对比参考。2铜合金三金属轴瓦众所周知，内燃机滑动轴承材 料的无铅化主要是针对铜铅合金而盲,传统的钢铅合金中含有相对大 虽的铅（般钳金虽为25%40%左 右），而且减摩层中也含有相当量 的铅.实践证明,在重型车用柴油 机及轿车高强化发动

12、机领域，由于 轴承比压高达100 MPa以上，无铅 铝基轴承都不能满足这祥的戏荷姿 求.于足人们开发了新的三金風轴 承，即新的许铜介金材料及最新的 减摩层。（1）青铜合金材料国外乞公司基本上以苛制为 主，-般Sn的禽猷在4%8%不邹， 为了增加介金层的嵌藏性能和疲劳 性能，个别牌号加入了与Pb同族的 Bi,为了细化甜粒以提高轴承的承 戏能力而加入了 1%-2%左右的Ni元 素.在制造工艺方面,无铅化的青 铜材料与传统的铜铅合金有很大的 区别，人都采用连续浇铸的方法获 得,几种常川的无铅化肯铜材料见 农5。（2）减糜涂层从表5可以看出，无铅化青钢轴 承材料的锁度与传统的铜铅材料相 比冇很大的提高

13、（传统的CuPb24Sn 材料的换度只冇65HVA：右）这样的 俊度必须配有合适的减摩涂层才能 作为轴瓦來便用。山丁减摩性能很# |汽弔工艺与材料AT&M2009年第7期© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 专 题直# |汽弔工艺与材料AT&M2009年第7期© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 专

14、 题直中鶴铝硅材料轴瓦的疲劳 剥落问题.几种典型的低表4 Glicier公司无铅铝基轴承材料的性能牌号及强底性能等级的比较牌号代号耐能抗抱龙41能扰憑劳技能疲劳良度MPa锡铝类合金轴承材料牌号AlSn20CuNIAS15卄卄+40 45AlSnlOSi4Cu2MAS17卄+40 45见表3。AlSn20CulMnMAS16卄+-H-卄45 50（4）铝傅介金的综述AlSnlOSi4Cu2 AlSnl2Si2.5Cu1AS18MASX4-H- +卄卄卄卄45 5045 50目询，国际乞大轴承AlSn6Si2CuNiNInVMAS19-H-4-卄4-H-65 70公司都已经完成了无铅化AlSn6S

15、i2CuNiMnrMAS21卄65 70AlSn6Si2CuNiMn MAS20卄70 75或去铅化条件下铝基材AlSnlOSi4Cu2MAS23卄-H-h70 754 |汽弔工艺与材料AT&M2009年第7期© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 专 题飛直2009年第7期汽车工艺与材料AT&M 5© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. Al

16、l rights reserved, 专 题飛直2009年第7期汽车工艺与材料AT&M #© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 专 题飛直表5几种常用的无铅化青铜材料轴承公司代号牌号制it方式改度HV5MAHLEMCB15CuSn8Nil90-145MAHLEMCB16CnSn485 135MAHLEMCB17CuSn4Bi4Nil80725MAHLEMCB20CuSn8Nil连续浇埒120-195MAHLEMSB21CxiSn8Nil烧站80

17、150FM公司CHCuNi2Si连续浇铸120-195FM公司CuSn5Zn5连绫浇终发压力的耍求，其宀位蝕人许用比 压远远高丁廉來传统的钳行铜材料CuPb10Sn10,很好地满足了连杆 小头衬套的强度要求，山于材料中 没何Pb的成分，村套的耐腐纯性 能也仃了明显的捉高，经K时间运 转厉常见连杆小头衬套发黑的惜况2009年第7期汽车工艺与材料AT&M #© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 专 题飛直轴承公司涂层代号材料牌号制迪方氏N1AHLET

18、2Sn电皱MAHLET4SnAglO电蝕MAHLEHlAlSxi20Cu电械IAHLESIAlSn30CulHVOFMAHLES2AlSn30CulPT)FMG444CuSn6PT>F-MG488CuSn6电傅LF-MG469AlSn20CuPT>F-MG499AlSn20CuPR表6无铅化后减摩层材料及制造方式复础以金爲材料涂层仲类 及牌号涂层工艺时於性境抱死 性能救劳机限MPaMSB21T2 Sn电镀卄4-H-h-H-+75 85MCB17T2 Sn卄+75 85MCB17T4SnAglO卄75 85MCB16Hl AlSn20Cu高速喷涂 （HVOF）+-H-卄卄85 95M

19、CR15S2 AlSnOCu牲理相沉枳 （Sputter）4-H-卄4-W-100130MCB16S3AlMaAlSn40牲理1松沉枳 （Sputter）-HH-卄+-H-100130表7无铅化青铜和痕层合金的性能（下转第10页）好的铅介金不能被利用，于是人们 研制了以Sn为主的新塑减摩涂层。山于Sn的硬度、疲劳强度相对较 低，为了増加涂広的疲劳强度而加 入了一定量的Cu （含量小于6%）； 为了增加减摩层与基体介金的结介 强度并避免Sn在匸作中扩散到基体 合金中左而造成局部偏析影响疲劳 强度,有的公司在减摩层与基体合 金间镀一层線中间层，见图3另 外，也有加入一定駅的Ag以提崗减 摩合金性能

20、。H3 Ni«J|±a9«合金lIlTAIS n20Cu 好的能,人们用高速喷涂（HVOF）和物 理气相沉积PVD （SPUTTER）的办 法将其喷涂在胃铜介金上。山物 理气相沉枳可以获得极细小和致密 的金相组织，故使AISn20Cu减摩层 的件能、结介强度、疲劳性能都有 了极大的臾高。其虑载能力町达 110 MPa以上。无铅化后减摩层 材料及制造方式见农6（3）无锚化铜荃轴瓦的疲劳 强度及其应用III上述基材与减摩合金层 及热啖涂PVD技术新的进展，开 发出的高强度的铜威三金属轴瓦 很好地适应了现今发动机的高爆 发压力的變求。经实践证明.疲 劳强度均在70 MP

21、a以上，最高可达 140 MPa,完全满足T重型柴油机 及车用宜喷增压汽汕机的轴承的要 求。MAHLE公诃打F-M公诃通过不 同的基础材料并9之相配不同的涂 层，形成了适应不同轴承负荷的轴 承种类。具体轴承类型及相关性能 的比较见表7。F-M公诃不同类型无 铅化三金属轴承的应用范丽及相应 的疲劳极限见图4（4）无铅化铜基连杆小头衬套 材料国外相继开发成功了 CuAI8合 金、铜铠介金CuSn10Bi3.5及岛強 度的青铜介金CuSn8Ni均已投入 商业化生产。这些合金的开发很好 地満足了现代发动机高比压、岛爆 有明显的改善.几种无铅连杆小衬 套材料的承载能力与传统铜铅材料 的对比见图5。3结束

22、语从匕述滑动轴承材料的发展情 况，我们看出国外已经在成熟应用 高强度的E ；基介金-钢轴瓦和铜基 介金钢篡层金屈轴瓦基础上，成 功地运用H VOF及Sputter工艺技术涂覆爲性能的减摩层，满足高爆发 压力（ 160x105 Pa以上）发动机 的使川耍求，同时实现了无铅化。 在国外，汽车材料无帝（无铅化） 法律、法规的实施，使传统的镀铅 合金层铅青铜三金屈轴瓦逐步退出 汽车领域。在我国,汽车发动机轴 瓦材料无铅化工作刚刚开 始，相应的法能、法规还 在讨论制订中，材料无铅 化的匸作处在试验研究阶 段，更没有形成工业化生 产，也没有形成材料系 列，比如欧芙許遍采用的 SputterT.艺技术,山于

23、资2009年第7期汽车工艺与材料AT&M 6© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 生 产顼爲SHOPSOLUTION2009年第7期被觇作一个山泄漏所引起的压力变 化，影响测量结果的准确性.这种 "冲气效应受充气压力、测试容积 及测试件材记影响.半充气压力或 测试容积增加时,这种充气引起的 压力降低随Z变得明显。解决这个 问题的办法之是在充气与测量之 间増加一段稳定时间来消除这种影 响。稳定时间的长短需要根据具体 测虽对象来确定。例如,

24、对一个内 腔容积为1 000 mL.充气压力为3X 10 § P a的铸铁测试对彖的测试农明， 要完全消除这种效应，稳定时间大 约需耍30 s。在生产线上应用,稳定时间过 长将影响生产线的生产节拍,这时 可行的措施就足采用差压法测S 在差压测磧系统中.山于引入参考 件，这种效应在测试件回路及参考 件回路中同时产生,因而可以在很 大程度上降低这种影响.参考件的 选择町以采用如下：与测试件完全相同的零件；与测试件体枳近似的I件。在 测量过程中调整其容积大小,以达 到一个满盘的平衡效果.应当指出的是，参考件的引入 还不能达到測駅要求时，只能通过 增加稳定时间來达到目的。e.寒件封址方式对测

25、量的影响零件的封坏在测磧过程中必须 保证其位置不发生改变,通常的做 法是在封M位誉的终竭采川挡铁以 保证钢件与钢件的接触.举例來讲，对于-个测试容积为 200cmVh1x105PalK力下测试，英封 站的山I积为20 cm2,若在测於过程中 封址位置发生0-01 cm (0.1 mm)的 变化,则相应体枳变化率为伯000. 相应地引起压力的变化为100 Pa. 这个数值已接近测晟的不合恪极限 值。当然，这是一个比较特殊的例 f. 般悄况卜封址面积与测试容积 的比值都要小得務。但是.这确实是 一个在封坏设计中不容忽视的问题， 我们在实际应用过程中遇到问题进行 分析时应注意该因索.除了上述対M位世发生变化造 成压力变化外，在试漏机设计和调 试过程中必須注意,试漏机的封堵 元件尽&不要作用在零件的非支撑 结构上，