軸承合金綜述

1、軸承合金綜述傳統(tǒng)的汽車軸承合金巴氏合金及銅基合金正在被鋁基軸承合金所取代1-3 。在鋁基合金中，由于鋁鉛合金綜合性能優(yōu)于目前普遍使用的鋁錫合金3 -5,而且價格便宜，因此鋁鉛合金已是目前各國材料工作者重點研制和開發(fā)的軸承合金材料之一。然而，由于金屬鋁、鉛的比重、熔點相差懸殊，兩金屬在固態(tài)溶解度極?。ㄔ? 2 7c，鉛在鋁中的溶解度 0 . 05% ）,在液態(tài)下也又t以互溶（在90 0c，鉛在鋁中的溶解度約8% ）。為使鉛能均勻分布到鋁合金中，某些專門的技術(shù)已被采用，例如：在熔化和澆注過程中利用超聲波感應(yīng)攪拌5,感應(yīng)攪拌連續(xù)鑄造法6及粉末冶金燒結(jié)軋制法7。然而，這些方法成本高，工藝復(fù)雜，而且鉛

2、的含量受到限制 （ 1 0 % ） 8。近年來，為生產(chǎn)高鉛鋁合金 ，一種強制攪拌技術(shù)已被研制.傳統(tǒng)的巴氏合金及銅基合金作為汽車軸承合金正在被鋁基軸承合金所取代。為了改善合金的抗咬死和抗粘著性，往往在鋁基合金中加入鉛、錫、鎘、錮甚至石墨2 。在這些元素中，鉛較其他元素更加有效。據(jù)報道，鋁鉛合金比鋁錫合金具有更好的疲勞強度和耐磨性，比銅基合金具有更好的耐蝕性35。但是，鋁鉛合金的生產(chǎn)存在著冶金上的困難，這些困難包括：（1 ）兩金屬在液態(tài)下難于互溶；（2 ）在室溫下幾乎不互溶；（3）由于金屬鋁和鉛密度相差懸殊，使鉛相嚴(yán)重偏析。以上問題導(dǎo)致鑄造鋁鉛合金軸承沒有得到廣泛應(yīng)用（1 ）鑄態(tài)鋁鉛合金的顯微組織

3、主要由鉛顆粒、鋁枝晶和硅顆粒組成，隨鉛含量的增加 ，鉛顆粒尺寸增大。（2 ）在鉛含量從0到2 5%內(nèi) 而于鉛在合金中作為軟相存在，導(dǎo)致鑄態(tài)鋁鉛合金的硬度、抗拉強度和伸長率隨鉛含量的增加而減小。（3）斷口分析表明，隨鉛含量的增加，鑄態(tài)合金的斷口特征由塑性向脆性轉(zhuǎn)變。（4）鑄態(tài)鋁鉛合金的磨損量和摩擦系數(shù)隨鉛含量的增加而減小，在鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 5%2 0 %時有一最小值，表明作為減磨材料，鑄造鋁鉛合金的鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 5%2 0 %時，其摩擦磨損特性具有最佳值。的1MD2110 用露 W 51 61）70 8C 90PM.由AlPb合金相圖（見圖1 ）可以看出，鋁鉛在固態(tài)下的互溶度極小，液態(tài)時也

4、難以互溶（82 7c時的溶解度為 6 5%P b ）。在鋁熔點溫度之上有一段相當(dāng)寬的兩相分離區(qū)，鋁鉛在此區(qū)內(nèi)為不相混溶的液體，隨鉛含量的增加，此區(qū)范圍變大。由于鋁鉛密度相差懸殊鉛在兩相分離區(qū)因重力作用而產(chǎn)生偏析的傾向很大。因此，該合金在熔煉鑄造時，存在較大難度。目前，鋁鉛合金多采用粉末冶金法生產(chǎn)，與鑄造法相比，該法投資大、工藝復(fù)雜，而且鉛的含量受到限制1 （1 0 %Pb ）。然而，研究表明2，在超薄油膜的工作條件下 可接受的最低鉛含量為6 5%1 3%。最初人們是用傳統(tǒng)的鑄造方法來生產(chǎn)Al-Pb 系合金,但遇到了許多問題,如比重偏析就是一種非常難以解決的問題。出現(xiàn)比重偏析的原因是:一,從 A

5、l-Pb 的二元相圖可以發(fā)現(xiàn)在固態(tài)下兩者間的固溶度幾乎為零,即使在液態(tài)下(T<1 83 9K) 兩種金屬之間也存在很大的溶解度間隙。二，由于Pb、Al兩種金屬的密度 (pAl= 2.7 X 1 0 3 kg/ m3 ; p Pb=1 1 . 3 4X1 0 3 kg/ m3 )差別很大。為了獲得使Pb在Al基體中均勻彌散分布的結(jié)構(gòu)，就必須克服比重偏析。 為此近年來許多研究者采用各種不同的方法制備Al-Pb 系合金,以期獲得均勻的組織和良好的摩擦性能。目前制造Al-Pb 系合金的方法主要有:2 . 1 快速凝固法1 該方法是將Al-Pb 加熱到1 83 9K 以上得到單相熔融合金,然后快冷

6、(冷速高達(dá)1 0 0 0 K/ S 以上 )。雖然該方法能得到 Pb 在 Al 中的均勻分布的組織,但要求的冷速高,而且并不能完全得到單一均勻的結(jié)構(gòu)也就是說所得的結(jié)果可能出現(xiàn)富Al 和富 Pb 的兩種區(qū)域。這種制造Al-Pb 系合金的方法最早使用于80年代初期現(xiàn)在已很少使用。2.2電磁場補償重力法2 根據(jù)Pb有磁性的特點， 將 Al-Pb 加熱到 1 83 9K 以上得到單相合金,在隨后的冷卻過程中采用電磁場以防止重力偏析。目前該方法很少有報道。2 . 3 攪拌-速冷鑄造法它又分為兩種:一種是在液-固混合液狀態(tài)下攪拌鑄造1 : 另一種是在液-液狀態(tài)下攪拌鑄造2 。 液-固攪拌鑄造是將液態(tài)的Pb

7、 分布于固態(tài)的Al 合金的晶界上; 液-液攪拌鑄造法Al-Pb 系合金實質(zhì)是將液態(tài)下的Pb彌散于 Al 液中,隨后速冷。由于該方法要求的溫度不高,近年來研究得較多。此外,也有用超聲波混合3 來獲得均勻Al-Pb 系合金的鑄造方法。2 . 4 粉末冶金法它是采用兩種或多種金屬粉末混合壓制燒結(jié),最近也有報道4用動態(tài)壓制法(DynamicCompaction), 動態(tài)壓制法是通過瞬時高壓使得金屬粉末表面間因摩擦產(chǎn)生瞬時高溫使得表面融化焊合,不再需要隨后的燒結(jié)過程。2 . 5 機械合金化法5該方法是將兩種金屬粉末放在球磨機中球磨,得到晶粒很小甚至納米晶的混合粉末,后再壓制燒結(jié)成型。朱敏等 5 對 Al

8、-Pb 采用高能球磨將Al 和 Pb 的金屬粉末進(jìn)一步機械合金化。研究結(jié)果表明，即使在Pb-50 %Al情況下都能獲得均勻分布的晶粒大小約為0.5dm的組織。而且在進(jìn)一步電鏡觀察發(fā)現(xiàn)在 Al基體中有尺寸約 1 0 nm的Pb晶粒存在，Pb與Al之間晶體學(xué) 取向呈立方-立方關(guān)系,這與Moor8 用冷鑄法和熔體旋淬法獲得的Al-Pb 系合金組織中的Al 和 Pb 的取向關(guān)系一致。而且在一個Al 晶粒內(nèi)的所有Pb 粒子的取向相同。作者最近對Al-(1 01 8%)Pb采用機械球磨 +粉末冶金法的研究結(jié)果也證實機械合金化能獲得 Pb顆粒均勻彌散分布的 Al-Pb系合金，而且在 Al基體中存在許多納米數(shù)

9、量級的Pb粒子。當(dāng)機械球磨的速度R 2 0 0 RPM時,Pb粒子彌散分布而且非常細(xì)小，幾乎不存在任何偏析。通過比較發(fā)現(xiàn)這種彌散分布與鑄造所得的明顯不同。還對Pb含量對耐磨性的影響進(jìn)行了研究結(jié)果表明對于Pb8wt%以上的Al-Pb系合金的Pb的彌散分布能顯著改善Al-Pb系合金磨損性能，特別是在低速下更是如此；隨著Pb含量增加體磨損量減小，但當(dāng)Pb含量> 2 0 WT%以后，又出現(xiàn)磨損加劇的現(xiàn)象。對上述現(xiàn)象 ,Mohan 認(rèn)為由于Pb 含量增加,Al-Pb 合金在磨損時會逐漸形成一層很均勻的相當(dāng)于固體潤滑劑的Pb薄膜，從而提高了 Al-Pb合金的耐磨性能。而當(dāng) Pb含量> 2 0

10、WT%時隨著 Pb 含量的增加,合金的硬度顯著下降,導(dǎo)致了磨損時犁溝現(xiàn)象加劇,而且較高的鉛含量會促使生成 Pb2 Al2 O5 的復(fù)雜氧化物,它也使得磨損加劇。當(dāng)Pb含量約2 0時，Pb薄膜的形成和分布與基體的硬度達(dá)到了最優(yōu)組合而使得摩擦系 數(shù)最小。Y. Ogita 等 1 6研究了熱沖壓工藝對粉末冶金法制得-Pb 軸承合金的性能的影響,通過熱沖壓獲得圖 4體磨損量隨載荷的變化曲線1 5 口 5. 1 33 X 1 0 -1 ms-1 ; 3. 850 X1 0 -1 ms-1 x 2.56 7 x 1 0 -1 ms-1 ; 1 . 2 83 乂 1 0 -1 ms-1Al-Pb 軸承合金的

11、性能得到了優(yōu) 化: 疲勞強度比用傳統(tǒng)燒結(jié)的高出3 0 %; 有優(yōu)異的抗咬合性能(當(dāng)Pb 含量 >1 0 %) 。表 1中列出了Al-Sn 合金 (No. 1 ); 用傳統(tǒng)燒結(jié)法制得的Al-Pb 系合金 (No. 2 ); 用新的熱沖壓處理工藝制得的Al-Pb 系合金 (No. 3 )的成分及硬度。圖 5 給出了上述三種合金的溫度-硬度曲線圖?？梢夾l-Pb 系合金的硬度比相同溫度下的Al-Sn 合金高約1 0 Hv; Al-Pb 合金的這種高硬度對于其應(yīng)用在軸承上相當(dāng)重要。圖6 給出了這三種合金的疲勞強度,其中No. 3試樣的疲勞強度與Al-Sn 合金相當(dāng),這也證實了用Al-Pb 軸承合

12、金取代Al-Sn 合金的可行性。圖 7 指出在磨坑試驗(Cavitation) 中 No. 3 試樣的體積減少最少,圖 8 分別給出了No.1 ,No. 2 ,No. 3 三種合金摩擦實驗的結(jié)果,結(jié)果也證明No. 3 合金的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它兩種合金 ,而抗咬合磨損性能比Al-Sn 合金高一倍以上。粉末冶金得到的Al-Pb 合金具有優(yōu)于Al-Sn 合金的抗咬合性能這是因為較軟Pb 金屬在磨損時形成薄膜附著在基體表面使得抗咬合性能顯著提高。針對A 1Pb軸瓦合金的研究，人們開發(fā)了多種制備工藝。目前應(yīng)用較為廣泛的主要是R S P M工藝和快冷鑄軋工藝等。根據(jù)軸瓦材料減摩理論2 ,結(jié)合軸瓦材料的性能

13、要求,軸瓦合金在組織上應(yīng)該是一種含有特定軟、硬質(zhì)點分布的多相結(jié)構(gòu)。對A 1P b系而言，關(guān)鍵是控制合金中富鉛相的形態(tài)和分布3 。本文針對空氣和僦氣霧化制備的A 1 P b系多元合金粉末,研究了其顯微結(jié)構(gòu)特點。Al P b系軸瓦合金的開發(fā)最早見于1 969年美國的S A E會議報告1 及同年由Mi c h i c a 1等發(fā)表的專利 2 ,至80年代初，已有美國、日本等國家開始了 A 1 Pb系 軸瓦合金的工業(yè)化生產(chǎn)3 。國內(nèi)從1 984年開始了 A 1P b系軸瓦合金的工業(yè)化開發(fā)研究 ,1 995 年北京有色金屬研究總院與北京汽車摩托車軸瓦廠合作,建立了年生產(chǎn)能力為10 0 0 t的AlPb系

14、軸瓦合金的生產(chǎn)線，并加工成軸瓦產(chǎn)品在國產(chǎn)切諾基汽車發(fā)動機、CA488發(fā)動機上應(yīng)用。上述A 1 P b系軸瓦合金均是采用傳統(tǒng)的R S/PM工藝生產(chǎn)4。近年來，國內(nèi)外A 1 P b系合金研究開發(fā)的主要工作集中在改善和采用低成本的快速冷卻工 藝方面，對一些低鉛含量的A 1 Pb系合金，已試驗了鑄軋的工藝方法，并取得了良好的效果；但對于一些高鉛含量的A 1 Pb系合金，則未見有新的研究開發(fā)結(jié)果報道。常用的鋁基軸承合金有鋁銻鎂軸承合金,鋁錫軸承合金。特別是近幾年發(fā)展起來的高錫鋁基軸承合金,它具有更高的承載能力與疲勞強度。它與低碳鋼一起軋制成雙金屬軸瓦，可在壓力為 2 80X 1 0 5N/mm 2，滑動

15、速度1 3m/s的條件下工作，其抗咬合性能與巴氏合金相當(dāng)。常用的高錫鋁基軸承合金化學(xué)成分是:2 0 %Sn ,1 %Cu ,F e < 07%,S i <05%,其余Al。因為錫在鋁中溶解度極小，所以含錫2 0 %的鋁錫合金共晶組織較多,錫呈網(wǎng)狀包圍著鋁晶體,大大降低合金的機械性能。為消除網(wǎng)狀共晶體,澆注以后,合金與鋼背一起軋制,經(jīng)3 50退火3 小時 ,錫被球化。該合金的實際組織是硬鋁基體上分布著軟的粒狀錫質(zhì)點。在鋁錫合金中加入Cu、N 1、RE等。因其能溶入基體鋁中，可進(jìn)一步提高基體強度，且RE能夠改善合金組織。高錫鋁基軸承合金生產(chǎn)簡便，成本不高，在我國已廣泛用于中、高速汽車、

16、拖拉機的柴油機軸承上。鋁錫硅系合金是近年來國外研究并開發(fā)的新型發(fā)動機軸承材料，這種新型A 1 -Sn -S i系合金的基體中既含有柔軟的3 ( S n )相，又包含硬質(zhì)的S i粒子，因而顯示出比傳統(tǒng)A 1 -S n兩相合金更為優(yōu)良的力學(xué)和摩擦學(xué)綜合特性15.國內(nèi)對這方面的研究很少，目前仍鮮見報導(dǎo).筆者的前期研究發(fā)現(xiàn)：新型A 1 -S n -Si系合金中，除S i元素在A 1中有極小的溶解度外，其余組元之間未形成化合物且?guī)缀趸ゲ还倘?，并且，由于S n與S1、A 1的比重差大，因此，熔鑄控制不當(dāng)，難以得到均勻的結(jié)晶組織,S 1常以粗大的條狀分布，3 (S n )相也分布極不均勻6 ,因此，改善這類

17、合金的鑄態(tài)組織尤其重要.本文研究鈉鹽變質(zhì)處理對鋁錫硅合金相組織的影響并闡述影響的原因,為控制合金的最佳相組織組態(tài)提供理論依據(jù).因此，根據(jù)圖3可知，新型鋁錫硅合金的結(jié)晶過程應(yīng)為液相首先結(jié)晶出“(A1)固溶體相，然后，開始發(fā)生L a (A 1 ) + S i二元共晶反應(yīng)，隨著溫度的降低，液相中S n的濃度越來越高,最后在2 2 9 C左右，幾乎為純S n的液相發(fā)生L a (A 1 ) +Si + 3(Sn )三元共晶反應(yīng)，因此，最后凝固的S n相依附于共晶S 1粒子凝固并存在于晶界，由于先行結(jié)晶的共晶S i為 3 (S n )相的凝固提供了有利的非自發(fā)核心，未變質(zhì)時，3 (S n )相依附于長條狀

18、共晶S i ，由于總表面能太大而不能全包圍條狀S i而凝固 ，因此3 (S n )相分布 極不均勻，但是，在變質(zhì)條件下，Si細(xì)化成粒狀 ，3 (S n )完全可以環(huán)繞S 1而凝固 ；另 一方面，變質(zhì)處理可使熔體的粘度增加6 ,可以減低 3 (Sn)與其它元素比重差的影響，為3 ( S n )相在晶界的均勻分布創(chuàng)造了有利條件A 1 P b系軸瓦合金的開發(fā)最早見于1 969年的S A E會議報告1 及同年由M i ch i c a 1等發(fā)明的專利2 。與傳統(tǒng)的高錫鋁合金、巴氏合金、銅鉛合金相比，A 1 P b系合金具有較高的承載能力,良好的減摩性、抗咬合性、適應(yīng)性和耐磨性等優(yōu)良的綜合性能,可與球墨鑄鐵曲軸理想匹配,滿足新型發(fā)動機高速、高負(fù)載運轉(zhuǎn)的要求,因而在轎車及輕型車發(fā)動機主軸瓦與連桿瓦中得到廣泛應(yīng)用。