銅－鉍無鉛軸承材料摩擦學特性研究

尹延國， 焦祥楠， 沈持正

（1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車學院，安徽 合肥 230009；2.雙飛潤滑材料有限公司 浙江 嘉善 314115）

銅鉛軸承材料作具有較好的減摩、耐磨性能，同時具有較高的導熱性能和承載能力，被廣泛地用于制造大功率及高速重載的滑動軸承零件［1－5］。但是，長期使用含鉛產(chǎn)品會對人體和環(huán)境造成不可忽視的危害，產(chǎn)品無鉛化成為必然趨勢。無毒低熔點鉍與鉛相似，與銅不溶，也不形成化合物，基本以游離態(tài)形式存在于銅合金中，摩擦過程中摩擦熱使低熔點的鉍在摩擦表面熔化析出，起到減摩、抗黏著作用，從而降低摩擦副摩擦系數(shù)，改善穩(wěn)定性［6－12］。本文研究2種銅鉍軸承材料的摩擦學特性及軸套PV值特性，并且與典型的銅鉛軸承材料進行了對比分析。

1 實 驗

1.1 材料制備

4種銅基軸承材料的配方見表1所列，其基體主要為銅，在此基礎上分別添加鉍、鉛、鋅及錫。試樣采用粉末冶金復軋復燒工藝制備，具體工藝為：首先按照比例精確稱重配比并且混合均勻，將混合后的粉料鋪覆在冷軋鍍銅低碳鋼板的底層基體上，鋪粉厚度為0.60～0.70mm，材料燒結(jié)在高溫網(wǎng)帶燒結(jié)爐中進行，高溫燒結(jié)溫度為820～880℃，采用氨分解氣氛（N2、H2）為保護氣氛，燒結(jié)氣氛的主要作用是控制合金粉與環(huán)境之間的化學反應，可以起到還原粉末顆粒表面的氧化膜，促進燒結(jié)，防止材料進一步氧化的作用。保溫時間為15～20min，二次燒結(jié)溫度為800～860℃，保溫時間為15～20min。具體制備工藝為：鋼板剪切下料→鋼板鍍銅→檢驗→鋪粉→燒結(jié)→軋制→復燒→復軋→雙金屬板材→軸承套。

表1 銅基粉末冶金材料組成質(zhì)量分數(shù) %

1.2 端面摩擦磨損試驗

摩擦磨損試驗在HDM－20型端面摩擦磨損試驗機上進行，試驗摩擦副為兩端面緊密接觸運動方式，對偶件（圓環(huán)接觸端面）旋轉(zhuǎn)，待測試樣（圓片狀）為銅基軸承材料金屬板材，由夾具壓緊止動。摩擦副的接觸方式及對偶件如圖1所示。

圖1 摩擦副的接觸形式及對偶件

對偶件為45＃淬火鋼，硬度值為HRC（50±3），環(huán)端面開有4個2mm寬的油槽。圓環(huán)表面接觸尺寸為：內(nèi)徑22mm，外徑30mm。試驗條件浸油潤滑，潤滑油為32＃機油，對偶件線速度為1m／s。載荷分定載荷和變載荷2種形式，定載荷時，載荷為1 200N，時間60min；變載荷時，初始載荷為800N，先跑合15min，然后每隔10min加載1次，每次增加400N。直到摩擦副摩擦系數(shù)、摩擦副表面溫度急劇上升時停止試驗，摩擦副摩擦系數(shù)和摩擦副表面溫度由試驗機自動記錄，每個試驗結(jié)果為3次平行試驗結(jié)果的平均值。

1.3 PV值試驗

軸套PV值摩擦磨損試驗在MPV－1500型試驗機進行，圖2所示為PV值摩擦磨損示意圖。采用定速度、逐級加載方式，旋轉(zhuǎn)軸（對偶件）為45＃淬火鋼，硬度值為 HRC（50±3），外徑為35mm。外試樣為銅基材料軸套，內(nèi)徑為35mm，頂部開一個油槽，油槽直徑為5mm，銅基材料軸套和旋轉(zhuǎn)軸有較高尺寸精度（內(nèi)孔精度）和形位公差［13－14］。試驗條件為滴油潤滑，50滴／min，潤滑油為32＃機油，摩擦副的接觸方式如圖3所示。旋轉(zhuǎn)軸以2.5m／s恒定線速度旋轉(zhuǎn)，試驗加載方式為：初始載荷為350N，每10min加載1次，每次增加載荷為700N，直至摩擦副摩擦系數(shù)、摩擦副表面溫度急劇上升時終止試驗，實驗結(jié)束后清潔軸套，稱重測定磨損量。

圖2 PV值試驗示意圖

圖3 摩擦副的接觸形式

2 結(jié)果與討論

2.1 定載荷條件下摩擦學特性

定載、定速條件下的摩擦磨損試驗結(jié)果，如圖4所示。由圖4看出，這4種銅基軸承材料摩擦副運行平穩(wěn)，摩擦副摩擦系數(shù)隨時間變化趨勢大致相同，60min時間內(nèi)摩擦副摩擦系數(shù)一直維持在0.1左右，變動幅度較小，沒有發(fā)生突變，表明4種銅基軸承材料在定載荷條件下，具有較穩(wěn)定的減摩、抗黏著特性。摩擦磨損試驗后這4種銅基軸承材料的磨痕深度如圖5所示，由圖5可見磨痕深度值相差較大。圖5中橫軸1～4分別為Cu10Sn1.5Bi、Cu10Sn3.0Bi、Cu6SnZnPb、Cu10Sn10Pb。其中Cu10Sn3.0Bi、Cu10Sn10Pb 2種材料的磨痕深度分別為1.3、1.59μm，耐磨性相對較好；而Cu10Sn1.5Bi、Cu6Sn6Zn3Pb 2種材料的磨痕深度分別為2.9、3.04μm，幾乎是前2種材料的2倍，耐磨性相對較差?？傮w而言，Cu10Sn3.0Bi、Cu10Sn10Pb這2種銅基軸承材料具有相對較好的減摩、耐磨性能。

圖4 定載荷條件下摩擦副摩擦系數(shù)曲線

圖5 磨痕深度柱狀圖

2.2 變載荷條件下的摩擦學特性

在逐級加載條件下，通過銅基軸承材料摩擦副摩擦系數(shù)、摩擦副表面溫度隨載荷增加的變化規(guī)律，分析銅基軸承材料的減摩、抗黏著特性和承載能力，分別如圖6、圖7所示。摩擦副摩擦系數(shù)在初始加載時較高，然后隨著時間和載荷的增加摩擦副摩擦系數(shù)開始降低并趨于穩(wěn)定，摩擦副表面溫度在試驗初期上升較快，當摩擦副運行穩(wěn)定后摩擦副表面溫度緩慢上升，當載荷增加到一定程度后摩擦副摩擦系數(shù)和摩擦副表面溫度急劇上升，摩擦副失效，從圖6、圖7中可以看到，Cu10Sn3Bi和Cu10Sn10Pb 2種銅基軸承材料的穩(wěn)定運行時間較長。當載荷增加到4 000N時，Cu10Sn10Pb軸承材料摩擦副摩擦系數(shù)和摩擦副表面溫度快速上升，并且伴有明顯的振動和噪聲，摩擦副發(fā)生嚴重粘著和咬合而失效，而此時Cu10Sn3Bi軸承材料的減摩、抗黏著特性幾乎不受載荷影響，摩擦副摩擦系數(shù)一直維持在0.07左右，摩擦副表面溫升速率也較低；當載荷升至4 400N時，Cu10Sn3Bi銅基軸承材料摩擦副也發(fā)生嚴重粘著和咬合而失效。與Cu10Sn3Bi和Cu10Sn10Pb 2種銅基軸承材料相比，Cu6Sn6Zn3Pb和Cu10Sn1.5Bi銅基軸承材料減摩、抗黏著性能相對較差，當載荷超過3 200N時，這2種材料摩擦副發(fā)生嚴重粘著和咬合而失效。試驗采用浸油潤滑，對偶件與待測試樣始終處于緊密接觸，摩擦副處于邊界潤滑狀態(tài)。摩擦磨損過程中微凸體的接觸、焊合和剪切導致局部接觸點溫度快速升高，當接觸點溫度升至軟質(zhì)相金屬的熔點時，銅基軸承材料的軟質(zhì)相析出，這樣可以降低接觸點的剪切強度，避免粘著的發(fā)生，潤滑油膜損傷減小，有利于改善摩擦副的減摩、抗黏著特性。由于這4種銅基合金軸承材料基體中的軟質(zhì)相性質(zhì)和含量不同，使得它們表現(xiàn)出不同的減摩、抗黏著特性。

圖6 變載荷條件下摩擦副摩擦系數(shù)曲線

圖7 摩擦副表面溫度曲線

2.3 PV值特性研究

在MPV－1500試驗機上進行了軸套PV值摩擦磨損試驗，試驗條件如前所述，與變載荷條件下的端面摩擦磨損試驗類似，載荷適中時，試驗運行平穩(wěn)，摩擦副摩擦系數(shù)較小，溫升也平穩(wěn)。當載荷超過一定值時，試驗開始運行不平穩(wěn)，伴有明顯的震動和噪聲現(xiàn)象，摩擦副摩擦系數(shù)和摩擦副表面溫度快速上升，該載荷即為銅基軸承材料軸套PV值試驗的極限載荷。本次軸套PV值試驗分5輪進行，實驗結(jié)束后銅基材料軸套的平均載荷、平均PV值及平均磨損量見表2所列。圖8所示直方高度為5次試驗中，每次軸套破壞時的極限載荷，載荷從小至大依次排列，其橫軸含義同圖5。

表2 平均載荷、PV值及磨損量

圖8 銅基材料軸套各次試驗極限載荷

當載荷低于2.5MPa時，4種銅基軸承材料摩擦副運行均較平穩(wěn)，當載荷達到2.5MPa時，Cu6Sn6Zn3Pb、Cu10Sn10Pb 2種銅基軸承材料均有一次達到極限值，2種銅基軸承材料的最大極限載荷分別為4.5、5.5MPa，平均極限載荷分別為3.7、3.9MPa，平均極限PV值分別為9.25、9.75MPa·m／s；Cu10Sn1.5Bi的平均極限載荷為3.7MPa，平均極限PV值為9.25MPa·m／s，基本與以上2種材料相當。但比較而言，Cu10Sn10Pb、Cu6Sn6Zn3Pb 2種銅基軸承材料的彌散性更大；在軸套PV值摩擦磨損試驗中，Cu10Sn3.0Bi材料表現(xiàn)出了更好的摩擦學特性，試驗穩(wěn)定性、重復性好，載荷低于4.5MPa時，試驗運行穩(wěn)定，摩擦副摩擦系數(shù)和表面溫度上升平穩(wěn)，當載荷為4.5MPa時3次達到極限值，最大極限載荷為8.5MPa，其平均PV極限值為13.75MPa·m／s，明顯高于其他3種，試驗結(jié)束后，Cu10Sn3.0Bi材料的磨損量在4中銅基軸承材料中最低。因此，由軸套PV值試驗結(jié)果可以看出，Cu10Sn3.0Bi材料具有相對最佳的摩擦學特性。

3 結(jié) 論

在端面摩擦磨損試驗中，Cu10Sn3Bi、Cu10Sn10Pb 2種銅基軸承材料體現(xiàn)出較好的減摩、耐磨特性，同時具有較高的承載能力。在軸套PV值試驗中，Cu10Sn3Bi銅基軸承材料極限破壞載荷最大，平均PV值高于典型的銅鉛軸承材料Cu10Sn10Pb和Cu6Sn6Zn3Pb，同時磨損量最小，具有良好的摩擦學特性。

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