發(fā)動機(jī)軸瓦減摩合金材料的無鉛化發(fā)展?fàn)顩r

宋云華，宋 郅

（武昌職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430202）

1 前言

軸瓦又稱為滑動軸承，目前，國際內(nèi)燃機(jī)滑動軸承技術(shù)主要有兩大發(fā)展趨勢:一是要使軸瓦承載能力和可靠性更高。二是要實現(xiàn)軸承材料的無鉛化?；瑒虞S承是汽車發(fā)動機(jī)中非常重要的摩擦易損件，用作軸瓦減摩合金的材料不僅要有足夠的抗壓強(qiáng)度、抗疲勞性能，同時還要具有良好的減摩性、耐磨性、嵌藏性、抗粘著性和較好的耐高溫性能。為了使軸瓦減摩合金材料達(dá)到這些要求，理想的軸瓦減摩合金材料應(yīng)該是在硬基體上分布著軟質(zhì)點，或在軟的基體上分布硬質(zhì)點。這樣，軸瓦在工作時，硬的基體或組織起著支承軸頸的作用，軟的組織首先被磨合，或者嵌藏雜質(zhì)，軟組織中還可以儲存潤滑油，在軸瓦表面形成比較均勻分布的油膜，從而減輕軸頸與軸瓦之間的摩擦。

由于固體潤滑劑鉛具有熔點低、質(zhì)軟易變形、與潤滑油的親和性好等特性，而且價格低廉，長期以來作為軟質(zhì)相或軟質(zhì)基體在滑動軸承中得到了非常廣泛的應(yīng)用。如含鉛量很大的ZChPbSb15—5、ZChPbSb10—6鉛基巴氏合金，曾占據(jù)巴氏合金的半壁江山，與錫基合金并列，長期用于低速輕載發(fā)動機(jī)軸承。

發(fā)動機(jī)軸瓦減摩合金材料共包括三大系列，即巴氏合金，銅鉛合金和鋁基合金。巴氏合金包括錫基巴氏合金和鉛基巴氏合金。

所有巴氏合金中的鉛基巴氏合金，銅鉛合金，鋁基合金中的鋁鉛合金大量含鉛，還有兩種鋁基合金含鎘（如ZSn12Cu6Cd1），因為鎘的加入，可以提高合金高溫時的硬度，改善耐磨性能。鉛與鎘都是對人體有害的有毒金屬。故從保護(hù)環(huán)境的角度來看，在發(fā)動機(jī)滑動軸承領(lǐng)域中必須嚴(yán)格控制使用銅鉛合金材料。

銅鉛合金是重載發(fā)動機(jī)用高強(qiáng)度軸承的主要材料，鉛基合金由于易腐蝕等原因已逐漸淘汰。但銅鉛合金迄今仍應(yīng)用廣泛。如作為主軸瓦和連桿瓦的CuPb24Sn和CuPb30Sn材料，含鉛量均很高。這些合金在熔煉鑄造過程中，會產(chǎn)生大量有毒有害氣體；機(jī)械加工過程中會產(chǎn)生有毒粉塵；在使用前還必須電鍍含鉛量極高的PbSn10、PbIn7等鍍覆層，電鍍時會產(chǎn)生有毒廢液；在這類軸承使用過程中，還會產(chǎn)生含Pb磨粒污染的潤滑油；再者，發(fā)動機(jī)修理和報廢時拆下的廢舊軸承也有可能造成二次污染。由此可見，含鉛軸瓦的使用對環(huán)境造成的污染是非常嚴(yán)重的。隨著人類社會的進(jìn)步，以及環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，對發(fā)動機(jī)滑動軸承制造業(yè)采用的銅鉛合金滑動軸承的材料中鉛的使用限制的呼聲越來越高。

為了實現(xiàn)軸瓦材料的無鉛化，國際上許多知名的發(fā)動機(jī)軸承公司已紛紛制定了無鉛化戰(zhàn)略，并研制出新型軸承材料。

例如，美國輝門公司（Federal Mogul）開發(fā)出發(fā)動機(jī)用軸瓦合金材料“CS-4”，該材料的特點是:無鉛，降低了硬度，混入較小異物時也不會發(fā)生問題。

從目前國外的發(fā)展趨勢來看，實現(xiàn)軸承材料無鉛化的主要途徑，首先是加強(qiáng)無表面鍍覆層的鋁基合金開發(fā)，包括合金成分的改進(jìn)，熔鑄、軋制工藝的改進(jìn)，軸承工作層結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等；其次是替代傳統(tǒng)鉛基鍍層的無鉛鍍層的開發(fā)研制。

2 鋁錫合金軸瓦

（1）AlSn20Cu高錫-鋁合金。AlSn20Cu錫-鋁合金是最早由英國Glacier公司(已經(jīng)被MAHLE公司收購)研制并大批量生產(chǎn)的一種合金，幾乎所有金屬帶料廠家都引進(jìn)其生產(chǎn)技術(shù)專利并有相應(yīng)的牌號。迄今為止是應(yīng)用范圍最廣泛的合金之一。含有20%的錫和1%的銅，其余為鋁，金相組織為網(wǎng)狀或點狀的鋁錫共晶均勻地分布在鋁基體中。為一中等承載能力的軸承合金。它有優(yōu)異的抗咬合性和嵌入性，無需涂層即可與硬軸或軟軸相匹配。據(jù)英國格拉希爾公司稱，該公司生產(chǎn)的這種合金軸承的承載能力可達(dá)330kg/cm2。各公司為了提高AlSn20Cu的疲勞性能，在其基礎(chǔ)上又添加了Mn、Ni等微量元素，進(jìn)一步提高了2AlSn20Cu的性能并擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

（2）AlSn10Cu中錫鋁合金。AlSn10Cu中錫鋁合金含10%～12%的錫，2%左右的銅，2%～4%硅，其金相組織為在細(xì)致的鋁固溶體基體上分布連續(xù)網(wǎng)狀錫鋁共晶體和彌散細(xì)碎共晶硅顆粒，即在較硬的基體組織中存在軟相與硬質(zhì)點的結(jié)晶的雙相結(jié)構(gòu)。這樣的組織既保證了對軸的良好的拋光作用，又避免了過度磨損及咬粘，還有比較高的疲勞強(qiáng)度，比20%錫——鋁合金提高了20%～30%。AlSn10CuMn與AlSn20CuMn金相對比其晶粒更加致密。而由于中間結(jié)合層由純鋁變成了強(qiáng)度更高的AlNi合金，其承載能力和疲勞強(qiáng)度也得到了很大的提高。特別是與球墨鑄鐵曲軸相配具有很好的摩擦性能和相容性。近年來，此類合金在高速汽油機(jī)上得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其中以Glicier公司的ASl04及ASl241為代表。其他公司也紛紛研制了自己的中錫鋁及中錫鋁硅材料。

（3）AlSn6CuNi低錫鋁合金。為了獲得更好的疲勞強(qiáng)度和承載性能，國外相繼開發(fā)了錫含量為6%～7%的低錫鋁合金。其硬度與中錫材料相比提高了30%左右，達(dá)到60～70HV。在加入錳、鎳、釩等微量元素后疲勞強(qiáng)度又有很大的提高，已經(jīng)接近傳統(tǒng)的CuPb24的水平。在高速、高負(fù)荷的汽油機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，使汽油機(jī)用軸瓦徹底告別了銅鉛合金時代。

3 國內(nèi)無鉛化狀況

國際上無鉛化已經(jīng)開始立法，引起我國軸承行業(yè)的極大關(guān)注，并開始行動起來。主要表現(xiàn)在:多數(shù)軸瓦材料廠家加強(qiáng)了鋁合金中錫材料的開發(fā)，甚至開發(fā)了高錫和超高錫鋁合金材料，通過摸索試驗新的制造工藝，使材料的藍(lán)寶石試驗疲勞強(qiáng)度達(dá)到120MPa左右，比國產(chǎn)AlSn20Cu提高25%以上；加強(qiáng)了AlZn4.5Mg鋁鋅合金的開發(fā)；開發(fā)了AlSn40超高錫鋁合金。還有研究者在合金中添加石墨等非金屬材料。這些材料已在某些機(jī)型上成功應(yīng)用，在中高載荷領(lǐng)域取代承載能力不足的AlSn20Cu軸瓦，改變了過去只能用銅鉛三層軸瓦的狀況；原來專業(yè)化生產(chǎn)燒結(jié)銅鉛軸瓦材料的工廠，如上海核威軸瓦材料廠，出于長遠(yuǎn)考慮，也增添了鋁合金生產(chǎn)線；有的過去只生產(chǎn)巴氏合金和銅鉛合金軸瓦的工廠，也開始生產(chǎn)鋁合金軸瓦。

另外，合肥工業(yè)大學(xué)摩擦學(xué)研究所尹延國等人已研究出新型無鉛銅鉍軸承合金。有望在近期推廣使用。

近年來，上海云瀛復(fù)合材料有限公司由于隨著鋁基—鋼雙金屬材料制造設(shè)備及工藝的不斷完善，在高錫鋁基的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一系列中錫合金的新材料，其中硅、錳、鎳、釩等元素的加入，增加了軟基體的強(qiáng)度，從而使材料的抗疲勞性、耐磨性都有了相應(yīng)的提高，軸承材料獲得了高的疲勞強(qiáng)度和承載能力。

大豐工業(yè)（煙臺）有限公司，致力于無鉛軸瓦產(chǎn)品的開發(fā)，他們的員工說，“在同類產(chǎn)品中，我們是產(chǎn)品無鉛化的唯一實施者?！?/p>

但是，總的看來，我國在無鉛化方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于國外。主要原因是:我國還沒有這方面的立法，所以軸承行業(yè)沒有危機(jī)意識；主機(jī)廠在軸承材料選擇方面主要考慮成本和多年的使用習(xí)慣，較少考慮無鉛化問題，有些軸承負(fù)荷屬于中高范疇，中錫材料完全可以滿足要求的，卻一味選用銅鉛軸瓦，所以軸瓦生產(chǎn)廠也缺乏無鉛化的推動力。而軸瓦廠家也只能是對主機(jī)廠“惟命是從”，這種情況下中錫材料產(chǎn)量始終上不去，阻礙了它的發(fā)展，造成國內(nèi)軸瓦材料品種單一?；诖耍瑢懘宋囊砸鹩嘘P(guān)方面重視。