速度與載荷對無鉛銅鉍軸承材料摩擦學特性的影響

林福東，黃 平，尹延國

(1.中國電子科技集團公司第43研究所，合肥230088；2.合肥工業(yè)大學 摩擦學研究所，合肥230009)

鉛具有質軟易變形、熔點低、跑合性能佳、邊界潤滑性能好以及價格低廉等特性，工作過程中，低熔點的組元鉛受局部接觸摩擦熱的作用會向表面滲出、轉移，降低接觸點的剪切強度，能夠提高材料的抗粘著性、抗卡滯能力，降低摩擦阻力和摩擦溫升[1?3]。然而，由于鉛在生產、電鍍過程中的污染及軸瓦廢棄后產生的二次污染，對環(huán)境和人體健康造成了巨大的危害[4?6]。隨著近年來人類對自身健康、環(huán)境保護要求的重視，國內外汽車排放和環(huán)保標準陸續(xù)出臺，對汽車材料的環(huán)保性能提出了越來越高的要求，滑動軸承材料的無鉛化勢在必行[7-9]。研究表明無毒低熔點金屬元素鉍具有與鉛類似的減摩、抗粘著等特性，是最有可能取代銅基軸承材料中鉛的綠色金屬元素之一[3,7?10]。林福東等采用常規(guī)粉末冶金方法制備了含不同質量分數鉍的無鉛含鉍銅?鋼雙金屬軸承材料，在邊界潤滑條件下進行了摩擦磨損試驗，分析了鉍含量對其減摩、抗粘著性能及承載能力的影響，并與典型銅鉛軸承材料(CuSn10Pb10)及銅錫合金(CuSn10)性能進行了對比研究。研究結果表明：所制備的幾種含鉍銅-鋼雙金屬軸承材料減摩耐磨、抗粘著性能及承載能力均明顯優(yōu)于銅錫合金(CuSn10)，尤其質量分數為3.0%的含鉍銅?鋼雙金屬軸承材料摩擦學性能接近或優(yōu)于銅鉛軸承材料(CuSn10Pb10)[11?12]。然而，目前國內外有關無鉛含鉍銅基軸承材料的研究還處于剛剛起步階段，尤其摩擦磨損性能及機理的研究至今還缺乏系統(tǒng)性。為此，本文采用粉末冶金方法制備無鉛含鉍銅?鋼雙金屬軸承材料(CuBi3Sn10),系統(tǒng)地研究其在不同載荷和摩擦速度下的減摩、耐磨性能及抗粘著機理，旨在拓寬無鉛銅鉍軸承材料的應用范圍和為研制開發(fā)新型高性能材料提供理論基礎。

1 實驗

1.1 材料的制備

實驗材料為CuBi3.0Sn10合金，化學成分(質量分數)為：87Cu,3.0Bi,10Sn。將混合好的銅鉍錫合金粉鋪覆在厚度為1.75 mm的冷軋鍍銅低碳鋼板上，鋪粉厚度約為0.8 mm，在WDL-9000高溫網帶燒結爐中進行燒結，采用分解氨作為(N2,H2)保護氣氛，燒結氣氛的主要作用是控制合金粉末與環(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、防止材料進一步氧化的作用[11?12]。燒結溫度和保溫時間分別為初燒溫度850～880℃，保溫時間15～20 min；燒結后的板材進行初次軋制且軋制余量為0.20～0.30 mm；再在同樣的燒結氣氛下進行二次燒結，復燒結溫度為820～860℃，高溫區(qū)保溫時間為15～20 min，再對復燒后的板材進行復扎而得最終樣品，復扎余量為0.05～0.08 mm。

1.2 實驗方法

摩擦磨損試驗在HDM-20型端面摩擦磨損試驗機上進行。待測試樣為圓形雙金屬板材，其尺寸為直徑53 mm、厚度2.35 mm；對偶磨環(huán)材料為淬火45#鋼，硬度為47～53HRC，其表面接觸尺寸為內徑16 mm、外徑24 mm；試驗條件為：浸油潤滑，其加載方式分為2種形式：①定載荷變速度時，載荷固定為1 200 N，上試樣轉速分別為382、573、764、955和1 146 r/min，對應的摩擦線速度分別為0.4、0.6、0.8、1.0以及1.2 m/s；②定速度變載荷時，固定速度為1.0 m/s，施加載荷分別為1 000、1 200、1 400、1 600和1 800 N，2種條件下的試驗時間均為60 min；待測試樣和對偶件在試驗前均用600#金相砂紙打磨拋光并用丙酮清洗；每個試驗結果為3次平行試驗結果的平均值，相鄰2次試驗之間應有足夠的時間間隔，以避免由于初始溫度的不同而對試驗結果產生影響。用試樣磨痕深度表示材料的磨損程度，磨痕深度用表面輪廓儀測出。并用光學顯微鏡、掃描電鏡(SEM)及能譜儀(EDS)分析試樣的磨痕形貌及成分，探討其摩擦磨損性能及機理。

2 結果與討論

2.1 摩擦速度對摩擦磨損性能的影響

圖1 摩擦速度對摩擦因數和磨損量的影響Fig.1 Effect of friction speed on friction coefficient and wear loss of lead-free copper-bismuth bearing material

圖2 摩擦速度對摩擦副表面溫度的影響Fig.2 Effect of friction speed on friction surface temperature of lead-free copper-bismuth bearing material

定載荷變速度條件下，無鉛銅鉍軸承材料摩擦副的平均摩擦因數、磨損量及樣品表層以下2 mm處溫度隨摩擦線速度的變化關系曲線分別如圖1和圖2所示。可見，在摩擦速度較低的情況下，摩擦因數相對較高，隨摩擦速度的進一步增加，銅鉍軸承材料的摩擦因數明顯降低，這表明在適宜的速度條件下無鉛銅鉍軸承材料能夠體現出更好的減摩、抗粘著性能；這是由于隨摩擦速度的變化，將會引起摩擦副表面產生的熱量和變形的變化而影響到摩擦表面的組織與性能，從而改變摩擦過程中摩擦表面間的相互作用和磨損機制，致使摩擦因數發(fā)生改變[13]。同時可以看出，銅鉍軸承材料的磨痕深度即磨損量隨摩擦速度的增加而逐漸增大，摩擦速度對磨損程度的影響主要體現在以下兩個方面：首先，在相同的時間內，摩擦速度越快，磨損行程越長，摩擦副表面所受的磨損程度越嚴重；其次，摩擦速度越快，摩擦副表面產生的摩擦熱越多，導致摩擦溫升越高(見圖2)，表層金屬軟化程度越大，磨痕表面越容易產生擦傷、粘著、撕裂等痕跡，因此其磨損量隨摩擦速度的提高而增加[11?13]。由圖2可見，銅鉍軸承材料摩擦副表面溫度也隨摩擦速度的增加而增大，這是因為摩擦副表面溫度與摩擦速度的變化關系在于摩擦能量，摩擦能量與速度的平方成正比，摩擦速度越快，摩擦能耗越大，產生的摩擦熱越多[14]。

2.2 載荷對摩擦磨損性能的影響

摩擦線速度為1.0 m/s，載荷分別為1 000、1 200、1 400、1 600和1 800 N，摩擦磨損試驗時間為60 min條件下，無鉛銅鉍軸承材料的平均摩擦因數和磨損量隨載荷的變化關系曲線如圖3所示?？梢钥闯觯斴d荷從1 000 N增加到1 400 N時，摩擦因數先隨載荷的增加而減小再隨載荷的增加而增加；而當載荷從1 400 N增加到1 800 N時，摩擦因數隨載荷的增加而減小。總體來說，載荷對銅鉍軸承材料摩擦因數的影響相對較小，這說明載荷對銅鉍軸承材料減摩性能的影響相對較小。同時可見，銅鉍軸承材料的磨損量隨載荷的增大先減小后增大，且在本實驗條件下，當載荷為1 200 N時，銅鉍軸承材料可以發(fā)揮最佳的減摩、耐磨性能。

圖3 載荷對摩擦因數和磨損量的影響Fig.3 Effect of load on friction coefficient and wear loss

2.3 磨痕表面形貌分析

圖4 載荷對無鉛銅鉍軸承材料磨痕表面形貌的影響Fig.4 Effect of load on wear worn surface morphologies of lead-free copper-bismuth bearing materials

定速度變載荷條件下，無鉛銅鉍軸承材料的磨痕表面形貌及其對應的磨痕表面EDS能譜分析如圖4和圖5所示?？梢钥闯觯d荷為1 000 N時，無鉛銅鉍軸承材料的磨痕表面存在明顯的犁溝、粘著剝落坑，如圖4(a)所示。由圖5(a)可見，磨痕表面存在明顯的鐵能量峰，EDS半定量檢測結果表明其磨痕表面的鐵元素的質量分數為24.69%，明顯高于另外幾種載荷條件下銅鉍軸承材料磨痕表面鐵元素的含量(見表1)。顯然，磨痕表面大量的鐵元素是從對磨件上轉移來的，表明此時磨痕表面已經發(fā)生了嚴重的粘著磨損。一方面，這是由于上下試樣組成的摩擦副始終處于緊密接觸狀態(tài)，導致摩擦副表面難以形成完整的潤滑油膜，局部區(qū)域直接接觸不可避免；另一方面，摩擦速度越小摩擦副表面平均溫度越低，導致試驗過程中鉍從基體中的析出量相對較少，局部區(qū)域因鉍滲出而避免粘著、撕裂發(fā)生的幾率減小，使無鉛銅鉍軸承材料更容易發(fā)生粘著磨損，導致磨痕表面鐵元素含量相對較高[12]。由圖4(b)可見，載荷為1 200 N時，無鉛銅鉍軸承材料的磨痕表面形貌相對比較平整、光滑，粘著磨損程度輕微，這與摩擦因數及磨損量檢測結果基本對應，即在適當的載荷條件下，鉍的加入有利于改善無鉛銅鉍軸承材料摩擦副的潤滑狀態(tài)，減輕摩擦副的磨損。由圖4(c)，可見，載荷為1 400時，無鉛銅鉍軸承材料磨痕表面同樣存在粗大的犁溝，但粘著磨損程度較圖4(a)的磨痕表面輕微，從其磨痕表面EDS圖譜檢測結果中出現了明顯的鐵、氧、碳能量峰，如圖5(c)所示。表明此時磨痕表面不僅發(fā)生了嚴重的粘著磨損，還伴隨著一定程度的氧化磨損。由圖4(d)可見，載荷為1 800時，無鉛銅鉍軸承材料的磨痕表面存在大面積的粘著剝落坑，磨損程度劇烈。這是由于載荷越大，摩擦副表面產生的摩擦熱量越多，摩擦溫度越高，表面金屬軟化程度越大，表面潤滑膜破損也越嚴重，摩擦副表面越容易擦傷且裸露的新鮮金屬表面越易氧化[13]。EDS圖譜檢測表明其磨痕表面的鐵元素和氧元素含量分別高達17.99%和15.84%。然而，由定速度變載荷條件下的磨痕表面化學成分EDS檢測結果可知，所有的磨痕表面均未發(fā)現鉍元素存在，這可能是由于銅鉍合金基體本身的鉍含量較低，加之鉍相對鉛較脆、延展性也比鉛稍差，導致磨痕表層的鉍易于剝落；同時，EDS圖譜分析結果本身是半定量的，具有一定的分析誤差，摩擦過程中物質的遷移和測定區(qū)域的隨機性等因素也有一定的影響，總之原因還有待于進一步研究。

圖5 無鉛銅?鉍軸承材料磨痕表面EDS圖譜分析Fig.5 Worn surface EDS analysis for bearing material with different applied loads

表1 不同載荷條件下磨痕表面EDS分析Table 1 EDS analysis of worn surface under different loads(mass fraction,%)

圖6顯示實驗結束后對偶件的磨痕表面形貌和化學成分分析，其對應的實驗條件為載荷1 200 N、速度1.0 m/s及浸油潤滑?？梢姡ズ郾砻嫦鄬^為光滑，僅呈現輕微的磨粒磨損、粘著磨損。其EDS圖譜檢測中不僅發(fā)現了明顯的鐵能量峰，還有較弱的錳、銅能量峰，但未檢測到鉍的能量峰，這表明對偶件的磨痕表面也并沒有發(fā)現低熔點組元鉍轉移的現象。

圖6 對偶件磨損表面SEM照片及對應的EDS分析Fig.6 SEM image of the counterpart worn surface and the corresponding worn surface EDS analysis

通過上述對定速變載荷條件下試樣及對偶件磨痕表面的EDS分析，可見磨痕表面均難以發(fā)現鉍元素存在。為了證實摩擦磨損實驗過程中存在鉍的析出、熔化現象，觀察和分析較低載荷(600 N)、較低速度(0.4 m/s)及實驗時間較短(20 min)條件下，銅鉍軸承材料磨痕表面形貌及對應的DES圖譜，結果如圖7所示，由圖可見，磨痕表面出現了明顯的鉍能量峰，這充分表明低速、低載荷條件下的實驗初期磨痕表面確實存在鉍元素的析出。然而，由于鉍較鉛脆、延展性也比鉛稍差，鉍在摩擦磨損過程中更容易從磨痕表面脫落，當磨損程度較大時，導致鉍從其磨痕表面脫落，使摩擦副磨痕表面難以發(fā)現鉍元素存在。鉍從表面脫落后，仍由潤滑油起主導潤滑減摩作用，同時在摩擦運行過程中，仍有少量鉍不斷從局部接觸區(qū)域析出、熔化，起著較好的協同減摩、抗粘著作用，整個實驗過程中存在鉍的“析出—剪切—脫落”的循環(huán)過程，從而導致軸承材料的減摩、抗粘著性能變差，可靠性降低。

圖7 CuBi3.0Sn10材料在0.4 m/s、600 N、20 min后的磨損表面SEM照片及對應的EDS分析Fig.7 SEM image of worn surface of CuBi3.0Sn10 after 20 min wear test under 0.4 m/s,600 N,and the corresponding worn surface EDS analysis

3 結論

1)銅鉍軸承材料的摩擦因數隨摩擦速度、載荷的增加而減小，其磨損量、摩擦副表面溫度均隨速度、載荷的增加而增大。

2)摩擦磨損過程中析出表面的鉍起著較好的減摩、抗粘著作用，當載荷較低、磨損程度輕微時，熔化、滲出的鉍保留在磨痕表面。

3)由于鉍較鉛脆、延展性也比鉛稍差，鉍在摩擦磨損過程中更容易從磨痕表面脫落，導致磨損程度較大時，磨痕表面難以發(fā)現鉍元素存在，但整個實驗過程中均存在鉍的析出、熔化、磨損脫落的循環(huán)過程。

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