雙金屬止推軸承材料力學(xué)和摩擦磨損性能研究

楊志華

（福建龍溪軸承（集團(tuán)）股份有限公司，福建 漳州 363000）

車用發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器止推軸承材料有鐵合金、銅合金、粉末冶金銅合金和粉末冶金多層材料，但銅基材料強(qiáng)度高、耐磨性能好、摩擦因數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有增壓器止推軸承主要兩類材料牌號(hào)為：粉末冶金單層結(jié)構(gòu)的FQSn663 材料和雙金屬雙層結(jié)構(gòu)的CuSn10Pb10 材料。

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟停轉(zhuǎn)由于潤(rùn)滑油滯后，止推軸承工作摩擦為邊界摩擦甚至干摩擦；圖1 為止推軸承與對(duì)偶工件（軸封和定套）以帶有油楔面形式接觸，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)定套將潤(rùn)滑油帶入摩擦接觸表面（油楔面），由于黏性潤(rùn)滑油經(jīng)過油道油孔帶入摩擦表面的油楔面楔形間隙內(nèi)形成流體動(dòng)壓效應(yīng)，當(dāng)潤(rùn)滑油內(nèi)壓力與止推軸承軸向力平衡時(shí)，摩擦工件間形成穩(wěn)定潤(rùn)滑油膜，實(shí)現(xiàn)動(dòng)壓液體潤(rùn)滑。

圖1 止推軸承和對(duì)偶工件摩擦副

止推軸承發(fā)生邊界摩擦和干摩擦，易發(fā)生材料失效。高速旋轉(zhuǎn)時(shí)材料離心拉伸和高溫蠕變，軸承徑向間隙和軸向載荷變大也易導(dǎo)致材料整體斷裂。圖2 為FQSn663 材料采用粉末冶金模壓成型工藝制備止推軸承的三包返廠損壞件，可以看到明顯斷裂及磨損失效特征。

現(xiàn)階段止推軸承材料含鉛對(duì)人體和環(huán)境有危害，各國(guó)陸續(xù)限制鉛及其化合物使用，無(wú)鉛化止推軸承為發(fā)展主導(dǎo)[1-2]。伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)，柴油機(jī)向功率大、轉(zhuǎn)速高、載荷高發(fā)展，客戶需求承受高轉(zhuǎn)速和軸向竄動(dòng)等的止推軸承，該文在FQSn663 和CuSn10Pb10 止推軸承材料的基礎(chǔ)上，開發(fā)雙金屬自潤(rùn)滑CuSn6.5P0.1 無(wú)鉛止推軸承，并對(duì)3 種材料摩擦磨損性能進(jìn)行對(duì)比研究。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料參數(shù)和成分設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)了CuSn6.5P0.1 雙金屬材料，并與FQSn663、CuSn10Pb10 兩種常用材料對(duì)比，具體成分設(shè)計(jì)見表1，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 3 種材料的成分和技術(shù)參數(shù)（wt．%）

1.2 制備工藝

FQSn663 材料采用粉末冶金模壓成型來制備，其工藝為：原材料粉末預(yù)合金化→粉末配料→粉末混料→粉末模壓→毛坯燒結(jié)→毛坯整形→毛坯機(jī)加工。CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 雙金屬材料基材采用ST37 鋼背，提高整體材料承載能力和力學(xué)性能，工作面壓軋并燒結(jié)合金層，保留良好摩擦磨損性能；使材料具有較高力學(xué)性能、承載能力和高耐磨性，在少油無(wú)油條件下有優(yōu)異摩擦磨損性能。雙金屬材料在800℃～835℃進(jìn)行預(yù)燒和復(fù)燒。其工藝為：混料→鋪粉→初燒→初軋→二燒→二軋→校平→毛坯機(jī)加工，以壓制量來調(diào)控壓軋成型中密度均勻分布性。

圖2 FQSn663 止推軸承三包返廠損壞件和損傷特征

1.3 力學(xué)性能檢測(cè)方法及設(shè)備

1.3.1 硬度

利用310HBS—3000 型布氏硬度計(jì)測(cè)表觀硬度。測(cè)量材料3 個(gè)位置硬度值，取平均值作為平均硬度。

1.3.2 密度和孔隙度

按國(guó)標(biāo)GB5163—2006（燒結(jié)金屬測(cè)量的密度測(cè)定）對(duì)材料的密度和孔隙度進(jìn)行測(cè)量。

1.3.3 金相分析

軸承材料上取樣鑲樣，在砂紙上按100 目逐級(jí)打磨至2000 目，用2.5 μm 金剛石拋光液拋光，用Leica-Q550 型金相顯微鏡觀察材料顯微組織。

1.4 摩擦磨損性能檢測(cè)方法及設(shè)備

按圖3（a）所示加工止推軸承材料成試樣，對(duì)偶材料選45 鋼，尺寸如圖3（b）所示。采用環(huán)-塊接觸方式，利用MM-W1B 型立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損性能試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)如圖3（c）所示，試驗(yàn)條件見表2。

表2 摩擦試驗(yàn)條件

2 物理、力學(xué)性能、組織和摩擦磨損性能與分析

2.1 密度

止推軸承在油狀態(tài)下工作，一定量油存儲(chǔ)孔隙中，在摩擦磨損中有效改善工件間潤(rùn)滑。采用排水法對(duì)3 種材料密度檢測(cè)，各選取3 個(gè)樣品取平均值。由表3 可知，CuSn6.5P0.1和CuSn10Pb10 密度和理論致密度均高于FQSn663，因?yàn)镕QSn663 用傳統(tǒng)模壓燒結(jié)，而CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 采用二次壓制二次燒結(jié)工藝，后者通過2 次燒結(jié)，更完全致密化，通過軋制塑形流變和物理擠壓明顯降低孔隙占比，致密度和密度均提高。

表3 3 種材料的密度檢測(cè)數(shù)據(jù)表

2.2 組織結(jié)構(gòu)

圖4 為3 種材料低倍金相組織圖，組織中存在白色銅錫基體和黑色鉛相或孔隙構(gòu)成色相。對(duì)比圖4（a）、圖4（b）和圖4（c），黑色鉛相在FQSn663、CuSn10Pb10 和CuSn6.5P0.1呈現(xiàn)逐漸遞減，根據(jù)材料鉛含量，鉛相體積比在FQSn663 中小于CuSn10Pb10，而黑色相占比高，因此多為孔隙，這與理論致密度結(jié)果相同。CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 理論致密度結(jié)果基本一致，說明CuSn10Pb10 組織黑色相中含較多鉛相。圖5 為3 種材料高倍金相組織圖?？煽闯觯珻uSn10Pb10 和FQSn663 的黑色相中，填充鉛相均勻分布，而CuSn6.5P0.1 中無(wú)明顯黑色相填充。

圖3 摩擦磨損試驗(yàn)尺寸圖和MM-W1B 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

2.3 力學(xué)性能

表4 為3 種材料的硬度比較表。可知硬度逐步增大，這同制備材料工藝、微觀組織結(jié)構(gòu)和孔隙度密切相關(guān)，密度及致密度方面?zhèn)鹘y(tǒng)模壓燒結(jié)材料不及復(fù)壓復(fù)燒材料，其硬度最低，而CuSn10Pb10 含軟相鉛較多，硬度也低于CuSn6.5P0.1。

圖4 3 種材料的低倍金相組織圖

表4 3 種材料的硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)表

圖6（a）和圖6（b）分別為3 種材料的抗拉強(qiáng)度及延伸率對(duì)比圖。CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 抗拉強(qiáng)度高于FQSn663 材料，這說明采用鋼背基材3 層雙金屬材料能提高軸承的抗拉強(qiáng)度50%以上。CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 材料延伸率遠(yuǎn)高于粉末冶金FQSn663 材料，這是3 層雙金屬鋼背基材作用。

表5 為3 種材料橫向壓潰強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比。結(jié)合止推軸承斷裂失效形式，提升橫向斷裂強(qiáng)度會(huì)降低斷裂失效可能，CuSn6.5P0.1 雙金屬材料抵抗斷裂能力極大提升，這是該論文材料設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)所在。

表5 3 種材料的橫向壓潰強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)表

圖6 3 種材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率數(shù)據(jù)對(duì)比圖

2.4 低速低載干運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)下，不同材料摩擦磨損性能對(duì)比研究

圖7 為低速（50 r/min）、低載（50 N）、干運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，3 種材料摩擦磨損曲線圖。摩擦因數(shù)方面，3 種材料均在0.15 ～0.20，平均摩擦因數(shù)CuSn6.5P0.1 的稍低。摩擦曲線平穩(wěn)性上，CuSn10Pb10 和FQSn663 較CuSn6.5P0.1 波動(dòng)性強(qiáng)烈。

圖8 為對(duì)應(yīng)圖7 試驗(yàn)的磨痕外觀形貌，CuSn10Pb10和FQSn663 的表面存在少量黑色物質(zhì)填充和少許犁溝，CuSn6.5P0.1 磨痕未見明顯犁溝形貌，較光亮。

圖7 3 種材料低速低載干運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦磨損曲線

2.5 低速低載油潤(rùn)滑條件下，不同自潤(rùn)滑材料的摩擦磨損性能對(duì)比研究

圖9 為低速（50 r/min）、低載（50 N）、油潤(rùn)滑條件下，3 種材料的摩擦磨損曲線圖。3 種材料平均摩擦因數(shù)維持在0.15 ～0.20，但磨合階段曲線特征CuSn10Pb10 和FQSn663較為明顯，而CuSn6.5P0.1 在磨合階段則無(wú)明顯曲線。三者呈現(xiàn)較為穩(wěn)定摩擦磨損曲線，相比之下CuSn10Pb10 的穩(wěn)定性最高。對(duì)比干摩擦和有油潤(rùn)滑狀態(tài)的摩擦曲線可知，有油潤(rùn)滑提高FQSn663 和CuSn10Pb10 摩擦穩(wěn)定性，而CuSn6.5P0.1在2 種狀態(tài)下均表現(xiàn)出穩(wěn)定摩擦磨損狀態(tài)。

圖10 為對(duì)應(yīng)圖9 試驗(yàn)條件下磨痕外觀形貌，3 種材料有相似磨痕形態(tài)，未有干磨擦狀態(tài)下形成的黑色物質(zhì)，材料呈現(xiàn)原本金屬光澤。

圖9 3 種材料低速低載油潤(rùn)滑時(shí)磨擦磨損曲線圖

圖10 3 種材料低速低載油潤(rùn)滑時(shí)磨痕外觀形貌

3 結(jié)論

該文開發(fā)了渦輪增壓器止推軸承用CuSn6.5P0.1 無(wú)鉛雙金屬軸承材料，對(duì)比研究三者物理和力學(xué)性能、微觀組織結(jié)構(gòu)以及摩擦磨損性能，所得主要結(jié)論如下：CuSn6.5P0.1 材料密度致密度高于用模壓成型FQSn663 材料；CuSn6.5P0.1材料的橫向壓潰強(qiáng)度、硬度和抗拉強(qiáng)度最高；低載低速條件下，在油潤(rùn)滑和干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，三者摩擦因數(shù)接近，干運(yùn)轉(zhuǎn)CuSn6.5P0.1 材料摩擦曲線較平穩(wěn)；油潤(rùn)滑CuSn6.5P0.1 材料磨合階段無(wú)明顯曲線，表明在正常油潤(rùn)滑條件下CuSn6.5P0.1材料摩擦磨損性能更為良好，能在渦輪增壓器止推軸承較好使用。