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，長期使用含鉛產品會對人體和環境造成不可忽視的危害，產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，改善穩定性［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，材料燒結在高溫網帶燒結爐中進行，高溫燒結溫度為820～880℃，采用氨分解氣氛（N2、H2）為保護氣氛，燒結氣氛的主要作用是控制合金粉與環境之間的化學反應，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。保溫時間為15～20min，二次燒結溫度為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→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量分數 %

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（圓環接觸端面）旋轉，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），環端面開有4個2mm寬的油槽。圓環表面接觸尺寸為：內徑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、摩擦副表面溫度急劇上升時停止試驗，摩擦副摩擦系數和摩擦副表面溫度由試驗機自動記錄，每個試驗結果為3次平行試驗結果的平均值。

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軸有較高尺寸精度（內孔精度）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。旋轉軸以2.5m／s恒定線速度旋轉，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、摩擦副表面溫度急劇上升時終止試驗，實驗結束后清潔軸套，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，摩擦副摩擦系數隨時間變化趨勢大致相同，60min時間內摩擦副摩擦系數一直維持在0.1左右，變動幅度較小，沒有發生突變，表明4種銅基軸承材料在定載荷條件下，具有較穩定的減摩、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、摩擦副表面溫度隨載荷增加的變化規律，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開始降低并趨于穩定，摩擦副表面溫度在試驗初期上升較快，當摩擦副運行穩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。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相金屬的熔點時，銅基軸承材料的軟質相析出，這樣可以降低接觸點的剪切強度，避免粘著的發生，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相性質和含量不同，使得它們表現出不同的減摩、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，摩擦副摩擦系數較小，溫升也平穩。當載荷超過一定值時，試驗開始運行不平穩，伴有明顯的震動和噪聲現象，摩擦副摩擦系數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，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材料表現出了更好的摩擦學特性，試驗穩定性、重復性好，載荷低于4.5MPa時，試驗運行穩定，摩擦副摩擦系數和表面溫度上升平穩，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值試驗結果可以看出，Cu10Sn3.0Bi材料具有相對最佳的摩擦學特性。

3 結 論

在端面摩擦磨損試驗中，Cu10Sn3Bi、Cu10Sn10Pb 2種銅基軸承材料體現出較好的減摩、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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