解讀內(nèi)燃機(jī)軸瓦的合金材料

作者：劉瀟

來源：軸承雜志社

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滑動(dòng)軸承其功能是支承載荷和相互滑動(dòng)?；瑒?dòng)軸承可分為增摩和減摩二種，內(nèi)燃機(jī)曲軸滑動(dòng)軸承是減摩的，其軸瓦合金層必須是低摩擦因數(shù)材料，亦減少軸承的摩擦與磨損。合金軸瓦是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的摩擦副。制造滑動(dòng)軸承的軸瓦及其內(nèi)襯的耐磨合金稱為軸承合金，又稱滑動(dòng)軸承合金、軸瓦合金。

1　內(nèi)燃機(jī)合金軸瓦性能特點(diǎn)和組織結(jié)構(gòu)

滑動(dòng)軸承的作用既是支承旋轉(zhuǎn)部件又承受燃?xì)鈮毫\(yùn)動(dòng)部件的慣性力，另外還要承受由于摩擦而產(chǎn)生的熱負(fù)荷。軸瓦在軸承上，直接與軸相接觸的部分，承受載荷并且與軸具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為減少摩擦、磨損，對(duì)軸瓦材料提出各種要求，除要求摩擦副間摩擦因數(shù)小，耐磨外還應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：應(yīng)具有足夠的抗壓強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度和承受沖擊的能力。

軸被軸承支承的部分稱為軸頸，與軸頸相配的零件稱為軸瓦，做成整圓筒形的軸瓦稱為軸套，裝軸瓦的部分總稱殼件，其上半部稱為軸承蓋，下半部稱為軸承座。蓋和座用螺柱聯(lián)接，兩者的接合面由止口或銷釘定位，并可放置不同厚度的墊片以調(diào)節(jié)軸承間隙。

內(nèi)燃機(jī)的軸瓦是內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承中的滑動(dòng)部件，其形狀為瓦狀的半圓柱面，稱為軸瓦。由于內(nèi)燃機(jī)軸的重量較重，不能采用滾動(dòng)軸承，只能采用滑動(dòng)軸承。多數(shù)軸承的接合面是水平的，也有傾斜的，以適應(yīng)載荷方向接近垂直于接合面的要求。為便于潤(rùn)滑油進(jìn)入摩擦面之間，軸承蓋上開有注油孔，軸瓦上有分配潤(rùn)滑油的軸向油槽。軸承蓋和座大多用鑄鐵制造，承受載荷大的采用鑄鋼或鋼板焊接結(jié)構(gòu)。

徑向滑動(dòng)軸承有剖分式、整體式、凸緣式和自位式等幾種型式。剖分式軸承的軸承蓋可以啟開，便于裝入軸頸，軸瓦磨損后便于調(diào)整軸承間隙。整體式軸承構(gòu)造簡(jiǎn)單，但軸頸必須從某一端裝入，磨損后無法調(diào)整間隙。凸緣式軸承的安裝面垂直于軸承中心線。自位式軸承能自動(dòng)調(diào)整軸線，以適應(yīng)軸的撓曲變形。徑向滑動(dòng)軸承的內(nèi)孔直徑稱為軸承直徑。軸瓦的軸向尺寸稱為軸承寬度。軸承寬度與軸承直徑之比稱為寬徑比，一般取0.4～1.5，為減小軸向尺寸（如在內(nèi)燃機(jī)中）也有取到0.25的。

滑動(dòng)軸承中軸瓦與內(nèi)襯直接與軸頸配合使用，相互間有摩擦，而且還要承受交變載荷和沖擊載荷的作用。由于軸是機(jī)器上的重要零件，其制造工藝復(fù)雜，成本高，更換困難，為確保軸受到的磨損，軸瓦的硬度應(yīng)比軸頸低得多，必要時(shí)可更換被磨損的軸瓦而繼續(xù)使用軸。

滑動(dòng)軸承應(yīng)有足夠的抗壓強(qiáng)度和抗疲勞性能；良好的減摩性（摩擦因數(shù)要?。?；良好的儲(chǔ)備潤(rùn)滑油的功能；良好的磨合性；良好的導(dǎo)熱性和耐蝕性；良好的工藝性能；使之制造容易，價(jià)格便宜。一種材料無法同時(shí)滿足上述性能要求，可將滑動(dòng)軸承合金用鑄造的方法鑲鑄在08鋼的軸瓦上，制成雙金屬軸承。

2　內(nèi)燃機(jī)軸瓦常用的合金材料

內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承材料是制造軸瓦、軸套等零件的材料，這些零件是直接與軸或軸頸配合的摩擦偶件，滑動(dòng)軸承材料必須具有良好的減摩性、耐磨性、嵌藏性、順應(yīng)性、耐腐蝕性及足夠的承載能力，以減小摩擦磨損，延長(zhǎng)軸承的使用壽命。軸瓦用減摩性良好的滑動(dòng)軸承材料制造，包括金屬材料（如銅合金、鋁合金和巴氏合金等）和非金屬材料（如塑料、石墨、橡膠和木材等）。有些減摩性較好的金屬材料強(qiáng)度低（如巴氏合金），只在材料強(qiáng)度較高的軸瓦表面上澆鑄一層，稱為軸承襯。支撐軸承襯的部分稱為軸承襯背，常用軟鋼、鑄鐵或青銅制造。為進(jìn)一步改善軸承襯表面性能，可在其表面鍍上減摩性更好的薄層金屬（如銦）。這樣由多層不同金屬材料制造的軸瓦稱為多層金屬軸瓦。內(nèi)孔形狀基本不受軸承座孔形狀影響的軸瓦稱為厚壁軸瓦；內(nèi)孔形狀主要取決于軸承座孔形狀的軸瓦稱為薄壁軸瓦。在內(nèi)燃機(jī)、空氣壓縮機(jī)等大批量生產(chǎn)的機(jī)器中廣泛采用薄壁軸瓦。

評(píng)價(jià)滑動(dòng)軸承材料的主要項(xiàng)目(指標(biāo))包括：抗壓強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度、耐磨性、磨合性、防止與軸頸黏附的摩擦相容性、補(bǔ)償滑動(dòng)表面初始配合不良的順應(yīng)性、容許硬質(zhì)顆粒嵌藏以減輕軸頸刮傷的嵌入性、導(dǎo)熱性、耐蝕性、加工工藝性、價(jià)格等。

滑動(dòng)軸承材料應(yīng)根據(jù)載荷、速度、溫度、潤(rùn)滑條件和壽命等因素進(jìn)行選擇。常用的滑動(dòng)軸承材料有巴氏合金、銅基和鋁基合金、耐磨鑄鐵、塑料、橡膠、木材和碳-石墨等。隨著現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)向高速、大型化方向發(fā)展，對(duì)滑動(dòng)軸承的承載能力及可靠性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的巴氏合金軸承材料的承載能力特別是高溫承載能力較低，隨溫度的上升，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的粘著磨損而引起燒瓦事故；銅基軸承合金的承載能力和疲勞強(qiáng)度很高，但其表面順應(yīng)性、嵌藏性及磨合性較差，容易傷軸，故其表面?要一層鉛錫二元合金或三元合金材料。

3　錫基軸承合金的滑動(dòng)軸承

一種以錫、銻、銅為主要成分的低熔點(diǎn)合金，又稱白合金、軸承合金。1839年美國(guó)人巴比特以這種合金獲得美國(guó)專利。合金的基體是錫中溶有銅和銻的固溶體軟組織，其中分布有錫銅銻化合物構(gòu)成的硬顆粒。軟組織具有良好的摩擦相容性、順應(yīng)性和嵌入性，硬顆粒具備一定的支承載荷的能力。巴氏合金強(qiáng)度低，只能作軟鋼、鑄鐵或青銅軸承的軸承襯用。后來，又出現(xiàn)以鉛、銻、銅為主要成分的軸承合金。前一種稱為錫基巴氏合金，后者稱為鉛基巴氏合金。錫基巴氏合金價(jià)格較高，主要用于高速重載的重要軸承和大型軸承。

鉛基巴氏合金的性能不如錫基合金，但價(jià)廉、應(yīng)用較廣、適用于中速、中載且載荷比較穩(wěn)定的軸承。加入微量元素(如鉻、鈹?shù)?制造高強(qiáng)度巴氏合金，是新的發(fā)展方向。錫基軸承合金的表示方法與其他鑄造非鐵金屬的牌號(hào)表示方法相同，例如ZSnSb4Cu4表示含銻的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、含銅的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的錫基軸承合金。巴氏合金的價(jià)格較貴，且力學(xué)性能較低，通常是采用鑄造的方法將其鑲鑄在鋼（08鋼）的軸瓦上形成雙金屬軸承使用。

錫基軸承合金的缺點(diǎn)是疲勞強(qiáng)度低，許用溫度也較低(不高于150℃)，一旦潤(rùn)滑條件不正常，軸承極易燒損，同時(shí)它的抗壓強(qiáng)度也不夠高，承受高轉(zhuǎn)速重負(fù)荷時(shí)易于損壞。由于錫較貴，條件允許的情況下，采用鉛基軸承代替錫基軸承合金。

4　鉛基軸承合金的滑動(dòng)軸承

鉛基軸承合金也是一種軟基體硬質(zhì)點(diǎn)類型的軸承合金，加入銻、錫、銅等合金元素組成的合金。鉛基軸承合金的強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)熱性和耐蝕性均比錫基軸承合金低，而且摩擦因數(shù)較大，但價(jià)格便宜。適合于制造中、低載荷的軸瓦，如汽車、拖拉機(jī)曲軸軸承、鐵路車輛軸承等。常用的鉛基軸承合金中軟基體是銻溶入鉛形成的固溶體(即α固溶體)和以化合物SnSb為基的含鉛固溶體(即β固溶體)所組成的共晶體( 即α＋β共晶體)。硬質(zhì)點(diǎn)是化合物SnSb和Cu3Sn。鉛基軸承合金的硬度、強(qiáng)度、韌性都比錫基軸承合金低，但摩檫系數(shù)較大，價(jià)格較便宜，鑄造性能好。鉛銻系的鉛基軸承合金應(yīng)用廣，常用于制造承受低速、低負(fù)荷的軸承合金使用。如汽車、拖拉機(jī)的曲軸、連桿軸承及電動(dòng)機(jī)軸承，但其工作溫度不能超過120℃。鉛基、錫基巴氏合金的強(qiáng)度都較低，需要把它鑲鑄在鋼的軸瓦(一般用08鋼沖壓成型)上，形成薄而均勻的內(nèi)襯，才能發(fā)揮作用。這種工藝稱為掛襯。

5　鋁基軸承合金的滑動(dòng)軸承

隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)向高速、重載、增壓強(qiáng)化方向發(fā)展，軸承的工作條件更加惡化，因此，對(duì)軸承材料提出了更高的要求。鋁基軸承合金基本上具備了上述軸承合金的優(yōu)點(diǎn)，并彌補(bǔ)了它們的不足之處，因此，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用日益增多。鋁基合金有鋁銻鎂合金、鋁錫合金和鋁硅合金。它們的抗壓強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度較高，導(dǎo)熱性和耐蝕性好，價(jià)廉，但其摩擦相容性、嵌入性和順應(yīng)性較差，廣泛用於內(nèi)燃機(jī)和壓縮機(jī)軸承。鋁基軸承合金是以鋁為基體加入銻、錫等合金元素所組成的合金，密度小，導(dǎo)熱性和耐蝕性好、疲勞強(qiáng)度高。這種合金的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性、耐蝕性、疲勞強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度均高，而且價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是膨脹系數(shù)較大，抗咬合性差。目前以高錫鋁基軸承合金應(yīng)用廣泛。適合于制造高速(13m/s)、重載（3200MPa）的發(fā)動(dòng)機(jī)軸承。常用牌號(hào)為ZAlSn6Cu1Ni1。

鋁基軸承合金是一種新型減摩材料，原料豐富，價(jià)格便宜，廣泛應(yīng)用于高速、重載下工作的汽車、拖拉機(jī)及柴油機(jī)軸承等。但它的線膨脹系數(shù)大，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容易與軸咬合使軸磨損，可通過提高軸頸硬度，加大軸承間隙和降低軸承和軸頸表面粗糙度值等辦法來解決。

6　銅基合金用作滑動(dòng)軸承

滑動(dòng)軸承材料的銅基合金主要有：以銅、銻為主要成分的黃銅；以銅、錫為主要成分的青銅；以及銅鉛合金(又稱鉛青銅)。銅基合金強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性和耐磨性好，允許工作溫度比巴氏合金高，但順應(yīng)性、嵌入性和摩擦相容性都不如巴氏合金，可用作軸瓦或軸承襯材料。常用的含錫、磷的錫青銅，適用於中速重載或受沖擊載荷的軸承；含錫、鋅、鉛的錫青銅，適用於中速中載的軸承；鉛青銅承載能力大、疲勞強(qiáng)度高，適用於速度較高、受沖擊載荷的軸承；鋁青銅強(qiáng)度很高、耐蝕性好，適用於低速重載軸承。黃銅性能一般不如青銅，但價(jià)廉、主要用於低速軸承，但含錳、硅的黃銅性能優(yōu)於錫青銅。某些青銅又可制造軸承，故稱為銅基軸承合金，如錫青銅、鋁青銅、鉛青銅和銻青銅等。與巴氏合金相比，具有高的疲勞強(qiáng)度和承載能力，優(yōu)良的耐磨性、導(dǎo)熱性和低的摩擦因數(shù)，因此可作為承受高載荷、高速度及高溫下工作的軸承。

7　多層軸承合金的滑動(dòng)軸承

多層軸承合金是一種復(fù)合減磨材料。例如，將錫銻合金、鉛銻合金、銅鉛合金、鋁基合金等之一與低碳鋼帶一起軋制，復(fù)合而成雙金屬。為了進(jìn)一步改善順應(yīng)性、嵌鑲性及耐蝕性，可在雙層減磨合金表面上再鍍上一層軟而薄的鍍層，這就構(gòu)成了具有更好減磨性及耐磨性的三層減磨材料。這種多層合金的特點(diǎn)都是利用增加鋼背和減少減摩合金層的厚度以提高疲勞強(qiáng)度，采用鍍層來提高表面性能。

8　結(jié)束語

總之，軸承合金的結(jié)構(gòu)組織是在軟相基體上均勻分布著硬相質(zhì)點(diǎn)，或硬相基體上均勻分布著軟相質(zhì)點(diǎn)。軸承合金應(yīng)具有良好的耐磨性能和減磨性能；有一定的抗壓強(qiáng)度和硬度，有足夠的疲勞強(qiáng)度和承載能力；塑性和沖擊韌性良好；具有良好的抗咬合性；良好的順應(yīng)性；好的嵌鑲性；要有良好的導(dǎo)熱性、耐蝕性和小的熱膨脹系數(shù)。軸承材料，要求與軸表面的摩擦因數(shù)小，軸頸的磨損少，而能承受足夠大的比壓、脹系數(shù)小、良好的耐腐蝕等。對(duì)于一般性能的發(fā)動(dòng)機(jī)，用高錫鋁合金制成的軸瓦，具有很高的性能價(jià)格比。因此它成了內(nèi)燃機(jī)軸瓦的主要材料之一。隨著科學(xué)技術(shù)和汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)向“高速、高壓、大功率、低能耗”的方向發(fā)展，科研人員將微納米技術(shù)應(yīng)用在特種減摩合金材料領(lǐng)域，先后開發(fā)出了為滿足某些單項(xiàng)性能有特殊需求的微晶合金材料，特種微晶軸承材料不僅填補(bǔ)了減摩材料國(guó)內(nèi)的空白，而且從材料的單項(xiàng)性能方面保持了與世界微晶合金技術(shù)的同步發(fā)展。