滑動軸承合金材料的特性和應(yīng)用

來源：財易通

01　軸承合金的性能要求

滑動軸承是汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床等機(jī)械制造工業(yè)中用以支承軸進(jìn)行工作的零件，是由軸瓦和軸套組成的。制造軸瓦以及內(nèi)襯的耐磨合金叫做軸承合金。軸在軸瓦中高速旋轉(zhuǎn)時，必然發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，同時軸瓦還要承受軸頸傳給它的周期性負(fù)荷。因此必然造成軸和軸瓦的磨損。軸通常造價昂貴，經(jīng)常更換不經(jīng)濟(jì)。選擇滿足一定性能要求的軸承合金可以確保軸的Z小磨損。

軸承合金應(yīng)具備的性能：

① 耐磨并且具有較小的摩擦因數(shù)，以減少軸的磨損。

② 有較高的疲勞強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，以承受巨大的周期性負(fù)荷。

③ 有足夠的塑形和韌性，以抵抗沖擊和振動，并改善軸和軸瓦的磨合性能。

④ 有良好的導(dǎo)熱性和耐蝕性，以防軸瓦和軸因強(qiáng)烈摩擦升溫而發(fā)生咬合，并能抵抗?jié)櫥偷那治g。

在合金組織中，如在軟基體上均勻分布一定大小的硬質(zhì)點（或在硬基體上分布一定的軟質(zhì)點），則基本上能滿足上述性能要求。當(dāng)軸在軸承中運轉(zhuǎn)時，軟基體（或質(zhì)點）易于磨損而凹陷，而硬基體（或質(zhì)點）則凸出起承載和耐磨作用。這樣，軸和軸瓦的接觸面積減少，其間空隙可貯存潤滑油，降低了軸和軸承的摩擦因數(shù)，減少了磨損。軟基體或質(zhì)點可以承受沖擊和振動并使軸和軸瓦很好地磨合。此外，軟基體或質(zhì)點可嵌藏偶然進(jìn)入的外來硬質(zhì)點，以免擦傷軸頸。

常用軸承合金，按其主要化學(xué)成分可分為錫基、鉛基、鋁基、銅基和鐵基。其中，錫基和鉛基軸承合金又稱巴氏合金，是應(yīng)用Z廣的軸承合金。

02　錫基軸承合金

錫基軸承合金是以錫為主加入少量銻、銅等元素組成的合金。Z常用的錫基軸承合金是ZSnSb11Cu6，合金中約含WSb=11%的Sb、WCu=6%的Cu，剩余的為Sn。Sb和Cu溶解于Sn中的α固溶體是軟基體（圖1中黑色部分），而Sn和Sb、Cu形成的化合物Cu3Sn（圖1中白色針狀或星狀）及SnSb（白色方塊或多邊狀）是硬質(zhì)點。當(dāng)WCu=6%時，形成高熔點化合物Cu3Sn，可以阻止以SnSb為基的固溶體在溶液中上浮，防止比重偏析，同時也能提高合金的耐磨性。

圖1 ZSnSb11Cu6合金顯微組織

錫基軸承合金摩擦因數(shù)小，塑性和導(dǎo)熱性好，是優(yōu)良的減摩材料，應(yīng)用于Z重要的軸承上，如用來澆注汽輪機(jī)、發(fā)動機(jī)、壓氣機(jī)等重型機(jī)器的高速軸承，工作溫度不超過150℃。

錫基軸承合金的強(qiáng)度，尤其是疲勞強(qiáng)度較低，生產(chǎn)上常采用雙金屬軸承，即采用離心澆注法，在低碳鋼軸瓦上澆注一薄層錫基軸承合金，提高了軸承的強(qiáng)度和壽命，而且節(jié)省了大量錫基軸承合金。

03　鉛基軸承合金

鉛基軸承合金是以鉛為主加入少量銻、錫、銅等元素組成的合金，可作錫基軸承合金的代用品。其中以Pb-Sb系合金應(yīng)用Z廣。

Pb-Sb二元合金相圖（圖2）具有共晶型轉(zhuǎn)變。共晶成分中WSb為11.2%。圖中Sb含量在17.5%~20%間為合金的室溫組織，由初生β相硬質(zhì)點和（α+β）共晶軟基體組成。但是由于二元Pb-Sb合金同樣有嚴(yán)重偏析，而且β相很脆，易破碎，基體又太軟，易磨損，因此Pb-Sb合金還加入Cu、Sn等其他元素。加Cu可形成Cu3Sn，防止比重偏析，還可形成Cu2Sb硬質(zhì)點，提高合金耐磨性。加Sn能形成金屬化合物SnSb硬質(zhì)點，它能大量溶解于鉛中而強(qiáng)化基體，故可提高合金的強(qiáng)度和耐磨性。ZPbSb16Sn16Cu2是工業(yè)中Z常用的鉛基軸承合金，其WSb=16%、WSn=16%、WCu=2%，屬于過共晶合金。其組織中的（α+β）共晶體是軟基體，白色方塊為化合物SnSb，白色針狀晶體是化合物Cu3Sn。初生的β化合物Cu2Sn、SnSb是合金中的硬質(zhì)點（見圖3）。

圖2 Pb-Sb合金相圖

圖3 ZPbSb16Sn16Cu2的顯微組織

鉛基軸承合金可以制成雙層或三層金屬結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度、硬度和耐磨性雖低于錫基軸承合金，但由于錫含量減少，成本降低。此外鑄造性能及耐磨性較好，一般用于制造中、低載荷的軸瓦，如汽車、拖拉機(jī)曲軸軸承。

04　鋁基軸承合金

鋁基軸承合金是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型減摩材料。我國也逐漸用它代替錫基、鉛基和銅基軸承合金，因而大量節(jié)約了工業(yè)用銅。鋁僚軸承合金資源豐富，價格低廉，疲勞強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性能好，其耐蝕性也不亞于錫銻巴氏合金。因此鋁基軸承合金廣泛用于高速度、高載荷下工作的汽車、拖拉機(jī)的柴油機(jī)軸承。

常用的鋁基軸承合金有Al-Sb軸承合金和Al-Sn軸承合金。

（一） Al-Sb軸承合金

其成分中WSb=3.5%~5%、WMg=0.3%~0.7%，其余為Al。由圖4可見，WSb=4%的AlSb變?yōu)槠瑺睿纳坪辖鸬乃苄?、韌性和強(qiáng)度。Al-Sb合金的顯微組織是金屬化合物AlSb和Mg3Sb2硬質(zhì)點均勻地分布在軟的以鋁為基的固溶體上。該合金用低碳鋼作襯背，將Al-Sb-Mn軸承合金澆注在鋼背上作成雙金屬軸承，或與低碳鋼帶復(fù)合在一起軋制成雙金屬鋼帶。

圖4 Al-Sb合金相圖

Al-Sb軸承合金有高的抗疲勞性能及耐磨性，但其承載能力不大，用于中等負(fù)荷的內(nèi)燃機(jī)上。

（二） Al-Sn軸承合金

高錫鋁基軸承合金具有更高的承載能力和疲勞強(qiáng)度。它和低碳鋼一起軋制成雙金屬軸瓦，可在壓力為28MPa、滑動線速度為13m/s的條件下工作，其抗咬合性能與巴氏合金相當(dāng)。高錫鋁基軸承合金的化學(xué)成分為：WSn=20%、WCu=1%，其余為Al。錫在鋁中的溶解度極小。WSn=20%的Al-Sn合金的共晶組織較多，錫呈網(wǎng)狀包圍著鋁晶體，大大降低了合金的力學(xué)性能。為了消除網(wǎng)狀共晶體，澆注以后可與鋼背一起軋制并經(jīng)350℃退火3h，則錫被球化。因此該合金的實際組織是在硬的鋁基體上均勻分布著軟的粒狀錫質(zhì)點。

在Al-Sn合金中加入Cu和Ni，因它們能溶于Al中，可進(jìn)一步提高基體強(qiáng)度。

高錫鋁基軸承合金生產(chǎn)簡便，成本不高，在我國已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中、高速汽車，拖拉機(jī)的柴油機(jī)軸承上，已在許多機(jī)器上取代了巴氏合金和其他軸承材料。但是生產(chǎn)這種軸瓦時，如果合金層與鋼背結(jié)合不牢固，使用時會造成合金層早期剝落。為使高錫鋁基軸承合金和鋼背結(jié)合牢固，目前這種軸承采用由鋼帶、Al-Sn合金及夾由鋁箔中間層的三層合金軋制而成。軋制過程中鋁表面的氧化膜由于延伸而破碎，剩下的氧化膜由隨后再結(jié)晶退火而球化，故大大提高與鋼背的結(jié)合強(qiáng)度。