尹延國, 林福東, 焦明華, 解 挺, 俞建衛(wèi), 田 明

(合肥工業(yè)大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，合肥 230009 )

無鉛含鉍銅-鋼雙金屬軸承材料的摩擦學(xué)特性

尹延國, 林福東, 焦明華, 解 挺, 俞建衛(wèi), 田 明

(合肥工業(yè)大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，合肥 230009 )

采用常規(guī)粉末冶金方法制備無鉛含鉍銅-鋼雙金屬軸承材料，在HDM-20端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行邊界潤滑條件下的摩擦磨損試驗(yàn)，分析無鉛含鉍銅-鋼雙金屬軸承材料的減摩、抗粘著性能及其承載能力，并與典型的銅鉛軸承材料(Cu10Sn10Pb)及銅錫合金材料的性能進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：無鉛含鉍銅軸承材料中的低熔點(diǎn)組元鉍(熔點(diǎn)為271 ℃)能阻礙因油膜破裂而引起的摩擦副局部區(qū)域的直接接觸，體現(xiàn)出較好的減摩和抗粘著性能；當(dāng)鉍含量為3.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，無鉛含鉍銅基軸承材料的減摩，抗粘著咬合性能良好，承載能力較強(qiáng)，接近或優(yōu)于典型銅鉛軸承材料的性能。

含鉍銅基；軸承材料；無鉛；摩擦學(xué)特性

銅基雙金屬軸承材料以鉛青銅-鋼雙金屬材料為主，這種材料具有較高的承載能力和抗疲勞強(qiáng)度，同時(shí)還具有良好的減摩及嵌藏性能等，過去一直被認(rèn)為是理想的軸承材料，得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。然而，鉛是一種有毒元素，隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，產(chǎn)品無鉛化成為必然趨勢[5-7]，各國政府相繼出臺(tái)了對(duì)含鉛銅合金應(yīng)用的限令，鉛青銅的應(yīng)用將面臨嚴(yán)格的限制，特別是國際標(biāo)準(zhǔn)ISO4383：2000增加了一條重要的注釋：“將來由于環(huán)保要求將限制某些鉛類材料的使用[8]”。因此，尋求無鉛銅基軸承材料替代傳統(tǒng)銅鉛合金軸承材料已經(jīng)刻不容緩。無毒低熔點(diǎn)金屬元素鉍的性能與鉛的相似，與銅和鋁不溶，基本以游離態(tài)形式存在于銅、鋁合金中，對(duì)合金基體的強(qiáng)度影響較小，摩擦過程中因摩擦熱引起鉍熔化而在摩擦表面形成具有抗粘和減摩作用的膜，從而降低摩擦副的摩擦因數(shù)，改善其穩(wěn)定性，使合金磨損量及摩擦副表面溫度降低等，已率先在鋁基復(fù)合材料中得到應(yīng)用[9-11]。將金屬元素鉍引入銅基軸承材料中也可以起減摩和抗粘著作用，國內(nèi)外已有無鉛銅鉍復(fù)合材料的應(yīng)用研究報(bào)道[12-15]，然而，目前關(guān)于無鉛銅鉍軸承材料的摩擦磨損性能及機(jī)理研究的報(bào)道較少。為此, 本文作者采用常規(guī)的粉末冶金方法制備銅錫、銅鉛及銅鉍雙金屬軸承材料，研究銅鉍軸承材料在不同工況條件下的摩擦磨損特性及鉍含量對(duì)其摩擦學(xué)特性的影響，并與典型的銅鉛雙金屬軸承材料(Cu10Sn10Pb)的性能進(jìn)行對(duì)比，為研究新型高性能無鉛銅鉍雙金屬軸承材料提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料的制備

先按照表 1的配方進(jìn)行精確稱量并充分混合均勻，將混合后的銅合金粉鋪覆在潔凈的冷軋鍍銅低碳鋼板的底層基體上。鋪粉厚度為0.60～0.70 mm，材料的燒結(jié)在高溫網(wǎng)帶燒結(jié)爐中進(jìn)行，采用氨分解氣氛(N2和 H2)保護(hù)，燒結(jié)氣氛的主要作用是控制合金粉與環(huán)境之間的化學(xué)反應(yīng)，可以起到還原粉末顆粒表面的氧化膜、促進(jìn)燒結(jié)和防止材料進(jìn)一步氧化的作用。燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間分別為：一次燒結(jié)溫度850～880 ℃，保溫時(shí)間15～20 min；二次燒結(jié)溫度820～860 ℃，保溫時(shí)間 15～20 min。其具體過程為：鋼板剪切下料→鋼板鍍銅→檢驗(yàn)→鋪粉→燒結(jié)→軋制→復(fù)燒→復(fù)軋→雙金屬板材。該材料綜合了鋼板基材的高強(qiáng)度力學(xué)性能和銅基合金材料優(yōu)良的減摩和耐磨特性。

表1 試樣材料的組分Table 1 Compositions of samples

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

圖1 摩擦副的接觸方式及磨痕形狀Fig.1 Contact mode of friction couples and shape of wear scar

圖2 逐級(jí)加載示意圖Fig.2 diagram of variation of load with time

摩擦磨損試驗(yàn)在自制的 HDM-20型端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，摩擦副的接觸方式及磨痕形狀如圖1所示。待測圓形試樣為雙金屬板材，尺寸為直徑53 mm、厚度2.35 mm；對(duì)磨環(huán)材料為淬火45#鋼、硬度為47～53 HRC、其表面接觸尺寸為內(nèi)徑22 mm，外徑30 mm；試驗(yàn)條件為：浸油潤滑、摩擦線速度1.089 m/s。載荷分定載和變載兩種形式：定載時(shí)，載荷為1 200 N，時(shí)間為60 min；變載時(shí)，其加載方式如圖2所示，試驗(yàn)載荷從800 N開始先跑合15 min，再加載到1 200 N試驗(yàn)10 min，然后每隔10 min加載一次，每次載荷增加幅度為400 N，當(dāng)摩擦因數(shù)突然上升和摩擦副表面溫度急劇升高時(shí)，則停止試驗(yàn)。由試驗(yàn)機(jī)的智能檢測系統(tǒng)自動(dòng)記錄試驗(yàn)過程中的平均摩擦因數(shù)(瞬態(tài)摩擦因數(shù))和摩擦溫度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。每個(gè)試驗(yàn)結(jié)果為3次平行試驗(yàn)結(jié)果的平均值。用試樣磨痕深度表示材料的磨損程度, 并用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析試樣的磨痕表面形貌，探討其摩擦磨損性能及機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 鉍含量對(duì)無鉛銅鉍軸承材料摩擦學(xué)特性的影響

首先在變載荷和浸油潤滑條件進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，考察無鉛銅鉍軸承材料的減摩和抗粘著性能及其承載能力。在進(jìn)行端面摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)，雖采用浸油潤滑，但由于摩擦副上下試樣始終處于緊密接觸，摩擦副間處于邊界潤滑狀態(tài)，局部微凸體直接接觸不可避免，擦傷和粘著是主要磨損失效形式。微凸體的接觸、焊合與剪切導(dǎo)致局部接觸點(diǎn)溫度快速升高，當(dāng)局部閃點(diǎn)溫度升至鉍的熔點(diǎn)(271.4 ℃)以上時(shí)，銅鉍軸承材料中游離態(tài)的鉍相會(huì)從接觸點(diǎn)析出。圖3所示是鉍含量為5.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的無鉛銅鉍軸承材料試驗(yàn)后試樣表面發(fā)現(xiàn)的球狀析出物顆粒的SEM像及其EDS能譜。EDS能譜分析表明，其主要成分為金屬鉍，軟質(zhì)低熔點(diǎn)鉍的析出能明顯降低接觸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度，避免粘著的發(fā)生，潤滑油膜損傷小，有利于改善摩擦副的減摩和抗粘著特性。

無鉛銅鉍軸承材料摩擦副的摩擦因數(shù)及樣品表層以下2 mm處的溫度變化曲線分別如圖4和5所示。由圖4和5可以看出，在一定載荷條件下，摩擦副的摩擦因數(shù)較低而穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)，摩擦副表面溫升也平穩(wěn)；當(dāng)載荷超過某一值時(shí)，摩擦副的摩擦因數(shù)及表面溫度快速上升，并伴有噪聲及震動(dòng)出現(xiàn)，這表明已出現(xiàn)擦傷和粘著，摩擦副失效，該載荷對(duì)應(yīng)于無鉛銅鉍軸承材料的承載能力極限值。鉍含量對(duì)無鉛銅鉍軸承材料摩擦副的摩擦因數(shù)及表面溫升速率影響較大。鉍含量有一最佳范圍，當(dāng)鉍含量為2.0%～3.0%時(shí)，無鉛銅鉍軸承材料的減摩和抗粘著性能良好、承載能力較強(qiáng)，且鉍含量為3.0%的無鉛銅鉍軸承材料的性能最好。當(dāng)載荷從0.8 kN升至2.0 kN時(shí)，其減摩和抗粘著性能幾乎不受載荷的影響，摩擦副的摩擦因數(shù)一直維持在0.05左右，摩擦副的表面溫升速率也最低；當(dāng)載荷升至2.4 kN時(shí)，摩擦副的摩擦因數(shù)與表面溫度明顯上升；當(dāng)載荷升至2.8 kN時(shí)，摩擦副的摩擦因數(shù)與表面溫度快速上升，并伴有明顯的震動(dòng)與噪聲，摩擦副因發(fā)生嚴(yán)重粘著和咬合而失效。鉍含量為1.0%的無鉛銅鉍軸承材料具有較差的減摩和抗粘著性能，當(dāng)載荷超過1.6 kN時(shí)，摩擦副即發(fā)生嚴(yán)重粘著和咬合而失效，可能是由于鉍含量較低時(shí)，局部接觸區(qū)域滲出的鉍量少，使得粘著和撕裂發(fā)生的幾率增大，導(dǎo)致其減摩和抗粘著性能以及承載能力不及鉍含量為2.0%～3.0%的無鉛銅鉍軸承材料的相應(yīng)性能。而鉍含量為 4.0%和5.0%的無鉛銅鉍軸承材料也呈現(xiàn)較差的抗粘著和咬合性能，當(dāng)載荷分別為1.2和1.6 kN時(shí)，摩擦副因發(fā)生嚴(yán)重粘著和咬合而失效。在油潤滑條件下，低熔點(diǎn)鉍的析出主要起協(xié)同和輔助作用，有利于改善摩擦副的減摩和抗粘著特性；而鉍和鉛相比較脆，當(dāng)鉍含量較高時(shí)，熔出基體的鉍相增多，當(dāng)較高的閃點(diǎn)溫度下降后，不再處于融化狀態(tài)的鉍易在局部區(qū)域形成堆積而導(dǎo)致在摩擦過程中從摩擦表面剝落，反而使得摩擦副運(yùn)行不穩(wěn)定，摩擦副的摩擦因數(shù)增大，這與文獻(xiàn)[9]的報(bào)道是一致的?？梢姡谧冚d和邊界潤滑條件下，無鉛銅鉍軸承材料中的鉍含量過高或過低均不利于材料減摩、抗粘著和抗咬合性能的提高，而當(dāng)鉍含量為3.0%時(shí)，無鉛銅鉍軸承材料的抗粘著和咬合性能較好，承載能力較強(qiáng)。

圖3 球型析出物的SEM像和EDS譜Fig.3 SEM image (a) and EDS spectrum (b) of spherical precipitate

圖4 無鉛銅鉍軸承材料摩擦副摩擦因數(shù)與載荷的關(guān)系Fig.4 Relationship between friction coefficient and load of friction couples of lead-free Bi-contained copper bearing materials

圖5 無鉛銅鉍軸承材料摩擦副摩擦溫升與時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between friction temperature and time of friction couples of lead-free Bi-contained copper bearing materials

2.2 定載條件下3種銅基軸承材料的摩擦學(xué)特性

選擇鉍含量為3.0%的無鉛銅鉍軸承材料、典型銅鉛軸承材料(Cu10Sn10Pb)和銅錫合金軸承材料(Cu10Sn)分別在定載荷和變載荷條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)與分析。在定載荷和邊界潤滑條件下，3種銅基軸承材料摩擦副的平均摩擦因數(shù)及摩擦副表面平均磨痕深度分別如圖6(a)和(b)所示?？梢钥闯觯诙ㄝd荷試驗(yàn)條件下，銅錫合金的減摩和耐磨性能較差。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行10 min以后，由其組成的摩擦副的摩擦因數(shù)較高且持續(xù)上升；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行35 min后，摩擦副的摩擦因數(shù)與表面溫度已較高，摩擦副運(yùn)行不平穩(wěn)，出現(xiàn)震動(dòng)和噪音增大等現(xiàn)象，發(fā)生嚴(yán)重粘著，此時(shí)其平均磨痕深度已達(dá)到25 μm。與銅錫合金相比，銅鉛和銅鉍軸承材料具有較好減摩和耐磨性能，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間小于40 min時(shí)，銅鉛和銅鉍軸承材料的摩擦因數(shù)均在0.1以下且變化幅度較??；隨著試驗(yàn)的進(jìn)一步進(jìn)行，銅鉛和銅鉍軸承材料的摩擦因數(shù)均開始呈現(xiàn)增大的趨勢，但仍然明顯小于銅錫合金的摩擦因數(shù)。60 min試驗(yàn)結(jié)束后，銅鉛和銅鉍軸承材料的平均摩擦因數(shù)分別為0.148和0.108，摩擦副表面平均磨痕深度分別為12.8和13.5 μm，這表明鉍含量為3.0%的銅鉍軸承材料在定載荷的條件下具有較好的減摩和抗粘著性能，與典型銅鉛軸承材料的性能相當(dāng)。

圖6 定載荷條件下3種銅基軸承材料摩擦副的摩擦因數(shù)及磨痕深度Fig.6 Variations of friction coefficient and wear scar depth of friction couples of three types of copper-based bearing materials with time under constant load condition: (a) Friction coefficient; (b) Wear scar depth

由于銅錫合金屬于單相組織，不含低熔點(diǎn)組元鉛或鉍，局部區(qū)域直接接觸易導(dǎo)致粘著發(fā)生，使得摩擦副的摩擦因數(shù)較高且不穩(wěn)定。圖 7(a)所示為銅錫合金在定載荷條件下，摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)束后的磨痕表面形貌。可以看出，磨痕表面有明顯的犁溝和粘著痕跡存在，擦傷和粘著是其主要磨損失效形式。與銅錫合金相比，銅鉛和銅鉍軸承材料具有較好的減摩和抗粘著性能，由圖7(b)可以明顯看出，銅鉛軸承材料在摩擦過程中能在接觸表面形成一層均勻的鉛固體潤滑膜，當(dāng)潤滑油膜破裂時(shí)，能有效阻止對(duì)偶件金屬間的直接接觸，具有較好的減摩和抗粘著性能，使摩擦副因摩擦因數(shù)較低而平穩(wěn)，軸承材料磨損減輕，磨痕表面存在的犁溝和粘著坑較淺。無鉛銅鉍軸承材料中的無毒、低熔點(diǎn)組元鉍與鉛相似，在摩擦過程中因摩擦副表面局部區(qū)域直接接觸而引起摩擦副表面溫度升高，導(dǎo)致低熔點(diǎn)組元鉍的熔化和滲出而降低接觸區(qū)域的剪切強(qiáng)度，避免粘著的發(fā)生，潤滑油膜的損傷較小，從而降低無鉛鉍青銅軸承材料的摩擦因數(shù)，提高其摩擦學(xué)特性的穩(wěn)定性，在很大程度上減少零件在運(yùn)行過程中發(fā)生“咬合”的現(xiàn)象[9-10]，磨損也減緩。圖7(c)～ (f)所示為經(jīng)60 min摩擦磨損試驗(yàn)后，鉍含量為3.0%的無鉛銅鉍軸承材料磨痕的表面形貌及相應(yīng)的元素面掃描結(jié)果。可以看出，磨痕表面存在較淺的犁溝(見圖7(c))，磨損程度輕微；從圖 7(e)所示的鉍元素面分布照片看出，磨痕表面存在極少量的鉍元素，這可能是由于無鉛銅鉍軸承材料中的鉍含量較低(3%)，加之鉍較脆使得表層的鉍易于剝落造成的，這些還有待于進(jìn)一步研究；磨損表面少量的Fe元素(見圖7(f))表明發(fā)生了輕微粘著磨損，這是因?yàn)橛缮稀⑾略嚇咏M成的摩擦副始終處于緊密接觸狀態(tài)，摩擦副的表面難以形成完整潤滑油膜，摩擦副表面局部區(qū)域直接接觸不可避免，從而導(dǎo)致粘著發(fā)生。

圖7 3種軸承材料的磨痕表面形貌及3.0% Bi銅鉍軸承材料磨痕表面的元素面掃描結(jié)果Fig.7 Worn surface morphologies ((a), (b), (c)) of three kinds of bearing materials and area element scanning results of worn surface of 3.0% Bi copper-bismuth bearing materials ((d), (e), (f)): (a) Cu10Sn; (b) Cu10Pb10Sn; (c) Cu10Sn3Bi; (d) Distribution of Cu; (e) Distribution of Bi; (f) Distribution of Fe

2.3 變載條件下3種銅基軸承材料的摩擦學(xué)特性

評(píng)價(jià)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)性能的指標(biāo)，雖因其使用目的不同有多種多樣，但基本上都是采用摩擦因數(shù)與摩擦副表面溫度上升值來衡量[16]。以所制備的3種銅基軸承材料為研究對(duì)象，在變載試驗(yàn)條件下，其不同摩擦副的摩擦因數(shù)與載荷的關(guān)系曲線以及樣品表層以下 2 mm處溫度與時(shí)間的關(guān)系分別如圖8(a)和(b)所示。

圖8 變載條件下摩擦副摩擦因數(shù)及表面溫度的變化曲線Fig.8 Variation curves of friction coefficient (a) and surface temperature (b) of friction couples under different load conditions

由圖8可以看出，與定載試驗(yàn)時(shí)相同，無鉛銅錫合金的減摩和抗粘特性較差；隨著試驗(yàn)載荷的增大，摩擦副的摩擦因數(shù)幾乎呈直線上升趨勢，當(dāng)載荷升至1.2 kN時(shí)，無鉛銅錫合金摩擦副的摩擦因數(shù)明顯大于另外兩種銅基軸承材料摩擦副的摩擦因數(shù)，而且波動(dòng)幅度較大，極不平穩(wěn)；當(dāng)載荷升至1.6 kN時(shí)，無鉛銅錫合金摩擦副的摩擦因數(shù)快速升至0.20以上，并伴有明顯的噪聲和震動(dòng)出現(xiàn)，摩擦副表面溫升速率也明顯增大，這表明摩擦副已發(fā)生嚴(yán)重的粘著和咬合，此時(shí)無鉛銅錫合金材料失效。圖9所示為變載條件下3種軸承材料的磨痕表面形貌。由圖 9(a)可以看出，銅錫合金軸承材料表面存在粗大的犁溝和粘著痕跡，磨損嚴(yán)重。相比較而言，無鉛銅鉍軸承材料在有規(guī)律的變載荷條件下，具有較好的抗粘著和咬合性能，表現(xiàn)出摩擦副摩擦因數(shù)較低且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。由圖 8(a)可知：當(dāng)載荷小于2.0 kN時(shí)，其摩擦副的平均摩擦因數(shù)大約為0.06，明顯小于另外兩種銅基軸承材料的；而當(dāng)載荷大于2.0 kN時(shí)，無鉛銅鉍軸承材料摩擦副的摩擦因數(shù)呈明顯上升的趨勢；當(dāng)載荷升至2.8 kN時(shí)，摩擦副的摩擦因數(shù)快速上升，并伴有明顯的震動(dòng)與噪聲，摩擦副表面溫升加快，表明摩擦副開始產(chǎn)生粘著和咬合，試驗(yàn)結(jié)束后，其磨痕表面形貌如圖9(b)所示，摩擦表面存在一定程度的犁溝和粘著剝落現(xiàn)象；當(dāng)載荷大于2.0 kN時(shí)，典型銅鉛軸承材料(Cu10Sn10Pb)摩擦副的摩擦因數(shù)略低于無鉛銅鉍軸承材料摩擦副的摩擦因數(shù)，表明其減摩和抗粘著性能稍好；然而，當(dāng)載荷升至2.8 kN時(shí)，與無鉛銅鉍軸承材料摩擦副一樣，摩擦副的摩擦因數(shù)及表面溫升快速上升，并伴有明顯的震動(dòng)與噪聲，摩擦副表面也產(chǎn)生明顯的粘著和咬合現(xiàn)象。圖 9(c)所示為銅鉛軸承材料試驗(yàn)結(jié)束后的磨痕表面形貌?？梢钥闯觯ズ郾砻娲嬖诿黠@的犁溝和粘著剝落坑。這進(jìn)一步證實(shí)鉍含量為3.0%的銅鉍軸承材料在變載荷條件下具有較好的減摩和抗粘著性能，與典型銅鉛軸承材料的相當(dāng)。

圖9 變載荷條件下3種軸承材料的磨痕表面形貌Fig.9 Morphologies of worn surfaces of three types of bearing materials under different loads: (a) Cu10Sn, 1.6 kN;(b) Cu10Sn3Bi, 2.8 kN; (c) CuPb10Sn10, 2.8 kN

3 結(jié)論

1) 變載試驗(yàn)時(shí)，鉍含量對(duì)無鉛銅鉍軸承材料的摩擦學(xué)特性及承載能力具有顯著影響，鉍含量為3.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，無鉛銅鉍軸承材料的減摩抗粘著和抗咬合性能較好，承載能力較強(qiáng)。

2) 與銅錫軸承材料相比，鉍含量為 3.0%無鉛銅鉍軸承材料的減摩、抗粘著和抗咬合性能得到明顯改善，承載能力較強(qiáng)，基本接近或優(yōu)于典型銅鉛軸承材料。

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Tribological performance of lead-free Bi-contained copper-steel bimetal bearing materials

YIN Yan-guo, LIN Fu-dong, JIAO Ming-hua, XIE Ting, YU Jian-wei, TIAN Ming
(Institute of Tribology, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Lead-free Bi-contained copper-steel bimetal bearing materials were prepared by powder metallurgy method,their friction and wear tests were conducted by using the HDM-20 tribometer under boundary lubrication conditions. The anti-friction, anti-adhesion and load carrying capacity of the lead-free Bi-contained copper matrix bearing materials were also analyzed and compared with those of the typical copper-lead bearing material (Cu10Sn10Pb). The results show that the addition of Bi can improve the anti-friction and anti-adhesion performances of the bearing materials because Bi with lower melting point (271 ℃) can be melted and move to the surface to prevent the direct contact of counterfaces as the oil films rupture during sliding, which results in good performances of anti-friction and anti-adhesion. To achieve better performances of anti-friction, anti-adhesion and load carrying capacity of the bearing materials, the optimal addition of Bi is 3.0% (mass fraction) under increasing loads, their performances are close to or better than those of the typical copper-lead bearing materials.

Bi-contained copper; bearing material; lead-free; tribological properties

TH 117.1

A

1004-0609(2011)05-1038-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975072，51075114)

2010-05-17；

2010-09-25

尹延國，研究員，博士；電話：0551-2901359；E-mail：abyin@sina.com

(編輯 陳衛(wèi)萍)