王玲，尹延國(guó)，焦明華，俞建衛(wèi)

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

鉛可顯著改善滑動(dòng)軸承的減摩性、順應(yīng)性和嵌入性，并且價(jià)格低廉，所以長(zhǎng)期以來(lái)，鉛一直是軸承合金材料中的重要成分。然而，鉛是一種有毒元素，隨著環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，產(chǎn)品無(wú)鉛化成為必然趨勢(shì)[1-5]。鑒于滑動(dòng)軸承無(wú)鉛化的迫切要求以及無(wú)毒低熔點(diǎn)金屬元素鉍有與鉛類(lèi)似的潤(rùn)滑特性，國(guó)內(nèi)、外已經(jīng)有相關(guān)無(wú)鉛銅鉍合金滑動(dòng)軸承材料的摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能的研究報(bào)道[6-9]。如文獻(xiàn) [10]涉及到一種由銅鉍合金組成的燒結(jié)滑動(dòng)軸承材料，其含錫10%～15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，含鉍0.5%～10%，含石墨5%～12%，余量為銅。文獻(xiàn) [11]介紹的含鉍無(wú)鉛雙金屬軸承，其特征是用無(wú)毒低熔點(diǎn)金屬元素鉍取代了鉛。文獻(xiàn)[12-13]研究表明，鉍可替代鉛，達(dá)到較好的減摩、抗黏著性能，但由于鉍本身的脆性，導(dǎo)致含鉍的銅基軸承材料還無(wú)法完全替代銅鉛材料。文獻(xiàn) [14]表明，在銅鉍軸承材料中添加微量銀能改善軸承材料的摩擦學(xué)特性，具有較好的減摩、耐磨和抗黏著性能。然而，目前國(guó)內(nèi)、外關(guān)于含銀無(wú)鉛銅鉍軸承材料相關(guān)方面的研究還較欠缺，尤其是系統(tǒng)地開(kāi)展含銀無(wú)鉛銅鉍軸承材料摩擦學(xué)特性方面的研究還未見(jiàn)報(bào)道。下文在銅鉍軸承材料研究的基礎(chǔ)上，分析了不同工況下銀對(duì)銅鉍滑動(dòng)軸承材料摩擦學(xué)特性的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及制備

低銀組元銅鉍軸承材料的配方見(jiàn)表1，固定銅基軸承材料中Cu-Sn-Bi組元的含量不變，分別添加不同含量的銀，制備含銀無(wú)鉛銅鉍軸承材料，其中0#試樣為不含銀的銅鉍軸承材料，1#～7#試樣為不同銀含量的銅鉍軸承材料。試樣采用傳統(tǒng)粉末冶金工藝制備，具體工藝為：首先按照表1的配方進(jìn)行精確稱(chēng)重配比并充分混合均勻，然后將混合后的合金粉末放在模具上進(jìn)行單向壓制，壓力為600 ～700 MPa，保壓3 ～5 min，然后置于高溫網(wǎng)帶爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)采用氨分解氣氛(N2，H2)保護(hù)，燒結(jié)溫度820 ～860 ℃，保溫30 min。

表1 試樣材料配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

摩擦磨損性能檢測(cè)在MM-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，摩擦因數(shù)由該試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的摩擦扭矩計(jì)算得出，其精度為0.002。上試樣為方塊狀的銅基軸承材料，尺寸為25 mm×10.5 mm×6 mm，對(duì)偶件(下試樣)為外徑40 mm、內(nèi)徑16 mm的圓環(huán)狀45#淬火鋼，硬度值為(50±3)HRC，摩擦副接觸方式如圖1所示。試驗(yàn)采用滴油潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油為32#機(jī)油。定載荷形式：當(dāng)?shù)斡退俣葹?0滴/min時(shí)，載荷為300 N；滴油速度分別為1滴/min和1滴/5 min時(shí)，載荷為100 N。對(duì)偶件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，線速度為0.837 m/s，試驗(yàn)時(shí)間分別為1 h和3 h。

圖1 摩擦副接觸形式

為減少試樣表面狀態(tài)對(duì)摩擦因數(shù)和磨損率的影響，試驗(yàn)前用砂紙對(duì)試樣和對(duì)偶件的表面進(jìn)行同樣規(guī)范的打磨，并用丙酮對(duì)試樣和對(duì)偶件的表面進(jìn)行清洗。摩擦、磨損試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量磨痕寬度并計(jì)算銅基軸承材料體積磨損量，利用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)試樣的磨痕表面形貌，并用JSM6490/LV掃描電鏡對(duì)磨痕表面進(jìn)行EDS能譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)1 h后的摩擦磨損性能

2.1.1 滴油量30滴/min

在滴油量為30滴/min，定載荷為300 N的條件下，采用3次試驗(yàn)取平均值的方法，得出不同摩擦副摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化的曲線如圖2a所示。幾種摩擦副運(yùn)行平穩(wěn)，摩擦因數(shù)波動(dòng)不大，其中0#試樣摩擦副摩擦因數(shù)在開(kāi)始的5 min內(nèi)從0.04上升到0.045，然后逐漸下降并穩(wěn)定在0.033左右；與0#試樣相比，1#，6#試樣摩擦因數(shù)相對(duì)較低，說(shuō)明其具有較好的減摩、抗黏著性能；而其他幾種試樣摩擦副平穩(wěn)階段的摩擦因數(shù)為0.04～0.06，并未表現(xiàn)出更好的減摩、抗黏著性能。

試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量試樣磨痕寬度，并且計(jì)算其體積磨損量，結(jié)果如圖2b所示。0#試樣的體積磨損量也為0.32 mm3，5#，6#試樣的體積磨損量也相對(duì)較小，分別為0.36和0.21 mm3，而其他幾種試樣的體積磨損量均高于0#試樣。綜合不同試樣磨損量和摩擦副摩擦因數(shù)大小，銀含量為0.8%的6#試樣的耐摩擦磨損性能最好。

圖2 滴油量30滴/min時(shí)的摩擦磨損性能

2.1.2 滴油量1滴/min

在滴油量為1滴/min，定載荷為100 N條件下，采用3次試驗(yàn)取平均值的方法，得出其不同摩擦副摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化情況，如圖 3a所示。幾種摩擦副運(yùn)行也相對(duì)較為平穩(wěn)，平均摩擦因數(shù)為0.040～0.055，其中0#試樣摩擦因數(shù)從開(kāi)始的0.043逐漸上升并最終維持在0.053左右； 1#～3#試樣摩擦因數(shù)明顯高于0#試樣； 4#～7#試樣的摩擦因數(shù)低于0#試樣，平均摩擦因數(shù)均在0.050以下，其中6#試樣摩擦因數(shù)最低，基本維持在0.044左右，試驗(yàn)運(yùn)行平穩(wěn)，表現(xiàn)出較好的減摩、抗黏著特性。與滴油量為30滴/min試驗(yàn)條件相比，銅鉍軸承材料中銀含量增加到0.5%時(shí)，已體現(xiàn)出改善減摩、抗黏著的效果，但銀含量為0.8%時(shí)效果最好。

圖3 滴油量1滴/min時(shí)的摩擦磨損性能

幾種試樣的體積磨損量測(cè)量結(jié)果如圖3b所示，0#試樣的體積磨損量為0.897 mm3，1#和3#試樣的磨損量與0#試樣相當(dāng)或稍有增大。當(dāng)銀含量逐漸提高到0.5%以上時(shí)，幾種含銀銅鉍軸承材料的體積磨損量越來(lái)越小，其中6#試樣體積磨損量最小，為0.249 mm3，與0#試樣相比，磨損量減少了2/3以上，表現(xiàn)出較好的耐磨性能，但當(dāng)銀含量加到1. 0%時(shí)，試樣體積磨損量反而明顯增大。

圖4為0#，4#和6#試樣在滴油量為1滴/min試驗(yàn)后在100倍光學(xué)顯微鏡下的磨痕形貌圖片。從中可以看出：0#試樣表面存在黏著痕跡和許多較深的犁溝，試驗(yàn)過(guò)程中油膜破裂導(dǎo)致局部微凸體直接接觸，在摩擦副表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于黏著效應(yīng)所形成的黏著結(jié)點(diǎn)發(fā)生斷裂，產(chǎn)生黏著磨損，表現(xiàn)出較差的減摩、抗黏著特性。這是由于銅基軸承材料相對(duì)較軟，在摩擦磨損過(guò)程中，對(duì)偶表面的微凸體和由磨損產(chǎn)生的硬質(zhì)磨屑可能嵌入較軟的銅基軸承材料表面，致使試樣表面出現(xiàn)大量的犁溝。當(dāng)銅鉍軸承材料中含有適量的銀時(shí)，改善了其減摩、耐磨性能，與0#試樣相比，4#試樣的磨損程度較輕微，黏著痕跡明顯減少。 6#試樣的磨痕表面較為光滑，犁溝、黏著磨損程度最低。

圖4 幾種試樣的磨痕表面形貌

圖5為滴油潤(rùn)滑(1滴/min)試驗(yàn)條件下0#和6#試樣磨痕表面的EDS能譜圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：0#試樣鉍的能量峰非常弱，其對(duì)應(yīng)的鉍含量只有0.44%； 6#試樣同時(shí)出現(xiàn)了銀和鉍的能量峰，而且鉍的能量峰比0#的強(qiáng)，其對(duì)應(yīng)的鉍含量為1.06%，銀含量為0.26%。由于較多銀、鉍低熔點(diǎn)軟質(zhì)相在磨痕表面的分布，改善了材料的減摩及抗黏著性能。

圖5 0#和6#試樣的 EDS能譜圖

2.1.3 滴油量1滴/5 min

在滴油量為1滴/5 min，定載荷為100 N，線速度為0.837 m/s的條件下，采用3次試驗(yàn)取平均值的方法，得出不同摩擦副摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化情況如圖6a所示。與滴油量為1滴/min時(shí)相比，由于油量減少，潤(rùn)滑效果減弱，摩擦因數(shù)總體增大，0#試樣摩擦因數(shù)由開(kāi)始的0.05逐漸上升并維持在0.07左右；而與0#相比，3#～6#試樣摩擦因數(shù)較小，其中6#試樣摩擦因數(shù)由開(kāi)始的0.04逐漸上升并穩(wěn)定在0.058左右，試驗(yàn)運(yùn)行平穩(wěn)，表現(xiàn)出較好的減摩、抗黏著特性。

試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量低銀組元銅鉍軸承材料磨痕寬度，并計(jì)算其體積磨損量，結(jié)果如圖6b所示。6#試樣磨損量最小，僅為0.383 mm3，且與滴油量1滴/min時(shí)磨損量的變化規(guī)律相似。

圖6 滴油量為1滴/5 min時(shí)的摩擦磨損性能

由以上3種潤(rùn)滑條件下的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在銅鉍軸承材料中添加一定含量的銀，對(duì)材料的摩擦磨損性能有一定影響，當(dāng)銀含量較低或較高時(shí)，對(duì)銅鉍軸承材料的減摩、耐磨性能無(wú)明顯作用；而當(dāng)銀含量適宜時(shí)，對(duì)銅鉍軸承材料的減摩、耐磨性能有明顯的改善作用；尤其是隨滴油量減少，潤(rùn)滑效果減弱時(shí)，銀對(duì)銅鉍軸承材料減摩、耐磨性能的改善作用較為明顯，銀的適宜添加范圍也較寬泛，其中3種潤(rùn)滑條件下，銀的最佳添加量均為0.80%。

2.2 試驗(yàn)3 h后0#和6#試樣的摩擦磨損性能

選擇銀添加量0.80%的6#試樣和不含銀的0#試樣進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的摩擦磨損對(duì)比試驗(yàn)，具體試驗(yàn)條件：滴油量為1滴/ min，定載荷為100 N，線速度為0.837 m/s，時(shí)間為180 min。如圖7a所示，兩種試樣摩擦副摩擦因數(shù)在前85 min的變化趨勢(shì)基本相似，0#試樣摩擦副摩擦因數(shù)從開(kāi)始的0.03逐漸上升并穩(wěn)定在0.05左右， 6#試樣摩擦因數(shù)從開(kāi)始的0.025逐漸上升并穩(wěn)定在0.042左右。85 min后6#試樣摩擦因數(shù)有明顯下降趨勢(shì)，并逐漸穩(wěn)定在0.04左右，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程摩擦因數(shù)均低于0#試樣，且變化較為平穩(wěn)；而85 min后0#試樣摩擦因數(shù)明顯增大，并且變化不穩(wěn)定。

圖7 0#與6#試樣摩擦磨損情況對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量2種試樣的磨痕寬度，并計(jì)算其體積磨損量，結(jié)果如圖7b所示，圖中6#試樣的體積磨損量明顯小于0#試樣，可見(jiàn)加入適量的銀對(duì)銅鉍軸承材料的摩擦學(xué)特性確有明顯的改善效果。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)?shù)斡土繛?0滴/min，即潤(rùn)滑情況較好時(shí)，銀對(duì)銅鉍軸承材料的摩擦學(xué)特性影響不明顯，銀含量為0.8%時(shí)，對(duì)銅鉍軸承材料的摩擦學(xué)特性有一定的改善作用；在滴油量為1滴/min及1滴/5 min相對(duì)潤(rùn)滑不好的情況下，銀對(duì)銅鉍軸承材料減摩、耐磨性能的改善作用較為明顯，銀的適宜添加范圍也較寬，但銀的最佳添加量為0.80%。

(2) 潤(rùn)滑情況較差的試驗(yàn)條件下，銅鉍軸承材料容易產(chǎn)生黏著磨損和磨粒磨損，表現(xiàn)出較差的摩擦磨損特性；銀含量適宜的銅鉍軸承材料磨損程度較輕微，黏著、犁溝痕跡明顯較輕，磨痕表面較為光滑。