唐紅躍，焦明華，尹延國(guó)，李吉寧

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

傳統(tǒng)銅-鉛雙金屬軸承材料以鋼板為基體，表面燒結(jié)一層鉛青銅合金粉，具有較高的承載能力、抗疲勞強(qiáng)度以及良好的減摩及嵌藏性能等，過(guò)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，尋求無(wú)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[5-6]。新型銅-鎳-錫系合金因具有較高的強(qiáng)度、良好的成形性、優(yōu)越的導(dǎo)電性和抗腐蝕能力，性能與傳統(tǒng)鈹青銅相當(dāng)或部分優(yōu)于鈹青銅，主要作為替代傳統(tǒng)彈性材料鈹青銅而受到青睞。近年來(lái)將其作為減摩耐磨材料，已開始用于制造重載工況下使用的軸承[7-8]。

文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)，CuNi6Sn6用于內(nèi)燃機(jī)、變速器等滑動(dòng)軸承材料表現(xiàn)出較好的抗磨損性能。文獻(xiàn)[10]表明CuNi1Sn8具有較好的力學(xué)及耐腐蝕性能，適用于潤(rùn)滑良好、重載條件下的相關(guān)減摩零件。文獻(xiàn)[11]所述銅-鎳-錫合金具有良好的潤(rùn)滑性和抗腐蝕性，適用于承載能力高的軸承。

然而由于銅-鎳-錫合金體系品種較多，對(duì)其摩擦磨損特性和機(jī)理還缺乏系統(tǒng)的研究。下文采用粉末燒結(jié)方法制備典型銅-鉛和銅-鎳雙金屬軸承材料，研究其在不同工況下的摩擦磨損特性及其規(guī)律，探討減摩、抗粘著機(jī)理，為開發(fā)新型銅-鎳雙金屬軸承材料提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料的制備

試樣通過(guò)粉末燒結(jié)工藝制備，具體工藝為:用霧化法制取CuNi9Sn6，CuPb10Sn10和CuPb24Sn1 3種試驗(yàn)用銅合金粉，并將其均勻鋪覆在潔凈的ST37-2G冷軋?zhí)妓亟Y(jié)構(gòu)鋼板上。鋪粉厚度約為0.76～0.89 mm，在高溫網(wǎng)帶燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，采用氨分解氣氛(N2，H2) 保護(hù)。一次燒結(jié)溫度865～950 ℃，保溫15～20 min；二次燒結(jié)溫度815～865 ℃ ，保溫15～20 min。其軸承合金具體制備過(guò)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，板材尺寸為38 mm×38 mm×2 mm。用顯微維氏硬度計(jì)在載荷為0.98 N、保持15 s的條件下測(cè)量雙金屬材料銅合金層的硬度，試驗(yàn)材料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及硬度值見表1。

表1 材料成分及顯微硬度

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用HDM-20端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，摩擦副為環(huán)-塊接觸滑動(dòng)方式。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，并開有6個(gè)均勻分布寬度為2 mm的槽口。試驗(yàn)以定時(shí)定載的方式分別在油潤(rùn)滑和預(yù)浸油2種工況下進(jìn)行，具體試驗(yàn)方案見表2。試驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)摩擦副運(yùn)行不平穩(wěn)或出現(xiàn)明顯的噪聲時(shí)表明摩擦副失效，采用手動(dòng)停機(jī)，結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)的智能檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄試驗(yàn)過(guò)程中的平均摩擦因數(shù)和溫升等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果取3次重復(fù)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，并采用表面輪廓儀和掃描電鏡分析試樣表面形貌，探討其摩擦磨損性能及機(jī)理。

表2 摩擦磨損試驗(yàn)方案

2 結(jié)果與討論

2.1 定載油潤(rùn)滑時(shí)材料的摩擦學(xué)特性

定載油潤(rùn)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如圖1所示。由圖1a可以看到，3種材料摩擦副摩擦因數(shù)整體呈下降趨勢(shì)。初始階段，CuPb10Sn10的摩擦因數(shù)最高，下降幅度也較為明顯；20 min以后，3種材料的摩擦因數(shù)均呈緩慢下降趨勢(shì)，但CuNi9Sn6的摩擦因數(shù)一直高于CuPb10Sn10和CuPb24Sn1。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中CuPb24Sn1的摩擦因數(shù)一直處于較低水平。由圖1b可以看出，CuPb24Sn1的磨損量最低，為8 μm；CuNi9Sn6次之，為9 μm；而CuPb10Sn10的磨損量最高，為16 μm。

圖1 油潤(rùn)滑時(shí)的摩擦學(xué)特性

表面輪廓儀檢測(cè)3種材料表面原始輪廓形貌的結(jié)果如圖2所示。CuPb24Sn1表面最為光滑和平整，幾乎看不到微凸體；CuNi9Sn6次之；CuPb10Sn10表面則較粗糙、不平整且微凸體很明顯。試驗(yàn)初始磨合階段，表面微凸體首先接觸，因此CuPb10Sn10比其他2種材料更易磨損，磨損量較大，摩擦因數(shù)變化明顯。經(jīng)磨合后摩擦副接觸表面形成良好的潤(rùn)滑油膜，摩擦因數(shù)緩慢下降并趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)摩擦副油膜瞬時(shí)破裂時(shí)，CuPb10Sn10和CuPb24Sn1材料中的鉛會(huì)從摩擦表面析出，與潤(rùn)滑油膜協(xié)同作用，起到液-固潤(rùn)滑效果，顯現(xiàn)出較好的減摩、抗粘著特性；而CuNi9Sn6材料本身無(wú)軟質(zhì)相，硬度較高，瞬時(shí)油膜破裂時(shí)，基體與對(duì)偶件直接接觸，故減摩、抗粘著特性相對(duì)較差。

圖2 材料表面輪廓形貌

3種材料磨痕表面形貌SEM照片如圖3所示。可以看出，3種材料磨痕表面均較為光滑，幾乎看不到明顯劃痕，僅圖3b CuPb10Sn10表面磨損稍多，相對(duì)粗糙。總體來(lái)說(shuō)，定載油潤(rùn)滑條件下典型銅-鉛軸承材料表現(xiàn)出更好的減摩性能，但銅-鎳材料CuNi9Sn6的耐磨性比低鉛的CuPb10Sn10提高近2倍，接近于高鉛合金CuPb24Sn1。

圖3 試驗(yàn)材料磨痕表面形貌SEM照片

2.2 定載預(yù)浸油條件下材料的摩擦學(xué)特性

定載預(yù)浸油潤(rùn)滑條件下，3種銅基軸承材料摩擦副平均摩擦因數(shù)、材料表面平均磨痕深度以及摩擦副表面溫度變化曲線如圖4所示。

從圖4a可以看到，CuNi9Sn6和CuPb10Sn10的摩擦因數(shù)在試驗(yàn)初始階段下降較為明顯，隨后趨于穩(wěn)定，而CuPb24Sn1摩擦因數(shù)波動(dòng)較大，整體呈上升趨勢(shì)。50 min時(shí)，摩擦副出現(xiàn)明顯振動(dòng)和異響，摩擦因數(shù)超過(guò)0.25，試驗(yàn)停止。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中CuNi9Sn6和CuPb10Sn10的摩擦因數(shù)一直處于較低水平，波動(dòng)較小，且CuNi9Sn6摩擦因數(shù)最低。由圖4b可知，CuNi9Sn6磨損量最低，為11 μm；CuPb10Sn10次之，為15 μm；CuPb24Sn1磨損量最大，為24 μm。從圖4c中可以看出，CuNi9Sn6和CuPb10Sn10的摩擦副溫度上升緩慢，并且在30 min以后基本保持不變；CuPb24Sn1摩擦副溫度上升速率明顯，并且一直處于上升趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，其溫度已經(jīng)上升到180 ℃左右;CuNi9Sn6材料摩擦副溫度最低，僅為40 ℃左右。

圖4 預(yù)浸油條件下的摩擦學(xué)特性

試驗(yàn)前后分別對(duì)材料非磨痕區(qū)域和磨痕區(qū)域進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖5所示。CuNi9Sn6磨痕表面較為光滑，僅有少量輕微劃痕和較淺犁溝；CuPb10Sn10磨痕表面相對(duì)粗糙，存在明顯的劃痕和犁溝；CuPb24Sn1磨痕表面粘著剝落十分嚴(yán)重，存在較大剝落坑。

圖5 預(yù)浸油試驗(yàn)材料表面形貌SEM照片

通過(guò)與幾種材料原始表面SEM照片對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雙金屬軸承材料雖然經(jīng)過(guò)多道軋制和精整，但銅粉顆粒之間仍存在孔隙，其中CuNi9Sn6沒(méi)有游離的第二相，合金粉顆粒之間存在較多的孔隙，而CuPb10Sn10和CuPb24Sn1則由于鉛的加入使得合金粉顆粒之間的孔隙逐漸被游離的第二相金屬鉛填充，并且鉛含量越多，表面孔隙越少,這與圖2中3種銅基軸承材料表面輪廓形貌微觀波谷隨著鉛含量的增多而不斷減小相一致。

由于表面孔隙不同，浸入材料中的潤(rùn)滑油量也不同。CuNi9Sn6表面孔隙最多，浸入的潤(rùn)滑油也最多，易形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑油膜，摩擦副運(yùn)行平穩(wěn)，摩擦因數(shù)和磨損量最小。CuPb10Sn10表面孔隙較少，浸入潤(rùn)滑油不多，僅能在表面形成一層較薄的潤(rùn)滑油膜,潤(rùn)滑油膜容易破裂，此時(shí)鉛從材料表面析出，逐漸在摩擦副表面形成穩(wěn)定致密的液-固潤(rùn)滑膜，起到了較好的減摩抗粘著作用。CuPb24Sn1中鉛含量最高，表面孔隙最少，僅有極少量潤(rùn)滑油浸入材料，潤(rùn)滑情況較差，對(duì)偶件與材料表面直接接觸，摩擦副磨損劇烈，溫度迅速上升。較多的鉛在表面析出、鋪展，盡管鉛作為軟質(zhì)減摩相具有較好的減摩抗粘著效果，但與潤(rùn)滑油膜相比，減摩效果明顯不足。越來(lái)越多的鉛析出并在表面堆積，隨后又被對(duì)偶件帶走，形成一塊塊鉛膜剝落坑，很難在材料表面形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜。試驗(yàn)到50 min時(shí)，摩擦副出現(xiàn)明顯振動(dòng)和異響，表明已經(jīng)發(fā)生咬粘現(xiàn)象，終止試驗(yàn)。定載預(yù)浸油條件下，材料表面粗糙度以及孔隙對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較大。CuNi9Sn6因其表面較為光整，孔隙較多，能夠存儲(chǔ)較多潤(rùn)滑油，故其減摩耐磨性能優(yōu)于CuPb10Sn10和CuPb24Sn1。

3 結(jié)論

1)定載油潤(rùn)滑條件下，3種軸承材料摩擦因數(shù)和磨損量均較低，其中銅-鉛材料的減摩性能優(yōu)于銅-鎳材料CuNi9Sn6，但CuNi9Sn6的耐磨性比低鉛合金CuPb10Sn10提高近2倍，接近于高鉛合金CuPb24Sn1。

2)雙金屬板材經(jīng)過(guò)軋制，表面銅合金粉顆粒之間仍存在孔隙，CuPb10Sn10和CuPb24Sn1中軟質(zhì)金屬鉛會(huì)阻塞表面孔隙，鉛含量越高，表面孔隙越少。

3)定載預(yù)浸油條件下，材料表面粗糙度和孔隙率對(duì)試驗(yàn)影響較大。CuNi9Sn6由于不含鉛，表面孔隙未被阻塞，浸入潤(rùn)滑油比含鉛材料多，減摩耐磨性能明顯優(yōu)于CuPb10Sn10和CuPb24Sn1。