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(華南理工大學(xué)1.材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.廣東省先進儲能材料重點實驗室； 3.機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641；4. 上海核威實業(yè)有限公司，上海 201615)

0 引 言

將巴氏合金(錫基和鉛基合金)、鋁基合金或銅基合金等滑動軸承合金材料與低碳鋼板復(fù)合，加工成的雙層或者多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的半圓形軸瓦或圓形襯套，是滑動軸承中直接與軸或軸頸配合的摩擦偶件。常見的軸瓦為雙金屬或三金屬軸瓦，一般包括表面涂層或耐磨減摩合金層、提高上下層結(jié)合強度的過渡層和低碳鋼帶層等兩層或三層結(jié)構(gòu)；此外，還有全部采用軸承合金制成的整體軸瓦。據(jù)統(tǒng)計，截至2010年，我國軸瓦生產(chǎn)企業(yè)有400余家，每年軸瓦總產(chǎn)量約20億片，年產(chǎn)值超過120億元[1]。近年來，高速鐵路、輕軌、地鐵和船舶等其他交通產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，進一步增大了軸瓦的市場需求。然而，我國軸瓦用軸承合金多是參考國外商品化牌號，通過添加或改變部分微量組元而得到的，有時還需應(yīng)用各種涂層技術(shù)[2]對軸承合金進行表面改性(增加第三層)，來進一步提高軸瓦的性能特別是疲勞性能。這種現(xiàn)狀導(dǎo)致國內(nèi)軸瓦生產(chǎn)商的研發(fā)能力差，享有規(guī)模和品牌效應(yīng)的企業(yè)不足10家，很難擁有在市場上具有競爭力的自主國產(chǎn)化牌號。2010年，我國車用軸瓦產(chǎn)量約10億片(產(chǎn)值約40億元)，而美國輝門、奧地利米巴、德國KS、日本大豐和大同等企業(yè)的總產(chǎn)量僅約11億片，但這些企業(yè)卻占據(jù)了全球近70%的市場份額。

在常用的金屬類滑動軸承合金材料中，巴氏合金(錫基和鉛基軸承合金)的顯微組織是經(jīng)典的“雙相結(jié)構(gòu)”，即軟基體組織中分布著硬脆的共晶體化合物相(如Cu6Sn5、Cu3Sn、SnPb)[3-4]，雖然擁有這種組織結(jié)構(gòu)的合金具有很好的嵌藏性、順應(yīng)性、抗咬合性、減摩性，低的熱膨脹系數(shù)以及良好的工藝性能等，但由于基體的強度很低，且基體承載能力和疲勞強度會隨工作溫度的升高和合金層厚度的增加而下降，因此只能應(yīng)用于小型、輕載的汽車發(fā)動機軸瓦或襯套。銅基和鋁基軸承合金具有比巴氏合金更高的疲勞強度，且添加了某些軟金屬元素(如錫、鉛、鎘、銻、鋅和鉍等)后具有較好的自潤滑性，能夠滿足現(xiàn)代高速高載發(fā)動機在各種工況下的使用要求，因此得到了日益廣泛的應(yīng)用。此外，隨著人們環(huán)保意識的增強，各國開始限制常用金屬材料中有毒元素的使用。歐盟自2011年7月1日起就禁止鉛元素在輕型車用發(fā)動機中的使用，這一規(guī)定給汽車滑動軸承合金及其表面涂層材料的開發(fā)和應(yīng)用帶來了變革[5-6]。盡管在重載發(fā)動機材料的使用上還沒有出臺類似的法規(guī)，但這僅僅只是時間問題?？傮w而言，隨著現(xiàn)代交通裝備的迅速發(fā)展，以及發(fā)動機的高壓縮比、緊湊設(shè)計和輕量化的發(fā)展趨勢，軸承合金將向著高承載能力、高耐磨減摩性和環(huán)保(無鉛)的方向發(fā)展[7]。

常用銅基軸承合金的疲勞強度可達150 MPa左右，鋁基軸承合金的只有40～80 MPa；近幾年開發(fā)的新型高強度鋁基軸承合金的疲勞強度能達到110～120 MPa，國外部分鋁基軸承合金則提高到了130 MPa左右[5-6]。雖然鋁基軸承合金的性能與銅基軸承合金的相比仍有一定差距，但由于其具有較高的綜合力學(xué)性能、熱傳導(dǎo)性能和良好的耐腐蝕性能，且資源豐富、價格低廉，因此已成為普通乘用車發(fā)動機中滑動軸承的主導(dǎo)材料，其占比在美國達90%以上[7]。目前，無鉛化鋁基軸承合金有兩個發(fā)展方向：一是研制高疲勞強度的鋁基軸承合金以替代傳統(tǒng)銅基和鉛基合金，滿足高性能發(fā)動機中連桿軸承合金的需求；二是開發(fā)中等疲勞強度且具有高順應(yīng)性的鋁基軸承合金，滿足內(nèi)燃機中承載負荷小于1/2連桿軸承負荷的主軸承材料的需求[8]。

目前，國產(chǎn)鋁基軸承合金品種單一，而且在合金熔煉，軸瓦的表面處理、性能和使用壽命等方面，與國外相比仍存在較大的差距。為了給國內(nèi)相關(guān)研究人員提供參考，作者從合金種類、組織和性能、改性方法等方面對軸瓦用高性能鋁基軸承合金進行了綜述。

1 鋁基軸承合金的種類

鋁基軸承合金的應(yīng)用始于20世紀30年代，到目前為止已發(fā)展出Al-Sn、Al-Pb、Al-Si、Al-Zn和Al-Bi等體系。Al-Sn系軸承合金是應(yīng)用最早的鋁基軸承合金，并且在20世紀50，60年代在美國、英國、德國等國得到了突飛猛進的發(fā)展，其生產(chǎn)量增長了100多倍。進入70年代后，由于銅、錫等資源短缺、價格昂貴，研究人員開發(fā)出了廉價且自潤滑性更優(yōu)的Al-Pb系軸承合金，并在美國開始得到應(yīng)用。Al-Si系和Al-Zn系軸承合金是為了在高速、重載、增壓強化條件下工作的主軸承和連桿軸承而開發(fā)的。經(jīng)過長期發(fā)展，采用鋁基軸承合金制造的單金屬(即整體)軸瓦，以及雙金屬和三金屬軸瓦已是很成熟的商品，如表1所示。雙金屬和三金屬結(jié)構(gòu)不僅能發(fā)揮出鋁基軸承合金層的優(yōu)異耐磨性能，還能滿足滑動軸承整體靜強度和疲勞強度的要求，在某些條件下還能改善耐腐蝕性，可應(yīng)用于低、中、高等級別的軸瓦或連桿軸瓦；單金屬軸瓦則主要應(yīng)用于止推片和端襯套。不同生產(chǎn)廠家根據(jù)ISO 4383：2000的要求而開發(fā)出的商業(yè)化鋁基滑動軸承合金如表2[5]所示。

表1 典型發(fā)動機用鋁基軸承合金軸瓦的結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用Tab.1 Structures, properties and appplications of typical engine bearing shells made from Al-based bearing alloys

表2 基于ISO 4383:2000開發(fā)的商用鋁基軸承合金的種類及生產(chǎn)廠家[5]Tab.2 Types and manufacturers of industrial Al-based bearing alloys developed on basis of ISO4383:2000[5]

隨著工業(yè)無鉛化的推進，Al-Pb系合金被逐步淘汰；Al-Si系合金和Al-Zn系合金(如SAE785、AlZn4SiPb及AlZn4.5Mg等)的應(yīng)用范圍較小，且由于硬度高、嵌藏性和順應(yīng)性差，其表面通常需要電鍍一層含鉛的軟合金層進行改性[5,9]；Al-Bi系合金的工業(yè)應(yīng)用極少，實驗室研究較多[10-11]，這是由于鉍屬于硬脆相，不利于合金韌性和疲勞強度的提高；錫具有優(yōu)異的固體潤滑性能，能有效提高合金的表面性能，因此Al-Sn系合金一直是滑動軸承合金中十分重要的合金。目前，Al-Sn、Al-Sn-Si系軸承合金被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車發(fā)動機中，是最具潛力替代Al-Pb系甚至Cu-Pb系的軸承合金。

2 不同鋁基軸承合金的組織和性能

2.1 Al-Sn系合金

Al-Sn系合金在發(fā)動機軸承上的應(yīng)用已有近80 a的歷史[3]。鋁錫互不溶體系的混合熱為+19 kJ·mol-1，在(892±20) K下錫在鋁中的最大固溶度(原子分數(shù))為0.026%。Al-Sn系合金結(jié)晶時，首先析出近純鋁的晶體，在達到共晶溫度(502 K)時，錫呈片狀或球狀在鋁的晶界上析出[12]；當(dāng)錫含量較高時，由于鋁和低熔點鋁錫共晶體之間存在界面張力，錫形成了網(wǎng)狀組織，并將鋁晶粒焊合在一起[13]。Al-Sn系合金中的少量組元以Al2Cu、Al3Ni、Ni2Al、Al3Ti、初晶硅、共晶硅等硬脆金屬間化合物相存在，分布于鋁基體和低熔點鋁錫共晶體中。冷軋加工使上述鑄態(tài)組織中的鋁錫等晶體拉長和破碎，硬脆金屬間化合物相亦被破碎，在隨后的320～350 ℃保溫4～8 h的再結(jié)晶退火處理過程中，破碎的金屬間化合物相發(fā)生再結(jié)晶，而鋁錫共晶體發(fā)生熔融；熔融的鋁錫共晶體在表面張力的作用下沿鋁的晶界收縮聚集，形成彼此連接的多角形“錫島”[13]。國產(chǎn)A17X(AlSn12Si2.5Pb1.5Cu0.7)鋁錫合金組織中的初晶硅相粗大，因冷軋加工時合金板的變形量大，其晶粒拉長現(xiàn)象十分嚴重。

Al-Sn系合金中的錫含量是影響合金力學(xué)性能、摩擦學(xué)性能以及使用性能的重要因素。表3比較了不同錫含量Al-Sn系合金的性能[14-16]。由表3可知，隨錫含量的增加，Al-Sn系合金的硬度和強度降低，承載能力也出現(xiàn)一定的下降，但是其最高工作溫度有所提高，表面性能包括抗咬合性和嵌藏性均更優(yōu)良。低錫鋁合金因具有較高的力學(xué)強度、良好的耐腐蝕性能和抗穴蝕能力，早在20世紀30年代末就得到了應(yīng)用。英國Rolls-Royce公司、美國鋁業(yè)公司(Alcoa)首先將低錫鋁合金鑄造成滑動軸承中的整體軸瓦，應(yīng)用在汽車、拖拉機以及飛機發(fā)動機上；但由于此整體軸瓦的力學(xué)強度還不夠高，軸承會過早疲勞，因此不能應(yīng)用在高速發(fā)動機上。中高錫鋁合金的應(yīng)用始于20世紀50年代初，當(dāng)時英國Furmer研究院錫研究所和Glacier金屬公司共同解決了鋁錫合金軋制(冷軋)工藝問題，并實現(xiàn)了中錫鋁合金與低碳鋼板復(fù)合雙金屬材料的工業(yè)化生產(chǎn)。目前，工業(yè)上使用較多的中錫鋁合金中均添加了少量銅、硅、鎳、錳、鎂、鉻、鈦和鋯元素。中高錫鋁合金既繼承了錫基合金較好的順應(yīng)性、嵌藏性，又具有含錫鋁合金的高抗咬合性、耐高溫性，同時其表面無需鍍層，簡化了軸瓦加工工藝，因此應(yīng)用前景廣闊。SAE778中錫鋁合金是近年來最為成功的商業(yè)化軸承合金之一[8]。

表3 Al-Sn系軸承合金的性能對比[14-16]Tab.3 Comparison of properties of Al-Sn type bearing alloys[14-16]

2.2 Al-Pb系合金

Al-Pb系合金是作為滑動軸承材料而逐步發(fā)展起來的。美國Clevlta公司于1975年首次生產(chǎn)Al-Pb系合金軸瓦，1979年日本NDC公司引入該技術(shù)，到1994年，美國三大汽車公司生產(chǎn)的乘用車軸承中Al-Pb系和含鉛Al-Sn系合金的占比已達80%[17]。這是因為與錫相比，鉛的價格更低；與錫合金相比，鉛合金的疲勞強度更高、減摩性能更優(yōu)、防抱死性能更好；此外鉛合金與球墨鑄鐵曲軸的匹配最為理想，能滿足中等載荷高速發(fā)動機的需求[18-19]。

鋁鉛互不溶體系的混合熱為+50 kJ·mol-1，且鋁金屬和鉛金屬的密度和熔點相差較大，因此熔煉時需要避免發(fā)生嚴重偏析。傳統(tǒng)攪拌-速冷鑄造法制造的Al-Pb系合金中，鉛晶粒主要分布于α-Al基體的晶界，少量分布于α-Al基體的晶內(nèi)，鉛晶粒與鋁基體之間的晶格取向呈各向平行關(guān)系[20]。粉末冶金法也是一種有效控制鉛晶粒尺寸、防止偏析的方法。1995年北京有色金屬研究總院與北京汽車摩托車軸瓦廠合作，利用粉末軋制+燒結(jié)法建立了一條年生產(chǎn)能力為1 000 t的Al-Pb系軸承合金生產(chǎn)線[17]。但是由于鋁基粉末的活性較高且其表面存在鈍化氧化層，使得合金的燒結(jié)致密性降低，且在合金層與低碳鋼鋼背界面處易形成不連續(xù)的鋁鐵脆性相，因此降低了軸瓦的疲勞性能[7]。

由于鉛在高溫熔鑄時會產(chǎn)生危害人體健康的有毒氣體，此外含鉛軸瓦在使用中會熔融析出鉛而污染潤滑油，給發(fā)動機的修理和報廢處理造成困難，因此在進入21世紀后，國內(nèi)外軸瓦生產(chǎn)商和科研機構(gòu)均不再開發(fā)新的Al-Pb系軸承合金。

2.3 Al-Si系合金

高性能的鋁基軸承合金應(yīng)具備與鉛青銅對等的承載能力，還應(yīng)具有良好的耐腐蝕性能，同時也不會產(chǎn)生鉛污染問題。隨著發(fā)動機曲軸軸承中流動油膜厚度的減小，研究人員對鋁基軸承合金的抗黏滯性提出了更高要求[21]?；诖?，高強度Al-Si系軸承合金成為了新的研發(fā)方向。Al-Si系合金除了能夠滿足大功率發(fā)動機高疲勞性能和耐磨性能的要求外，還具有低成本和環(huán)保等特點。國際上大型軸瓦生產(chǎn)商所開發(fā)的Al-Si系軸承合金中的硅含量(質(zhì)量分數(shù)，下同)范圍為2%～12%，其中硅含量在2%～3%的低硅軸承合金主要應(yīng)用在中速和中載柴油發(fā)動機中。當(dāng)成分接近共晶點(Al-12%Si，質(zhì)量分數(shù))時，一方面較高含量的硅顯著提高了該Al-Si系軸承合金的強度，另一方面形成了鋁硅亞共晶體組織，細小的硅晶粒均勻分布在鋁基體中，顯著提高了該合金的表面性能(如相容性等)[22]。Al-Si系合金不含軟質(zhì)相，其硬度比Al-Sn系合金的高20 HV左右，而軸承合金的順應(yīng)性與硬度存在反向關(guān)系，因此同其他高強度發(fā)動機軸承合金一樣，Al-Si系軸承合金也需要電鍍一層含鉛材料(如PbSn10合金)來改善其表面性能[23],從而提高其順應(yīng)性。

高強度Al-Si系合金的商業(yè)化產(chǎn)品較少。由Glacier公司開發(fā)的AlSi11Cu合金中的硅、銅質(zhì)量分數(shù)分別為11%，1%，由于硅含量較高，該合金的疲勞強度比AlSn20Cu合金的提高了65%，基本與CuPb22Sn4鉛青銅的相當(dāng)，滿足了大多數(shù)高功率高速柴油機的最大載荷要求，通常用作主軸軸瓦和連桿軸瓦，并可與淬硬曲軸相匹配[23]。Glacier-Vandervell公司開發(fā)的AS154合金中的硅、銅、鎂質(zhì)量分數(shù)分別為4%，0.55%，0.5%，該合金的疲勞強度比AlSn20Cu合金的提高了50%，并替代AlSn20Cu合金應(yīng)用于渦輪增壓高速柴油機上[23]。

2.4 Al-Zn系合金

Al-Zn系合金與Al-Si系合金一樣，是為了進一步提高鋁基軸承合金的承載能力和疲勞強度而發(fā)展起來的。Al-Zn系合金含有質(zhì)量分數(shù)為5%左右的鋅元素，因此該系合金具有較高的承載能力，主要應(yīng)用于高速、重載柴油機的主軸上[24]。鋅在鋁中的溶解度很大，當(dāng)作為軟相加入到鋁基體中后，在鑄造冷卻過程中與鋁形成單一的固溶體；鋅的添加量應(yīng)嚴格控制，過少則軟質(zhì)相作用不明顯，過多則合金硬度過大，導(dǎo)致抗咬合性降低。最早的商用Al-Zn系合金是由德國KS公司開發(fā)的AlZn4SiPb合金，奧地利米巴公司在此基礎(chǔ)上又開發(fā)出了AlZn4.5Mg軸承合金，該合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))為4.5%Zn，1%Cu，1%Si，1%Pb，0.5%Mg，余Al。銅元素可以降低AlZn4.5Mg軸承合金的熱脆性而提高其鑄造性能，降低應(yīng)力腐蝕敏感性；硅元素可以通過提高合金在熔鑄過程中的流動性來改善其鑄造性能，但會導(dǎo)致合金塑性的下降。AlZn4.5Mg軸承合金的硬度為55～65 HB，在150 ℃下的屈服強度和抗拉強度均比AlZn4SiPb合金的提高了35%，交變彎曲疲勞強度提高了15%[24]。米巴公司在20世紀90年代初開發(fā)了B1Al(雙鋁)多層結(jié)構(gòu)軸瓦，即在復(fù)合有一層AlZn4.5Mg或AlZn4SiPb合金的鋼背上，再軋制上一層AlSn20Cu或AlSn25Cu合金耐磨減摩層，該多層結(jié)構(gòu)軸瓦的承載能力比AlSn20Cu合金軸瓦的高15%～20%，因此成功取代Cu-Pb系合金軸瓦而應(yīng)用在MAN16/24型柴油機連桿上[23]。此外，上海軸瓦廠也自主研制出了AlZn5SiPb合金[25]。

但是，Al-Zn系軸承合金的硬度較高，順應(yīng)性和嵌藏性較差，故其表面需要電鍍一層鉛錫或鉛錫銅軟金屬層(厚20～30 mm)，以改善其表面性能。由于鋅的化學(xué)性質(zhì)比錫的更加活潑，在空氣中鋅的氧化速率高于錫的，因此在電鍍前要進行浸鋅處理，然后在鋅層上電鍍一層鎳(或銅)柵中間層，以加強鉛錫基鍍層與鋁鋅合金的結(jié)合力，同時減緩錫向基體內(nèi)擴散的速率。

2.5 Al-Bi系合金

和鉛、錫元素相比，鉍元素也是低熔點組元，鋁鉍互不溶體系的混合熱為+48 kJ·mol-1。鉍在鋁合金基體中以游離態(tài)形式存在，在摩擦過程中可以改善鋁基體的摩擦磨損性能，但鉍是一種軟且脆的材料，在鋁基軸承合金受到摩擦剪切力作用時所表現(xiàn)的延展性遠低于鉛、錫等金屬的，這制約了Al-Bi系合金在中低載荷下的自潤滑性能和在高載荷下的疲勞強度[26]。目前，成熟的商業(yè)化Al-Bi系合金產(chǎn)品很少。

3 提高鋁基軸承合金性能的方法

目前，傳統(tǒng)鑄造法制備的鋁基軸承合金的強度較低，硬度只有30～60 HV，很難滿足當(dāng)前發(fā)動機高速、重載的要求[27]。為此，研究人員先后進行了許多嘗試來提高和改善鋁基軸承合金的疲勞強度和摩擦學(xué)性能(順應(yīng)性)，普遍適用的方法有組織細化、添加合金元素、表面改性或處理以及雙尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計等[7]。

3.1 組織細化

利用傳統(tǒng)鑄造法制備的鋁基軸承合金中，軟質(zhì)錫、鉛等相通常呈連續(xù)片狀分布在鋁晶界上，導(dǎo)致合金產(chǎn)生脆化，強度很低。而要獲得高承載能力和高摩擦性能，鋁基軸承合金中的鋁基體應(yīng)保持高強度，同時軟質(zhì)錫、鉛等相應(yīng)細小且呈彌散分布。為此，研究人員分別采用表面沉積[28-29]、快速凝固[30-31]、劇烈塑性變形[32]和機械合金化[27,33]等方法來制備具有納米相復(fù)合結(jié)構(gòu)的鋁基軸承合金。

BHATTACHARYA等[34]采用熔融旋淬法制備了納米結(jié)構(gòu)的Al-Pb、Al-In和Al-Bi合金，鉛、鉍和銦等納米顆粒嵌入到強度較高的鋁基體中，在細化的鋁基體晶粒和納米級顆粒的模量錯配等強化機制的共同作用下，合金的硬度得到了顯著提高；納米級鉛、銦和鉍顆粒在磨損表面均會形成一層均勻的薄膜，起到一定的潤滑作用，合金的摩擦學(xué)性能相對于鑄態(tài)合金的有顯著提高；此外，Al-Bi合金在高載荷下具有更優(yōu)的耐磨損性能。RAN等[35]應(yīng)用機械合金化+熱擠壓方法制備得到納米結(jié)構(gòu)的Al-Pb軸承合金，粒徑約65 nm的鉛顆粒均勻分布在亞微米級的鋁基體中，合金的屈服強度和硬度分別達到440 MPa和182 HV左右；這種納米結(jié)構(gòu)的Al-Pb合金具有粗晶合金無法比擬的摩擦學(xué)性能。LIU等[27,33]和朱敏等[36]系統(tǒng)研究了機械合金化制備的Al-Pb和Al-Sn合金的納米相結(jié)構(gòu)及力學(xué)和摩擦學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)所制備的納米相復(fù)合鋁基合金的硬度和摩擦學(xué)性能均有大幅度提高；與鑄造法和粉末冶金法制備的粗晶鋁基合金相比，納米相復(fù)合鋁基合金在干摩擦和油摩擦條件下均表現(xiàn)出更低的摩擦因數(shù)和磨損量；細化的基體晶粒和軟質(zhì)相顆粒的模量錯配等強化作用提高了鋁基合金的力學(xué)性能，而在摩擦熱和滑動接觸變形作用下，通過位錯輔助變形和擴散蠕變等方式，納米級錫、鉛顆粒在磨痕亞表層拉長、粗化、擴散富集甚至生成納米線，形成了自組織摩擦層，提高了鋁基合金的摩擦學(xué)性能。以上研究表明，均勻且納米化的組織可以顯著提高鋁基軸承合金的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。

3.2 添加合金元素

添加銅、硅、鎂等第三合金元素[37-39]是鋁基軸承合金常用的一種改性方法。一方面，合金元素可以強化鋁基體，顯著提高其硬度和強度；另一方面，合金元素對軟質(zhì)相錫、鉛等顆粒的尺寸和分布等也會產(chǎn)生有利的作用。因此，添加合金元素可以有效改善合金的顯微組織，提高力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，增大由正常磨損向劇烈磨損轉(zhuǎn)變的載荷極限值。ZHU等[37]研究了添加銅元素對機械合金化制備的Al-Pb合金耐磨性的影響及其機理，發(fā)現(xiàn)銅的添加有利于抑制鉛顆粒的長大，并形成CuAl2增強相，從而顯著提高Al-Pb合金的硬度和耐磨性能。YUAN等[38]利用熔鑄法研究了不同成分Al-Sn-Si合金的摩擦學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)硅含量的增加對Al-Sn-Si合金的摩擦因數(shù)沒有影響，但Al-Sn-Si合金的磨損率及其隨載荷的增加幅度均小于Al-Sn合金的；在Al-Sn-Si合金中形成了Sn-Si的“包晶”式島狀組織，在磨損過程中，軟質(zhì)的錫相表現(xiàn)出優(yōu)異的自潤滑和減摩作用，硬質(zhì)的硅顆粒則提供了高承載和高耐磨性能，因此Al-Sn-Si合金表現(xiàn)出比Al-Sn和Al-Si合金更高的耐磨性能。此外，為了提高Al-Sn合金磨損表面、亞表層自組織摩擦層的穩(wěn)定性、潤滑性，并克服粉末燒結(jié)對合金強度造成的損失，LU等[40-41]在Al-Sn合金中添加了鎂和硅等合金元素，有效改善了合金的燒結(jié)致密性能，同時鎂、硅等元素增強了錫納米相(包括納米顆粒和納米線)在磨損面的傳輸和生長，有效降低了合金的摩擦因數(shù)。因此，添加合金元素除了對基體有強化作用之外，還可以促進軟質(zhì)相在滑動磨損表面的擴散和遷移，有利于改善合金的表面性能，特別是順應(yīng)性。添加第三合金元素是軸承合金性能提高的一個重要研究方向。

3.3 表面改性

摩擦磨損是一種與材料表面性能密切相關(guān)的行為，因此改變合金表面的組織結(jié)構(gòu)和硬度也可以有效提高合金的摩擦學(xué)性能。合金表面改性的方法主要有電鍍法、磁控濺射法、陰極濺鍍法、噴丸處理法、強流脈沖電子束和離子束法等[7]，其中電鍍法和磁控濺射法是目前工業(yè)上常用的工藝。在鋁基軸承合金表面電沉積或者濺射一層厚10～25 μm的柔軟的合金或高分子層，能有效提高該軸承合金表面的順應(yīng)性，加快軸瓦與軸的磨合，從而顯著改善軸瓦的疲勞強度和摩擦學(xué)性能。米巴公司在鍍層材料方面開展了一系列的研究工作，例如在AlZn4.5Mg軸承合金表面沉積AlSn20合金鍍層，以提高軸承合金的疲勞強度和抗壓性能；開發(fā)了一種稱為“萊卡”的高性能聚合物涂料，該聚合物與Al-Sn系軸承合金有良好的結(jié)合強度，其耐磨性能、抗咬合性能和抗穴蝕性能均優(yōu)于PbSn18Cu2合金鍍層和聚四氟乙烯的[42]。費特爾·莫古公司在應(yīng)對重型發(fā)動機啟停動作對軸瓦的磨損時，一方面將鋁合金作為重型柴油機軸瓦的基層材料，替代了含鉛的銅基軸承合金；另一方面開發(fā)出可替代鉛的基于鐵礦石的新型IROX涂層，并優(yōu)化了與潤滑油的相互作用：所制備的軸瓦表現(xiàn)出高的耐磨性能和抗疲勞性能。MIYAJIMA等[43]利用噴丸工藝使MoS2黏結(jié)到無鉛Al-Sn-Si軸承合金的表面，形成了厚4～70 nm的鍍層，涂覆MoS2層后合金的摩擦因數(shù)比無MoS2層的降低了70%，磨痕深度僅為無MoS2層的1/10左右。這是因為MoS2相聚集在硬質(zhì)硅顆粒周圍，隔離了合金與對磨副的直接接觸。AN等[44]利用強流脈沖電子束和離子束對Al-Pb合金表面進行改性，提高了合金的硬度；在摩擦磨損過程中合金表面形成了富鉛的致密潤滑膜，明顯降低了合金的摩擦因數(shù)和磨損率。

3.4 雙尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計

2010年盧柯院士在《Science》撰文[45]指出，多尺度多級結(jié)構(gòu)可能是優(yōu)化金屬整體性能的一個重要途徑，可使材料同時獲得高強度和高韌性。美國一項海軍研究項目利用低溫球磨+熱擠壓法制備出粒徑集中在100～300 nm和2～3 μm的雙尺度晶粒分布的Al5083鋁合金，解決了納米晶材料塑性變形不穩(wěn)定的問題，并將該鋁合金應(yīng)用于AAV7Al系列兩棲攻擊艦上[46]。雙尺度結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對納米結(jié)構(gòu)材料強度和塑性的調(diào)控，也為納米結(jié)構(gòu)材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。LU等[47-48]和SONG等[49]利用機械合金化制備出雙尺度結(jié)構(gòu)的Al-Sn和Al-Sn-Si合金，這種細晶+粗晶的雙尺度結(jié)構(gòu)改善了合金的塑性和韌性；適當(dāng)比例的細晶+粗晶結(jié)構(gòu)使鋁基體具有最佳的硬度和韌性匹配，粗晶的引入也改善了納米相復(fù)合基體的塑性變形穩(wěn)定性，促進了持續(xù)穩(wěn)定氧化摩擦層的生成。雙尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計為納米材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。

4 結(jié)束語

目前，滑動軸承合金正向著高承載能力、高耐磨減摩性能和環(huán)保(無鉛)的方向發(fā)展。新型無鉛化鋁基軸承合金的研究重點集中于合金疲勞強度和耐磨減摩等性能的提高上。發(fā)展高疲勞強度的無鉛化鋁基軸承合金以替代部分銅基合金，既可以降低生產(chǎn)成本，又可以緩解電鍍帶來的環(huán)保壓力；開發(fā)中等疲勞強度且具有優(yōu)良摩擦學(xué)性能(高順應(yīng)性)的無鉛鋁基合金，可以替代Al-Pb系軸承合金應(yīng)用于內(nèi)燃機主軸承。高性能合金的新型制備工藝和組織設(shè)計，均可以被借鑒到鋁基軸承合金的摩擦學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域。新型鋁基軸承合金的設(shè)計及制備方法應(yīng)該與鋁基軸瓦帶材的制備技術(shù)相結(jié)合，以實現(xiàn)新材料的規(guī)?；瘧?yīng)用。

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