典型銅-鉛和銅-鎳軸承材料的摩擦學特性

唐紅躍，焦明華，尹延國，李吉寧

(合肥工業大學 摩擦學研究所，合肥 230009)

傳統銅-鉛雙金屬軸承材料以鋼板為基體，表面燒結一層鉛青銅合金粉，具有較高的承載能力、抗疲勞強度以及良好的減摩及嵌藏性能等，過去一直被認為是理想的軸承材料，得到了廣泛的應用[1-4]。然而，鉛是一種有毒元素，尋求無鉛銅基軸承材料替代傳統銅-鉛合金軸承材料已經刻不容緩[5-6]。新型銅-鎳-錫系合金因具有較高的強度、良好的成形性、優越的導電性和抗腐蝕能力，性能與傳統鈹青銅相當或部分優于鈹青銅，主要作為替代傳統彈性材料鈹青銅而受到青睞。近年來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[9]研究發現，CuNi6Sn6用于內燃機、變速器等滑動軸承材料表現出較好的抗磨損性能。文獻[10]表明CuNi1Sn8具有較好的力學及耐腐蝕性能，適用于潤滑良好、重載條件下的相關減摩零件。文獻[11]所述銅-鎳-錫合金具有良好的潤滑性和抗腐蝕性，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，對其摩擦磨損特性和機理還缺乏系統的研究。下文采用粉末燒結方法制備典型銅-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律，探討減摩、抗粘著機理，為開發新型銅-鎳雙金屬軸承材料提供理論基礎。

1 試驗

1.1 材料的制備

試樣通過粉末燒結工藝制備，具體工藝為:用霧化法制取CuNi9Sn6，CuPb10Sn10和CuPb24Sn1 3種試驗用銅合金粉，并將其均勻鋪覆在潔凈的ST37-2G冷軋碳素結構鋼板上。鋪粉厚度約為0.76～0.89 mm，在高溫網帶燒結爐中進行燒結，采用氨分解氣氛(N2，H2) 保護。一次燒結溫度865～950 ℃，保溫15～20 min；二次燒結溫度815～865 ℃ ，保溫15～20 min。其軸承合金具體制備過程為:鋼板剪切下料→鋼板鍍銅→檢驗→鋪粉→燒結→軋制→復燒→復軋→雙金屬板材，板材尺寸為38 mm×38 mm×2 mm。用顯微維氏硬度計在載荷為0.98 N、保持15 s的條件下測量雙金屬材料銅合金層的硬度，試驗材料成分(質量分數)及硬度值見表1。

表1 材料成分及顯微硬度

1.2 試驗方法

試驗采用HDM-20端面摩擦磨損試驗機，摩擦副為環-塊接觸滑動方式。對磨環材料為淬火45#鋼，硬度為47～53 HRC，其表面接觸尺寸為內徑22 mm，外徑30 mm，并開有6個均勻分布寬度為2 mm的槽口。試驗以定時定載的方式分別在油潤滑和預浸油2種工況下進行，具體試驗方案見表2。試驗過程中當摩擦副運行不平穩或出現明顯的噪聲時表明摩擦副失效，采用手動停機，結束試驗。試驗機的智能檢測系統會自動記錄試驗過程中的平均摩擦因數和溫升等數據。試驗結果取3次重復試驗結果的平均值，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理。

表2 摩擦磨損試驗方案

2 結果與討論

2.1 定載油潤滑時材料的摩擦學特性

定載油潤滑條件下，3種銅基軸承材料摩擦副的平均摩擦因數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整體呈下降趨勢。初始階段，CuPb10Sn10的摩擦因數最高，下降幅度也較為明顯；20 min以后，3種材料的摩擦因數均呈緩慢下降趨勢，但CuNi9Sn6的摩擦因數一直高于CuPb10Sn10和CuPb24Sn1。整個試驗過程中CuPb24Sn1的摩擦因數一直處于較低水平。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 油潤滑時的摩擦學特性

表面輪廓儀檢測3種材料表面原始輪廓形貌的結果如圖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，摩擦因數變化明顯。經磨合后摩擦副接觸表面形成良好的潤滑油膜，摩擦因數緩慢下降并趨于穩定。試驗過程中當摩擦副油膜瞬時破裂時，CuPb10Sn10和CuPb24Sn1材料中的鉛會從摩擦表面析出，與潤滑油膜協同作用，起到液-固潤滑效果，顯現出較好的減摩、抗粘著特性；而CuNi9Sn6材料本身無軟質相，硬度較高，瞬時油膜破裂時，基體與對偶件直接接觸，故減摩、抗粘著特性相對較差。

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，相對粗糙。總體來說，定載油潤滑條件下典型銅-鉛軸承材料表現出更好的減摩性能，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 試驗材料磨痕表面形貌SEM照片

2.2 定載預浸油條件下材料的摩擦學特性

定載預浸油潤滑條件下，3種銅基軸承材料摩擦副平均摩擦因數、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的摩擦因數在試驗初始階段下降較為明顯，隨后趨于穩定，而CuPb24Sn1摩擦因數波動較大，整體呈上升趨勢。50 min時，摩擦副出現明顯振動和異響，摩擦因數超過0.25，試驗停止。整個試驗過程中CuNi9Sn6和CuPb10Sn10的摩擦因數一直處于較低水平，波動較小，且CuNi9Sn6摩擦因數最低。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，試驗結束時，其溫度已經上升到180 ℃左右;CuNi9Sn6材料摩擦副溫度最低，僅為40 ℃左右。

圖4 預浸油條件下的摩擦學特性

試驗前后分別對材料非磨痕區域和磨痕區域進行掃描電鏡分析，結果如圖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磨痕表面相對粗糙，存在明顯的劃痕和犁溝；CuPb24Sn1磨痕表面粘著剝落十分嚴重，存在較大剝落坑。

圖5 預浸油試驗材料表面形貌SEM照片

通過與幾種材料原始表面SEM照片對比發現，雙金屬軸承材料雖然經過多道軋制和精整，但銅粉顆粒之間仍存在孔隙，其中CuNi9Sn6沒有游離的第二相，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，浸入材料中的潤滑油量也不同。CuNi9Sn6表面孔隙最多，浸入的潤滑油也最多，易形成穩定的潤滑油膜，摩擦副運行平穩，摩擦因數和磨損量最小。CuPb10Sn10表面孔隙較少，浸入潤滑油不多，僅能在表面形成一層較薄的潤滑油膜,潤滑油膜容易破裂，此時鉛從材料表面析出，逐漸在摩擦副表面形成穩定致密的液-固潤滑膜，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，僅有極少量潤滑油浸入材料，潤滑情況較差，對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，盡管鉛作為軟質減摩相具有較好的減摩抗粘著效果，但與潤滑油膜相比，減摩效果明顯不足。越來越多的鉛析出并在表面堆積，隨后又被對偶件帶走，形成一塊塊鉛膜剝落坑，很難在材料表面形成穩定的潤滑膜。試驗到50 min時，摩擦副出現明顯振動和異響，表明已經發生咬粘現象，終止試驗。定載預浸油條件下，材料表面粗糙度以及孔隙對試驗結果的影響較大。CuNi9Sn6因其表面較為光整，孔隙較多，能夠存儲較多潤滑油，故其減摩耐磨性能優于CuPb10Sn10和CuPb24Sn1。

3 結論

1)定載油潤滑條件下，3種軸承材料摩擦因數和磨損量均較低，其中銅-鉛材料的減摩性能優于銅-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)雙金屬板材經過軋制，表面銅合金粉顆粒之間仍存在孔隙，CuPb10Sn10和CuPb24Sn1中軟質金屬鉛會阻塞表面孔隙，鉛含量越高，表面孔隙越少。

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