雙金屬止推軸承材料力學和摩擦磨損性能研究

楊志華

（福建龍溪軸承（集團）股份有限公司，福建 漳州 363000）

車用發動機渦輪增壓器止推軸承材料有鐵合金、銅合金、粉末冶金銅合金和粉末冶金多層材料，但銅基材料強度高、耐磨性能好、摩擦因數小等優點被廣泛應用。現有增壓器止推軸承主要兩類材料牌號為：粉末冶金單層結構的FQSn663 材料和雙金屬雙層結構的CuSn10Pb10 材料。

在發動機啟停轉由于潤滑油滯后，止推軸承工作摩擦為邊界摩擦甚至干摩擦；圖1 為止推軸承與對偶工件（軸封和定套）以帶有油楔面形式接觸，當轉子軸轉動帶動定套將潤滑油帶入摩擦接觸表面（油楔面），由于黏性潤滑油經過油道油孔帶入摩擦表面的油楔面楔形間隙內形成流體動壓效應，當潤滑油內壓力與止推軸承軸向力平衡時，摩擦工件間形成穩定潤滑油膜，實現動壓液體潤滑。

圖1 止推軸承和對偶工件摩擦副

止推軸承發生邊界摩擦和干摩擦，易發生材料失效。高速旋轉時材料離心拉伸和高溫蠕變，軸承徑向間隙和軸向載荷變大也易導致材料整體斷裂。圖2 為FQSn663 材料采用粉末冶金模壓成型工藝制備止推軸承的三包返廠損壞件，可以看到明顯斷裂及磨損失效特征。

現階段止推軸承材料含鉛對人體和環境有危害，各國陸續限制鉛及其化合物使用，無鉛化止推軸承為發展主導[1-2]。伴隨發動機排放標準升級，柴油機向功率大、轉速高、載荷高發展，客戶需求承受高轉速和軸向竄動等的止推軸承，該文在FQSn663 和CuSn10Pb10 止推軸承材料的基礎上，開發雙金屬自潤滑CuSn6.5P0.1 無鉛止推軸承，并對3 種材料摩擦磨損性能進行對比研究。

1 試驗

1.1 原材料參數和成分設計

該文設計了CuSn6.5P0.1 雙金屬材料，并與FQSn663、CuSn10Pb10 兩種常用材料對比，具體成分設計見表1，主要技術參數見表2。

表1 3 種材料的成分和技術參數（wt．%）

1.2 制備工藝

FQSn663 材料采用粉末冶金模壓成型來制備，其工藝為：原材料粉末預合金化→粉末配料→粉末混料→粉末模壓→毛坯燒結→毛坯整形→毛坯機加工。CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 雙金屬材料基材采用ST37 鋼背，提高整體材料承載能力和力學性能，工作面壓軋并燒結合金層，保留良好摩擦磨損性能；使材料具有較高力學性能、承載能力和高耐磨性，在少油無油條件下有優異摩擦磨損性能。雙金屬材料在800℃～835℃進行預燒和復燒。其工藝為：混料→鋪粉→初燒→初軋→二燒→二軋→校平→毛坯機加工，以壓制量來調控壓軋成型中密度均勻分布性。

圖2 FQSn663 止推軸承三包返廠損壞件和損傷特征

1.3 力學性能檢測方法及設備

1.3.1 硬度

利用310HBS—3000 型布氏硬度計測表觀硬度。測量材料3 個位置硬度值，取平均值作為平均硬度。

1.3.2 密度和孔隙度

按國標GB5163—2006（燒結金屬測量的密度測定）對材料的密度和孔隙度進行測量。

1.3.3 金相分析

軸承材料上取樣鑲樣，在砂紙上按100 目逐級打磨至2000 目，用2.5 μm 金剛石拋光液拋光，用Leica-Q550 型金相顯微鏡觀察材料顯微組織。

1.4 摩擦磨損性能檢測方法及設備

按圖3（a）所示加工止推軸承材料成試樣，對偶材料選45 鋼，尺寸如圖3（b）所示。采用環-塊接觸方式，利用MM-W1B 型立式萬能摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損性能試驗。試驗機如圖3（c）所示，試驗條件見表2。

表2 摩擦試驗條件

2 物理、力學性能、組織和摩擦磨損性能與分析

2.1 密度

止推軸承在油狀態下工作，一定量油存儲孔隙中，在摩擦磨損中有效改善工件間潤滑。采用排水法對3 種材料密度檢測，各選取3 個樣品取平均值。由表3 可知，CuSn6.5P0.1和CuSn10Pb10 密度和理論致密度均高于FQSn663，因為FQSn663 用傳統模壓燒結，而CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 采用二次壓制二次燒結工藝，后者通過2 次燒結，更完全致密化，通過軋制塑形流變和物理擠壓明顯降低孔隙占比，致密度和密度均提高。

表3 3 種材料的密度檢測數據表

2.2 組織結構

圖4 為3 種材料低倍金相組織圖，組織中存在白色銅錫基體和黑色鉛相或孔隙構成色相。對比圖4（a）、圖4（b）和圖4（c），黑色鉛相在FQSn663、CuSn10Pb10 和CuSn6.5P0.1呈現逐漸遞減，根據材料鉛含量，鉛相體積比在FQSn663 中小于CuSn10Pb10，而黑色相占比高，因此多為孔隙，這與理論致密度結果相同。CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 理論致密度結果基本一致，說明CuSn10Pb10 組織黑色相中含較多鉛相。圖5 為3 種材料高倍金相組織圖。可看出，CuSn10Pb10 和FQSn663 的黑色相中，填充鉛相均勻分布，而CuSn6.5P0.1 中無明顯黑色相填充。

圖3 摩擦磨損試驗尺寸圖和MM-W1B 型摩擦磨損試驗機

2.3 力學性能

表4 為3 種材料的硬度比較表。可知硬度逐步增大，這同制備材料工藝、微觀組織結構和孔隙度密切相關，密度及致密度方面傳統模壓燒結材料不及復壓復燒材料，其硬度最低，而CuSn10Pb10 含軟相鉛較多，硬度也低于CuSn6.5P0.1。

圖4 3 種材料的低倍金相組織圖

表4 3 種材料的硬度檢測數據表

圖6（a）和圖6（b）分別為3 種材料的抗拉強度及延伸率對比圖。CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 抗拉強度高于FQSn663 材料，這說明采用鋼背基材3 層雙金屬材料能提高軸承的抗拉強度50%以上。CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 材料延伸率遠高于粉末冶金FQSn663 材料，這是3 層雙金屬鋼背基材作用。

表5 為3 種材料橫向壓潰強度數據對比。結合止推軸承斷裂失效形式，提升橫向斷裂強度會降低斷裂失效可能，CuSn6.5P0.1 雙金屬材料抵抗斷裂能力極大提升，這是該論文材料設計的優勢所在。

表5 3 種材料的橫向壓潰強度檢測數據表

圖6 3 種材料的抗拉強度和延伸率數據對比圖

2.4 低速低載干運轉試驗下，不同材料摩擦磨損性能對比研究

圖7 為低速（50 r/min）、低載（50 N）、干運轉條件下，3 種材料摩擦磨損曲線圖。摩擦因數方面，3 種材料均在0.15 ～0.20，平均摩擦因數CuSn6.5P0.1 的稍低。摩擦曲線平穩性上，CuSn10Pb10 和FQSn663 較CuSn6.5P0.1 波動性強烈。

圖8 為對應圖7 試驗的磨痕外觀形貌，CuSn10Pb10和FQSn663 的表面存在少量黑色物質填充和少許犁溝，CuSn6.5P0.1 磨痕未見明顯犁溝形貌，較光亮。

圖7 3 種材料低速低載干運轉時摩擦磨損曲線

2.5 低速低載油潤滑條件下，不同自潤滑材料的摩擦磨損性能對比研究

圖9 為低速（50 r/min）、低載（50 N）、油潤滑條件下，3 種材料的摩擦磨損曲線圖。3 種材料平均摩擦因數維持在0.15 ～0.20，但磨合階段曲線特征CuSn10Pb10 和FQSn663較為明顯，而CuSn6.5P0.1 在磨合階段則無明顯曲線。三者呈現較為穩定摩擦磨損曲線，相比之下CuSn10Pb10 的穩定性最高。對比干摩擦和有油潤滑狀態的摩擦曲線可知，有油潤滑提高FQSn663 和CuSn10Pb10 摩擦穩定性，而CuSn6.5P0.1在2 種狀態下均表現出穩定摩擦磨損狀態。

圖10 為對應圖9 試驗條件下磨痕外觀形貌，3 種材料有相似磨痕形態，未有干磨擦狀態下形成的黑色物質，材料呈現原本金屬光澤。

圖9 3 種材料低速低載油潤滑時磨擦磨損曲線圖

圖10 3 種材料低速低載油潤滑時磨痕外觀形貌

3 結論

該文開發了渦輪增壓器止推軸承用CuSn6.5P0.1 無鉛雙金屬軸承材料，對比研究三者物理和力學性能、微觀組織結構以及摩擦磨損性能，所得主要結論如下：CuSn6.5P0.1 材料密度致密度高于用模壓成型FQSn663 材料；CuSn6.5P0.1材料的橫向壓潰強度、硬度和抗拉強度最高；低載低速條件下，在油潤滑和干運轉狀態下，三者摩擦因數接近，干運轉CuSn6.5P0.1 材料摩擦曲線較平穩；油潤滑CuSn6.5P0.1 材料磨合階段無明顯曲線，表明在正常油潤滑條件下CuSn6.5P0.1材料摩擦磨損性能更為良好，能在渦輪增壓器止推軸承較好使用。