影響軸瓦三元(Pb-Sn-Cu)鍍層質量的因素及分析

孟 超， 張 潤

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

引 言

軸瓦也叫滑動軸承，它在軸與座孔之間主要起支承載荷和傳遞運動的作用。軸瓦有整體式和剖分式兩種，整體式軸瓦通常稱為軸套。軸瓦在工作時，與轉軸之間應有一層很薄的油膜起潤滑作用，否則軸瓦與轉軸就存在摩擦，會出現燒瓦的現象。

軸瓦的結構型式有：整體銅合金、整體鋁合金、鋼背+減摩合金層、鋼背+減摩合金層+鍍層。目前世界各國多采用后兩種，其中又都把主要精力集中在減摩層和鍍層的選材上，因為它們直接決定了軸瓦的工作穩定性和使用壽命[1-2]。軸承采用的減摩材料主要有：錫基或鉛基巴氏合金、銅基合金、鋁基合金和其他軸承合金等。

目前，國內主要生產銅基合金和鋁基合金的軸瓦。銅基軸瓦具有承載能力強、疲勞強度高、耐熱性好等優點，迄今仍是內燃機中應用最廣的軸承減磨材料。但銅基合金軸瓦也存在著磨合性差、嵌藏性差等缺點，容易傷軸。鋁基軸瓦是二十世紀二三十年代發展起來的，具有質量輕、價格低廉、耐腐蝕性好等特點，作為滑動軸承的減磨材料引起了人們的廣泛關注。

1 軸瓦鍍層的發展

隨著發動機轉速的提高及負載的加重，對軸瓦的要求也越來越高。為了使軸瓦滿足工作要求，通常在軸瓦的內表面電鍍一層合金以提高性能。

減摩鍍層在國外的研究起步較早。1920 年由格羅奧夫(J.Grooff)提出了電鍍鉛錫合金的第一個專利，并用于海軍魚雷儲氣瓶的內表面電鍍，到二十世紀四十年代開始用于軸瓦的電鍍[3]。減摩鍍層在國內的研究及應用起步比較晚。在電鍍鍍層軸瓦方面，20 世紀70年代，上海合金軸瓦廠及上海滬東造船廠詳細研究了軸瓦電鍍合金工藝[4]。

鍍層按合金元素分類：有二元電鍍、三元電鍍、四元電鍍等。多元減摩合金鍍層主要有鉛基合金和錫基合金兩大類，近幾十年來，最廣泛應用的 Pb-Sn-Cu 鉛基三元合金電鍍，是一般車用發動機軸瓦表面處理的首選[5]。鍍層不僅可以改善軸承的耐腐蝕性、嵌藏性和順應性,而且還能提高軸瓦的承載能力和疲勞強度。

2 影響軸瓦鍍層質量的因素及分析

2.1 前處理對軸瓦鍍層質量的影響及分析

要想在軸瓦上得到優良的鍍層，前處理是非常主要的一環。軸瓦的表面不干凈，鍍層的結合力會受到很大的影響。軸瓦的前處理工藝主要有化學除油、電解、酸洗等。

化學除油的目的主要用來去除軸瓦表面的油污，包括防銹油、加工時的油污等。溶液為弱堿性，同時含有少量的潤濕劑。電解是利用電極的極化作用，產生大量氣體使軸瓦表面的油膜迅速脫離,轉變為細小油珠被除去。酸洗的目的是為了出去軸瓦表面的氧化膜及其它雜質，否則得不到合格的鍍層。

2.2 鍍層組分對軸瓦鍍層質量的影響及分析

三元鍍層中的錫可以提高鍍層的耐腐蝕性，還能增強鍍層的硬度和強度。鍍層中含錫量通常為：8%～12%，要保證鍍層有足夠的耐腐蝕性，錫的最低含量為3%。三元鍍層中的銅可以提高鍍層的耐磨性和疲勞強度。但如果含銅量過多,則鍍層的脆性會增加,疲勞強度會降低。綜合考慮疲勞強度和耐磨性減摩,應該將含銅量控制在適當的范圍為1%～3%。

若在減摩合金上直接電鍍，那么鍍層中的錫會向減摩合金擴散。錫與減摩合金中的銅發生反應，生成Cu3Sn，使軸瓦的脆性增大，鍍層的機械性能下降。為了解決此問題，常見的做法是在減摩合金和鍍層之間，鍍一層鎳或鎳基合金阻擋層(又稱柵層或阻擋層)，抑制錫的擴散。軸瓦結構，如圖1所示。

圖1 軸瓦結構圖

軸瓦在鍍三元之后，會在雙側表面鍍錫，主要目的是防銹、減摩、防腐蝕。

2.3 鍍液對軸瓦鍍層質量的影響及分析

鍍液和鍍層質量是密切相關的。由于氟硼酸鹽體系溶液穩定性好，分散能力較高，常被選取為軸瓦鍍三元的溶液。鍍液中的亞錫離子、銅離子和鉛離子是電鍍鉛錫銅合金鍍層的主要成份,也是控制合金組成的主要因素。其中Sn2+、Cu2+的含量對鍍層的組成影響最為明顯[6]。鍍液組成，如表1所示。

表1 鍍液組成

游離氟硼酸對鍍層的影響不大，主要作用是溶解合金陽極，補充鍍液中消耗的金屬離子，維持溶液的酸度,有效防止Sn2+的水解,提高鍍液穩定性。

鍍液在使用過程中會出現沉積的現象，會造成鍍液中離子分布不均勻，從而影響鍍層質量，而且長期的生產中也會出現一些雜質。在生產中，給鍍液配置循環過濾系統，使鍍液循環起來，可以保證鍍液的均勻性，濾除生產中產生的沉淀和雜質。

2.4 掛具對軸瓦鍍層的影響及分析

為了避免鋼背外表面鍍上鍍層，影響軸瓦的尺寸精度，并造成金屬離子的浪費，對軸瓦采取了保護措施。方法是制作不銹鋼罩(內壁安裝磁鐵)作為輔助陰極,軸瓦安裝后，將不銹鋼罩吸附在軸瓦上。輔助陰極與掛具的導電部分采用快接式接頭能夠方便接插，當在自動線上運行時隨著掛具的下落，輔助陰極導電，改變了電力線的方向，提高鍍層了的均勻度[7]。

掛具采用板式掛具，能適應大批量生產，效率高，操作簡單,減輕了工人的勞動強度，掛具選用耐酸堿腐蝕的PP板。軸瓦一列列放置在掛具上，與軸瓦內表面相對的背板上開條縫，以不斷補充鍍液。條縫的寬度與軸瓦的尺寸相關，條縫太寬或太窄都會影響電力線的不規則分布，從而影響鍍層質量。為了適應不同尺寸的軸瓦，采用的做法是在掛具的背板上加工一寬的條縫，并制作外形一致、條縫寬度不同的的插板，根據軸瓦的尺寸大小，將對應的插板插入掛具，如圖2所示。插板的外形，如圖3所示。插板條縫的兩側做一臺階，目的是為了得到均勻的電力向。

圖2 掛具示意圖

圖3 插板示意圖

3 結語

1)三元鍍層可以提高軸瓦的耐腐蝕性、硬度、嵌藏性等，滿足使用需求，但是鍍層中的鉛是有毒金屬，在生產中會污染環境，影響人的身體健康。含鉛的軸瓦在以后的使用中會越來越少。

2)隨著科技的快速發展，軸瓦材料的范圍也在不斷的擴大，塑料軸瓦、陶瓷軸瓦等的應用也再增加。

3)軸瓦也可以經過磁控濺射的方式制作涂層，這種方式無污染、安全性高、沉積速率快。目前，磁控濺射在軸瓦行業用的很少，將來會得到廣泛的應用。