典型铜-铅和铜-镍轴承材料的摩擦学特性

唐红跃，焦明华，尹延国，李吉宁

(合肥工业大学 摩擦学研究所，合肥 230009)

传统铜-铅双金属轴承材料以钢板为基体，表面烧结一层铅青铜合金粉，具有较高的承载能力、抗疲劳强度以及良好的减摩及嵌藏性能等，过去一直被认为是理想的轴承材料，得到了广泛的应用[1-4]。然而，铅是一种有毒元素，寻求无铅铜基轴承材料替代传统铜-铅合金轴承材料已经刻不容缓[5-6]。新型铜-镍-锡系合金因具有较高的强度、良好的成形性、优越的导电性和抗腐蚀能力，性能与传统铍青铜相当或部分优于铍青铜，主要作为替代传统弹性材料铍青铜而受到青睐。近年来将其作为减摩耐磨材料，已开始用于制造重载工况下使用的轴承[7-8]。

文献[9]研究发现，CuNi6Sn6用于内燃机、变速器等滑动轴承材料表现出较好的抗磨损性能。文献[10]表明CuNi1Sn8具有较好的力学及耐腐蚀性能，适用于润滑良好、重载条件下的相关减摩零件。文献[11]所述铜-镍-锡合金具有良好的润滑性和抗腐蚀性，适用于承载能力高的轴承。

然而由于铜-镍-锡合金体系品种较多，对其摩擦磨损特性和机理还缺乏系统的研究。下文采用粉末烧结方法制备典型铜-铅和铜-镍双金属轴承材料，研究其在不同工况下的摩擦磨损特性及其规律，探讨减摩、抗粘着机理，为开发新型铜-镍双金属轴承材料提供理论基础。

1 试验

1.1 材料的制备

试样通过粉末烧结工艺制备，具体工艺为:用雾化法制取CuNi9Sn6，CuPb10Sn10和CuPb24Sn1 3种试验用铜合金粉，并将其均匀铺覆在洁净的ST37-2G冷轧碳素结构钢板上。铺粉厚度约为0.76～0.89 mm，在高温网带烧结炉中进行烧结，采用氨分解气氛(N2，H2) 保护。一次烧结温度865～950 ℃，保温15～20 min；二次烧结温度815～865 ℃ ，保温15～20 min。其轴承合金具体制备过程为:钢板剪切下料→钢板镀铜→检验→铺粉→烧结→轧制→复烧→复轧→双金属板材，板材尺寸为38 mm×38 mm×2 mm。用显微维氏硬度计在载荷为0.98 N、保持15 s的条件下测量双金属材料铜合金层的硬度，试验材料成分(质量分数)及硬度值见表1。

表1 材料成分及显微硬度

1.2 试验方法

试验采用HDM-20端面摩擦磨损试验机，摩擦副为环-块接触滑动方式。对磨环材料为淬火45#钢，硬度为47～53 HRC，其表面接触尺寸为内径22 mm，外径30 mm，并开有6个均匀分布宽度为2 mm的槽口。试验以定时定载的方式分别在油润滑和预浸油2种工况下进行，具体试验方案见表2。试验过程中当摩擦副运行不平稳或出现明显的噪声时表明摩擦副失效，采用手动停机，结束试验。试验机的智能检测系统会自动记录试验过程中的平均摩擦因数和温升等数据。试验结果取3次重复试验结果的平均值，用试样磨痕深度表示材料的磨损程度，并采用表面轮廓仪和扫描电镜分析试样表面形貌，探讨其摩擦磨损性能及机理。

表2 摩擦磨损试验方案

2 结果与讨论

2.1 定载油润滑时材料的摩擦学特性

定载油润滑条件下，3种铜基轴承材料摩擦副的平均摩擦因数及摩擦副表面平均磨痕深度如图1所示。由图1a可以看到，3种材料摩擦副摩擦因数整体呈下降趋势。初始阶段，CuPb10Sn10的摩擦因数最高，下降幅度也较为明显；20 min以后，3种材料的摩擦因数均呈缓慢下降趋势，但CuNi9Sn6的摩擦因数一直高于CuPb10Sn10和CuPb24Sn1。整个试验过程中CuPb24Sn1的摩擦因数一直处于较低水平。由图1b可以看出，CuPb24Sn1的磨损量最低，为8 μm；CuNi9Sn6次之，为9 μm；而CuPb10Sn10的磨损量最高，为16 μm。

图1 油润滑时的摩擦学特性

表面轮廓仪检测3种材料表面原始轮廓形貌的结果如图2所示。CuPb24Sn1表面最为光滑和平整，几乎看不到微凸体；CuNi9Sn6次之；CuPb10Sn10表面则较粗糙、不平整且微凸体很明显。试验初始磨合阶段，表面微凸体首先接触，因此CuPb10Sn10比其他2种材料更易磨损，磨损量较大，摩擦因数变化明显。经磨合后摩擦副接触表面形成良好的润滑油膜，摩擦因数缓慢下降并趋于稳定。试验过程中当摩擦副油膜瞬时破裂时，CuPb10Sn10和CuPb24Sn1材料中的铅会从摩擦表面析出，与润滑油膜协同作用，起到液-固润滑效果，显现出较好的减摩、抗粘着特性；而CuNi9Sn6材料本身无软质相，硬度较高，瞬时油膜破裂时，基体与对偶件直接接触，故减摩、抗粘着特性相对较差。

图2 材料表面轮廓形貌

3种材料磨痕表面形貌SEM照片如图3所示。可以看出，3种材料磨痕表面均较为光滑，几乎看不到明显划痕，仅图3b CuPb10Sn10表面磨损稍多，相对粗糙。总体来说，定载油润滑条件下典型铜-铅轴承材料表现出更好的减摩性能，但铜-镍材料CuNi9Sn6的耐磨性比低铅的CuPb10Sn10提高近2倍，接近于高铅合金CuPb24Sn1。

图3 试验材料磨痕表面形貌SEM照片

2.2 定载预浸油条件下材料的摩擦学特性

定载预浸油润滑条件下，3种铜基轴承材料摩擦副平均摩擦因数、材料表面平均磨痕深度以及摩擦副表面温度变化曲线如图4所示。

从图4a可以看到，CuNi9Sn6和CuPb10Sn10的摩擦因数在试验初始阶段下降较为明显，随后趋于稳定，而CuPb24Sn1摩擦因数波动较大，整体呈上升趋势。50 min时，摩擦副出现明显振动和异响，摩擦因数超过0.25，试验停止。整个试验过程中CuNi9Sn6和CuPb10Sn10的摩擦因数一直处于较低水平，波动较小，且CuNi9Sn6摩擦因数最低。由图4b可知，CuNi9Sn6磨损量最低，为11 μm；CuPb10Sn10次之，为15 μm；CuPb24Sn1磨损量最大，为24 μm。从图4c中可以看出，CuNi9Sn6和CuPb10Sn10的摩擦副温度上升缓慢，并且在30 min以后基本保持不变；CuPb24Sn1摩擦副温度上升速率明显，并且一直处于上升趋势，试验结束时，其温度已经上升到180 ℃左右;CuNi9Sn6材料摩擦副温度最低，仅为40 ℃左右。

图4 预浸油条件下的摩擦学特性

试验前后分别对材料非磨痕区域和磨痕区域进行扫描电镜分析，结果如图5所示。CuNi9Sn6磨痕表面较为光滑，仅有少量轻微划痕和较浅犁沟；CuPb10Sn10磨痕表面相对粗糙，存在明显的划痕和犁沟；CuPb24Sn1磨痕表面粘着剥落十分严重，存在较大剥落坑。

图5 预浸油试验材料表面形貌SEM照片

通过与几种材料原始表面SEM照片对比发现，双金属轴承材料虽然经过多道轧制和精整，但铜粉颗粒之间仍存在孔隙，其中CuNi9Sn6没有游离的第二相，合金粉颗粒之间存在较多的孔隙，而CuPb10Sn10和CuPb24Sn1则由于铅的加入使得合金粉颗粒之间的孔隙逐渐被游离的第二相金属铅填充，并且铅含量越多，表面孔隙越少,这与图2中3种铜基轴承材料表面轮廓形貌微观波谷随着铅含量的增多而不断减小相一致。

由于表面孔隙不同，浸入材料中的润滑油量也不同。CuNi9Sn6表面孔隙最多，浸入的润滑油也最多，易形成稳定的润滑油膜，摩擦副运行平稳，摩擦因数和磨损量最小。CuPb10Sn10表面孔隙较少，浸入润滑油不多，仅能在表面形成一层较薄的润滑油膜,润滑油膜容易破裂，此时铅从材料表面析出，逐渐在摩擦副表面形成稳定致密的液-固润滑膜，起到了较好的减摩抗粘着作用。CuPb24Sn1中铅含量最高，表面孔隙最少，仅有极少量润滑油浸入材料，润滑情况较差，对偶件与材料表面直接接触，摩擦副磨损剧烈，温度迅速上升。较多的铅在表面析出、铺展，尽管铅作为软质减摩相具有较好的减摩抗粘着效果，但与润滑油膜相比，减摩效果明显不足。越来越多的铅析出并在表面堆积，随后又被对偶件带走，形成一块块铅膜剥落坑，很难在材料表面形成稳定的润滑膜。试验到50 min时，摩擦副出现明显振动和异响，表明已经发生咬粘现象，终止试验。定载预浸油条件下，材料表面粗糙度以及孔隙对试验结果的影响较大。CuNi9Sn6因其表面较为光整，孔隙较多，能够存储较多润滑油，故其减摩耐磨性能优于CuPb10Sn10和CuPb24Sn1。

3 结论

1)定载油润滑条件下，3种轴承材料摩擦因数和磨损量均较低，其中铜-铅材料的减摩性能优于铜-镍材料CuNi9Sn6，但CuNi9Sn6的耐磨性比低铅合金CuPb10Sn10提高近2倍，接近于高铅合金CuPb24Sn1。

2)双金属板材经过轧制，表面铜合金粉颗粒之间仍存在孔隙，CuPb10Sn10和CuPb24Sn1中软质金属铅会阻塞表面孔隙，铅含量越高，表面孔隙越少。

3)定载预浸油条件下，材料表面粗糙度和孔隙率对试验影响较大。CuNi9Sn6由于不含铅，表面孔隙未被阻塞，浸入润滑油比含铅材料多，减摩耐磨性能明显优于CuPb10Sn10和CuPb24Sn1。