含銀無鉛銅鉍滑動軸承材料摩擦學特性研究

王玲，尹延國，焦明華，俞建衛

(合肥工業大學 摩擦學研究所，合肥 230009)

鉛可顯著改善滑動軸承的減摩性、順應性和嵌入性，并且價格低廉，所以長期以來，鉛一直是軸承合金材料中的重要成分。然而，鉛是一種有毒元素，隨著環保意識的逐漸增強，產品無鉛化成為必然趨勢[1-5]。鑒于滑動軸承無鉛化的迫切要求以及無毒低熔點金屬元素鉍有與鉛類似的潤滑特性，國內、外已經有相關無鉛銅鉍合金滑動軸承材料的摩擦學性能和力學性能的研究報道[6-9]。如文獻 [10]涉及到一種由銅鉍合金組成的燒結滑動軸承材料，其含錫10%～15%(質量分數，下同)，含鉍0.5%～10%，含石墨5%～12%，余量為銅。文獻 [11]介紹的含鉍無鉛雙金屬軸承，其特征是用無毒低熔點金屬元素鉍取代了鉛。文獻[12-13]研究表明，鉍可替代鉛，達到較好的減摩、抗黏著性能，但由于鉍本身的脆性，導致含鉍的銅基軸承材料還無法完全替代銅鉛材料。文獻 [14]表明，在銅鉍軸承材料中添加微量銀能改善軸承材料的摩擦學特性，具有較好的減摩、耐磨和抗黏著性能。然而，目前國內、外關于含銀無鉛銅鉍軸承材料相關方面的研究還較欠缺，尤其是系統地開展含銀無鉛銅鉍軸承材料摩擦學特性方面的研究還未見報道。下文在銅鉍軸承材料研究的基礎上，分析了不同工況下銀對銅鉍滑動軸承材料摩擦學特性的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料及制備

低銀組元銅鉍軸承材料的配方見表1，固定銅基軸承材料中Cu-Sn-Bi組元的含量不變，分別添加不同含量的銀，制備含銀無鉛銅鉍軸承材料，其中0#試樣為不含銀的銅鉍軸承材料，1#～7#試樣為不同銀含量的銅鉍軸承材料。試樣采用傳統粉末冶金工藝制備，具體工藝為：首先按照表1的配方進行精確稱重配比并充分混合均勻，然后將混合后的合金粉末放在模具上進行單向壓制，壓力為600 ～700 MPa，保壓3 ～5 min，然后置于高溫網帶爐中進行燒結，燒結時采用氨分解氣氛(N2，H2)保護，燒結溫度820 ～860 ℃，保溫30 min。

表1 試樣材料配方(質量分數) %

1.2 摩擦磨損試驗

摩擦磨損性能檢測在MM-200型摩擦磨損試驗機上進行，摩擦因數由該試驗機測得的摩擦扭矩計算得出，其精度為0.002。上試樣為方塊狀的銅基軸承材料，尺寸為25 mm×10.5 mm×6 mm，對偶件(下試樣)為外徑40 mm、內徑16 mm的圓環狀45#淬火鋼，硬度值為(50±3)HRC，摩擦副接觸方式如圖1所示。試驗采用滴油潤滑，潤滑油為32#機油。定載荷形式：當滴油速度為30滴/min時，載荷為300 N；滴油速度分別為1滴/min和1滴/5 min時，載荷為100 N。對偶件作旋轉運動，線速度為0.837 m/s，試驗時間分別為1 h和3 h。

圖1 摩擦副接觸形式

為減少試樣表面狀態對摩擦因數和磨損率的影響，試驗前用砂紙對試樣和對偶件的表面進行同樣規范的打磨，并用丙酮對試樣和對偶件的表面進行清洗。摩擦、磨損試驗結束后測量磨痕寬度并計算銅基軸承材料體積磨損量，利用光學顯微鏡觀測試樣的磨痕表面形貌，并用JSM6490/LV掃描電鏡對磨痕表面進行EDS能譜分析。

2 結果與討論

2.1 試驗1 h后的摩擦磨損性能

2.1.1 滴油量30滴/min

在滴油量為30滴/min，定載荷為300 N的條件下，采用3次試驗取平均值的方法，得出不同摩擦副摩擦因數隨時間變化的曲線如圖2a所示。幾種摩擦副運行平穩，摩擦因數波動不大，其中0#試樣摩擦副摩擦因數在開始的5 min內從0.04上升到0.045，然后逐漸下降并穩定在0.033左右；與0#試樣相比，1#，6#試樣摩擦因數相對較低，說明其具有較好的減摩、抗黏著性能；而其他幾種試樣摩擦副平穩階段的摩擦因數為0.04～0.06，并未表現出更好的減摩、抗黏著性能。

試驗結束后測量試樣磨痕寬度，并且計算其體積磨損量，結果如圖2b所示。0#試樣的體積磨損量也為0.32 mm3，5#，6#試樣的體積磨損量也相對較小，分別為0.36和0.21 mm3，而其他幾種試樣的體積磨損量均高于0#試樣。綜合不同試樣磨損量和摩擦副摩擦因數大小，銀含量為0.8%的6#試樣的耐摩擦磨損性能最好。

圖2 滴油量30滴/min時的摩擦磨損性能

2.1.2 滴油量1滴/min

在滴油量為1滴/min，定載荷為100 N條件下，采用3次試驗取平均值的方法，得出其不同摩擦副摩擦因數隨時間的變化情況，如圖 3a所示。幾種摩擦副運行也相對較為平穩，平均摩擦因數為0.040～0.055，其中0#試樣摩擦因數從開始的0.043逐漸上升并最終維持在0.053左右； 1#～3#試樣摩擦因數明顯高于0#試樣； 4#～7#試樣的摩擦因數低于0#試樣，平均摩擦因數均在0.050以下，其中6#試樣摩擦因數最低，基本維持在0.044左右，試驗運行平穩，表現出較好的減摩、抗黏著特性。與滴油量為30滴/min試驗條件相比，銅鉍軸承材料中銀含量增加到0.5%時，已體現出改善減摩、抗黏著的效果，但銀含量為0.8%時效果最好。

圖3 滴油量1滴/min時的摩擦磨損性能

幾種試樣的體積磨損量測量結果如圖3b所示，0#試樣的體積磨損量為0.897 mm3，1#和3#試樣的磨損量與0#試樣相當或稍有增大。當銀含量逐漸提高到0.5%以上時，幾種含銀銅鉍軸承材料的體積磨損量越來越小，其中6#試樣體積磨損量最小，為0.249 mm3，與0#試樣相比，磨損量減少了2/3以上，表現出較好的耐磨性能，但當銀含量加到1. 0%時，試樣體積磨損量反而明顯增大。

圖4為0#，4#和6#試樣在滴油量為1滴/min試驗后在100倍光學顯微鏡下的磨痕形貌圖片。從中可以看出：0#試樣表面存在黏著痕跡和許多較深的犁溝，試驗過程中油膜破裂導致局部微凸體直接接觸，在摩擦副表面相對滑動時，由于黏著效應所形成的黏著結點發生斷裂，產生黏著磨損，表現出較差的減摩、抗黏著特性。這是由于銅基軸承材料相對較軟，在摩擦磨損過程中，對偶表面的微凸體和由磨損產生的硬質磨屑可能嵌入較軟的銅基軸承材料表面，致使試樣表面出現大量的犁溝。當銅鉍軸承材料中含有適量的銀時，改善了其減摩、耐磨性能，與0#試樣相比，4#試樣的磨損程度較輕微，黏著痕跡明顯減少。 6#試樣的磨痕表面較為光滑，犁溝、黏著磨損程度最低。

圖4 幾種試樣的磨痕表面形貌

圖5為滴油潤滑(1滴/min)試驗條件下0#和6#試樣磨痕表面的EDS能譜圖。從圖中可以發現：0#試樣鉍的能量峰非常弱，其對應的鉍含量只有0.44%； 6#試樣同時出現了銀和鉍的能量峰，而且鉍的能量峰比0#的強，其對應的鉍含量為1.06%，銀含量為0.26%。由于較多銀、鉍低熔點軟質相在磨痕表面的分布，改善了材料的減摩及抗黏著性能。

圖5 0#和6#試樣的 EDS能譜圖

2.1.3 滴油量1滴/5 min

在滴油量為1滴/5 min，定載荷為100 N，線速度為0.837 m/s的條件下，采用3次試驗取平均值的方法，得出不同摩擦副摩擦因數隨時間的變化情況如圖6a所示。與滴油量為1滴/min時相比，由于油量減少，潤滑效果減弱，摩擦因數總體增大，0#試樣摩擦因數由開始的0.05逐漸上升并維持在0.07左右；而與0#相比，3#～6#試樣摩擦因數較小，其中6#試樣摩擦因數由開始的0.04逐漸上升并穩定在0.058左右，試驗運行平穩，表現出較好的減摩、抗黏著特性。

試驗結束后測量低銀組元銅鉍軸承材料磨痕寬度，并計算其體積磨損量，結果如圖6b所示。6#試樣磨損量最小，僅為0.383 mm3，且與滴油量1滴/min時磨損量的變化規律相似。

圖6 滴油量為1滴/5 min時的摩擦磨損性能

由以上3種潤滑條件下的摩擦磨損試驗結果可以看出，在銅鉍軸承材料中添加一定含量的銀，對材料的摩擦磨損性能有一定影響，當銀含量較低或較高時，對銅鉍軸承材料的減摩、耐磨性能無明顯作用；而當銀含量適宜時，對銅鉍軸承材料的減摩、耐磨性能有明顯的改善作用；尤其是隨滴油量減少，潤滑效果減弱時，銀對銅鉍軸承材料減摩、耐磨性能的改善作用較為明顯，銀的適宜添加范圍也較寬泛，其中3種潤滑條件下，銀的最佳添加量均為0.80%。

2.2 試驗3 h后0#和6#試樣的摩擦磨損性能

選擇銀添加量0.80%的6#試樣和不含銀的0#試樣進行較長時間的摩擦磨損對比試驗，具體試驗條件：滴油量為1滴/ min，定載荷為100 N，線速度為0.837 m/s，時間為180 min。如圖7a所示，兩種試樣摩擦副摩擦因數在前85 min的變化趨勢基本相似，0#試樣摩擦副摩擦因數從開始的0.03逐漸上升并穩定在0.05左右， 6#試樣摩擦因數從開始的0.025逐漸上升并穩定在0.042左右。85 min后6#試樣摩擦因數有明顯下降趨勢，并逐漸穩定在0.04左右，整個試驗過程摩擦因數均低于0#試樣，且變化較為平穩；而85 min后0#試樣摩擦因數明顯增大，并且變化不穩定。

圖7 0#與6#試樣摩擦磨損情況對比

試驗結束后測量2種試樣的磨痕寬度，并計算其體積磨損量，結果如圖7b所示，圖中6#試樣的體積磨損量明顯小于0#試樣，可見加入適量的銀對銅鉍軸承材料的摩擦學特性確有明顯的改善效果。

3 結論

(1)當滴油量為30滴/min，即潤滑情況較好時，銀對銅鉍軸承材料的摩擦學特性影響不明顯，銀含量為0.8%時，對銅鉍軸承材料的摩擦學特性有一定的改善作用；在滴油量為1滴/min及1滴/5 min相對潤滑不好的情況下，銀對銅鉍軸承材料減摩、耐磨性能的改善作用較為明顯，銀的適宜添加范圍也較寬，但銀的最佳添加量為0.80%。

(2) 潤滑情況較差的試驗條件下，銅鉍軸承材料容易產生黏著磨損和磨粒磨損，表現出較差的摩擦磨損特性；銀含量適宜的銅鉍軸承材料磨損程度較輕微，黏著、犁溝痕跡明顯較輕，磨痕表面較為光滑。