Bi對2A12鋁合金摩擦磨損特性的影響研究

尹延國，朱國乾，林楨弟

(1.合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009；2.嘉善雙飛潤滑材料有限公司，浙江 嘉興 314115)

鋁基滑動軸承合金是一種質量輕、比強度高、導熱性好的軸承材料，廣泛應用于機械、汽車、航空航天等領域。鋁錫系軸承合金是應用較早的鋁基軸承合金，高錫鋁基軸承合金雖在減摩性、抗咬合性和嵌藏性等[1]方面有較大優勢，但其硬度和強度較低，承載能力差；低錫鋁基軸承合金承載能力有所提升，但減摩、抗粘著性能弱化，難以滿足使用要求[2]。隨后發展起來的鋁鉛系軸承合金[3]因具有良好的減摩、耐磨性、抗咬合性能以及較強的承載能力獲得了廣泛應用；然而，隨著近年來對材料環保性能的要求不斷提高，鉛類材料的使用也因此受到限制[4]。因此，研制開發替代傳統鋁錫及鋁鉛系軸承材料的新型環保高承載低摩擦磨損的鋁基軸承材料將具有較好的應用前景。

與鉛和錫元素相比，同是低熔點組元的金屬元素鉍(Bi)，不溶于鋁基合金，在鋁合金基體中以游離態形式存在[5]，對材料的強度影響較小，在摩擦過程中由于摩擦熱的作用，Bi熔化析出于摩擦副表面，形成具有減摩、抗粘著作用的自潤滑金屬膜[6]，改善基體材料的摩擦磨損性能，已在鋁硅[6-7]合金及銅基材料[8]中得到應用。然而，對于含Bi鋁基軸承材料摩擦學特性及磨損機理的研究較少。

為此，采用攪拌鑄造方法制備了含Bi的Al-Cu軸承材料，研究其摩擦學特性及規律，探討Bi在減摩、抗粘著方面的作用與機理，為研制開發新型高性能環保鋁基軸承材料提供理論基礎。

1 試驗

1.1 試樣材料的制備

2A12合金的化學成分(質量分數)見表1。在2A12合金成分的基礎上添加不同含量(質量分數為1%～8%)的Bi來制備試樣。

表1 2A12合金的化學成分(質量分數，%)

熔煉工藝流程：將一定質量的2A12鋁錠(GB/T 3190—2008《變形鋁及鋁合金化學成分》)放入坩堝電阻爐中升溫熔化，升溫至750 ℃時加入一定質量分數的Bi塊，再加入Ti和B變質劑(以中間合金形式)，吹氮氣精煉5 min，保溫30 min，然后扒渣，升溫至720～750 ℃澆鑄試樣，澆鑄前采用機械法攪拌以保證合金成分的混合均勻性。

熱處理工藝流程：試樣進行固溶時效處理，即加熱到490 ℃保溫6 h，水冷，再將其加熱到190 ℃保溫6 h，空冷。

1.2 試驗方法

顯微組織經打磨、拋光、腐蝕后在MR5000立式金相顯微鏡下觀察；宏觀硬度用HR-150A洛氏硬度計測試，根據GB/T 230.1—2009《金屬材料 洛氏硬度試驗》進行試驗，軸向載荷980.7 N，施加2～3 s，保持4～6 s，環境溫度15 ℃。

摩擦磨損試驗在自制的HDM-20端面摩擦磨損試驗機上進行，試樣固定，對磨件轉動，其接觸形式如圖1所示。對磨件為Cr12鋼(59～63 HRC)，內徑34 mm，外徑40 mm，表面粗糙度Ra為0.2 μm；試樣直徑49 mm，厚度6.5 mm，表面粗糙度Ra為0.2 μm。試驗條件為：軸向載荷為1 500 N，轉速為517 r/min(線速度為1.0 m/s)，浸油潤滑。試驗過程中的摩擦因數和摩擦溫度等數據由試驗機自動檢測記錄，其中摩擦溫度采用接觸式測量方法，通過熱電偶溫度儀測量，再由試驗機智能檢測系統自動檢測記錄；試樣磨損前后的質量采用GP-300E固體密度測試儀稱量。

圖1 摩擦副接觸方式和試樣磨痕形狀

2 結果與討論

2.1 組織與硬度

不同Bi含量的2A12合金的顯微組織如圖2所示。由圖可知，Bi的質量分數為3%，5%的合金中，Bi呈球狀分布于鋁基體中，與基體不容；Bi的質量分數為1%的合金中沒有出現明顯的球狀物，隨著Bi含量的增加，球狀物的數量增多。

(a)Al-1%Bi

不同Bi含量合金的洛氏硬度如圖3所示。由圖可知，隨著Bi含量的增加，合金的硬度不斷降低，未添加Bi的2A12合金硬度為76 HRB，Bi的質量分數為8%時，合金硬度最小，為60 HRB，硬度降低了21.1%，這是因為Bi為低硬度的軟質金屬元素，其與基體合金不相容，呈游離態分布于鋁基體中，Bi含量越大，含Bi的鋁基材料受力后越易變形，所以硬度不斷減小。

圖3 不同Bi含量合金洛氏硬度變化情況

2.2 Bi對2A12合金摩擦磨損性能的影響

邊界潤滑條件下，不同Bi含量的2A12合金摩擦因數隨時間的變化情況如圖4所示,其平均摩擦因數隨Bi的質量分數的變化如圖5所示。

圖4 摩擦因數與試驗時間的關系曲線

圖5 不同Bi含量合金平均摩擦因數變化情況

由圖4可知，該潤滑條件下，不含Bi的基體材料減摩及抗粘著特性較差，摩擦副的摩擦因數在15 min時已較高(摩擦因數為0.090)，且持續上升，當試驗進行30 min后，摩擦副的摩擦因數明顯升高(摩擦因數為0.121)，隨后摩擦副運行逐漸不平穩，振動、摩擦噪聲較大，致使試驗機停機。與不含Bi的基體材料相比，含Bi的合金表現出較好的摩擦學性能，摩擦副的摩擦因數較低，且均能平穩運行一段時間。Bi的質量分數為8%時，試樣的摩擦因數較低，60 min 內，摩擦因數基本都保持在0.04以下，雖有波動，但變化幅度較小；Bi的質量分數為6%時，試樣的摩擦因數在15 min后變為最大(0.060)，而后降低，經過25 min磨合后降至0.040以下且有繼續降低的趨勢；Bi的質量分數為1%～5%時，試樣平穩階段摩擦副摩擦因數維持在0.070～0.090范圍內，比不含Bi的基體合金的摩擦因數小。從總體上看，試驗條件下，Bi的質量分數為6%～8%的鋁基軸承材料在減摩、抗粘著方面具有較好的表現，這是因為Bi較軟，受剪切易變形，Bi含量較低時，摩擦過程中溫升較快，油膜較易破裂，造成摩擦副局部區域直接接觸，摩擦因數增大；溫度升高也使Bi熔化析出于摩擦副表面形成自潤滑金屬膜，起到保護鋁基體的作用，Bi含量的增加有利于形成連續的潤滑金屬膜，從而使材料具有較好的減摩、抗粘著作用。

由圖5可知，2A12合金試樣的摩擦因數高達0.117，加入1%～5%的Bi元素后，合金的摩擦因數在0.060～0.090范圍內波動，這是由于摩擦過程中接觸點的金屬處于塑性流動狀態，在接觸點處產生瞬時高溫，致使Bi元素軟化、熔化、析出，當瞬時高溫消失后，Bi固化過程中在局部區域輕微堆積，進而逐漸剝落使摩擦因數稍微上升，但整體上由Bi含量增加形成的較為完整的金屬膜與油協同潤滑，從而使摩擦因數降低起主導作用，這也使得Bi的質量分數為3%～5%合金的摩擦因數低于Bi的質量分數為1%～2%合金；當Bi的質量分數增加至6%～8%時，合金的摩擦因數持續降低，最終維持在0.02左右，即當Bi的質量分數增加至6%時，含Bi的軸承材料表現出較好的減摩、抗粘著性能。

摩擦副表面溫度隨試驗時間的變化曲線如圖6所示。由圖可知，不含Bi的2A12基體合金組成的摩擦副的表面溫度在35 min時達到180 ℃以上，表面溫升較快；含Bi基體合金所組成摩擦副摩擦因數較低，所產生的摩擦熱較少，表面溫升較慢，這是由于低熔點金屬Bi在摩擦過程中熔化吸熱。試驗前10 min，含Bi合金材料所組成的摩擦副溫升都較快；隨后，Bi的質量分數為1%～5%的基體合金摩擦副表面溫度始終保持在150～170 ℃范圍內，雖溫升較快，但低于不含Bi的基體合金摩擦表面溫升(180 ℃)；Bi的質量分數為6%～8%的基體合金所組成的摩擦副的表面溫升明顯遲緩，直到試驗結束時，其表面溫度變化亦不大，Bi的質量分數分別為6%，8%的合金材料表面溫度分別穩定在80，60 ℃左右。總體上看，Bi降低了摩擦溫升速率，從而避免了摩擦副運轉過程中出現“咬合”現象，這也進一步說明，Bi的質量分數為6%～8%時基體合金的摩擦學性能較好。

圖6 表面溫度與試驗時間的關系曲線

不同Bi含量的合金試樣摩擦試驗后的磨損量如圖7所示。由圖可知，隨著Bi含量的增加，試樣的磨損量減少，當Bi的質量分數增加至8%時，磨損量最小，為2 mg。

圖7 不同Bi含量合金磨損量變化情況

摩擦磨損試驗中，2A12合金試樣的摩擦副摩擦因數及表面溫度已較高，摩擦副運行不平穩，發生粘著咬合，磨損劇烈，30 min后試驗機即停機；含Bi的鋁基合金材料平穩運行的時間較長，磨損較為緩和。

3 結論

不含Bi的鋁基合金減摩、抗粘著性能較差；含Bi的鋁基軸承材料的減摩、抗粘著性能較好：

1)含Bi的合金材料硬度有所降低，Bi含量越高，硬度越低。

2)Bi的質量分數為6%～8%的鋁基軸承材料表現出較好的摩擦學性能，其組成的摩擦副運行平穩，摩擦因數低，摩擦溫升小，磨損量較小。