鐵基滑動軸承材料研究進展

鄒芹，馮紹亮，王明智

(燕山大學 a.機械工程學院；b.亞穩材料制備技術與科學國家重點試驗室,河北 秦皇島 066004)

鐵基滑動軸承于20世紀30年代后期在德國出現，20世紀50年代鐵基滑動軸承材料快速發展，并在很多領域開始取代青銅石墨軸承。鐵基滑動軸承價格低，具有優異的自潤滑性能和耐疲勞、高強度等力學性能。新型鐵基材料[1-4]研究逐漸增多，鐵基滑動軸承材料研究隨之深入，應用范圍也不斷拓展，由低速輕載工況提升到高溫、高載荷及腐蝕介質等復雜工況[5-7]。目前，對于鐵基滑動軸承材料的開發主要集中在2個方面：首先，研發新型硬質顆粒材料作為第二增強相[8]使材料整體強度、硬度等力學性能大幅度提升；其次，研發更優異的潤滑相改善滑動軸承的自潤滑性。除了添加增強顆粒組元和潤滑組元，還可以通過一定的熱處理等后處理工藝[9-10]增強材料的抗疲勞性和耐磨性。經過熱處理加工的鐵基合金材料表面硬度整體上升，耐磨性增強，摩擦因數較熱處理前降低[11-12]，常見的后處理方式有退火、淬火、回火、激光表面熱處理以及激光涂覆等處理技術[13-17]。通過調節退火等熱處理時間改變材料的微觀相成分和組織位錯密度，達到改善力學性能、摩擦磨損等性能的目的[18-20]。目前國內外學者針對鐵基滑動軸承的不同工況要求研發出了多種產品，如Fe-C系、Fe-Cu-C以及Fe-Mo-C系列等[21]。

1 Fe-C系軸承材料

第二次世界大戰前，鐵基粉末冶金材料就應用于發動機零件、刀具及耐磨零件等領域[22-23]。工況條件僅限轉速1 000 r/min 左右、抗壓強度低于為200 MPa的場合，由于鑄鐵軸承價格低廉，應用廣泛。20世紀30年代后期研究發現，鑄鐵軸承材料中添加石墨可以有效提升材料的潤滑性能，改善磨損嚴重的問題，但力學強度相對較低。為了研究力學性能更優的鐵基滑動軸承材料，在鐵基石墨材料中添加各種增強力學性能的硬質顆粒，并取得優異成果[24]。顆粒增強鐵基石墨復合軸承材料具有高強度、高彈性模量、耐磨等優異的綜合性能，逐漸成為材料界研究的熱點。

20世紀50年代末期，文獻[25]首次通過顆粒增強改善鐵基石墨滑動軸承材料性能，利用粉末冶金的方法制備Al2O3顆粒增強鐵基復合材料，研究發現Al2O3增強顆粒均勻分布在鐵基復合材料表面，具有彌散強化的作用，可明顯提高鐵基材料整體的抗蠕變性能和強度。

為了進一步探究Al2O3增強鐵基石墨復合材料的微觀組織以及增強顆粒對性能的影響，文獻[26]采用熔鑄法制備Al2O3增強鐵基石墨復合材料，發現Al2O3增強顆粒均勻分布在整個鐵基體中，增強相與基體之間沒有反應層；隨著Al2O3含量不斷增加，細小的Al2O3晶粒不斷變粗變大，并開始出現裂紋，分析原因是Al2O3具有較脆的陶瓷材料屬性，隨著晶粒不斷變大變粗和溫度下降，晶粒內部受到的應力逐漸增大，最后導致晶粒破裂；適量的Al2O3對鐵基復合材料力學性能有明顯提升作用。

Al2O3的化學性質較穩定，具有陶瓷材料的特性，與鐵密度相差很大，二者之間的理論潤濕角高達150°，導致潤濕性較差，改善二者間的潤濕性可以提升材料整體的綜合性能。通過在Al2O3顆粒表面采用化學鍍或氣相沉淀等方法鍍膜的方式可以極大的提高復合材料強度和耐磨性，常用的鍍膜種類有鍍鎳、鍍銅等。

文獻[27]在Al2O3顆粒表面鍍制一層銅膜以制備燒結鐵基石墨材料，探究鍍膜和不鍍膜顆粒對材料性能的影響，結果表明，鍍膜材料摩擦因數提高5%～10%，而磨損率下降5%～8%，鍍膜技術可以改善鐵基石墨材料摩擦磨損性能。

隨著增強顆粒研究不斷深入，顆粒種類和性能也隨之增多，由Al2O3逐漸發展到高性能碳化物，如碳化鈦、碳化鎢、碳化釩等[28-30]，以碳化鈦為代表的碳化物成為關注焦點[31-33]，碳化物和鐵基之間的潤濕角較小，在高溫等復雜條件下也能保持良好的界面結合狀態，此外，這類碳化物高硬度和高熔點決定了其優異的抗磨性和耐高溫性能，對鐵基石墨滑動軸承在高溫重載條件下的應用有一定優勢。

文獻[34]用原位合成法制備碳化鈦增強鐵基石墨材料，發現碳化鈦顆粒均勻分布在鐵基石墨材料表面，與基體結合優異，TiC顆粒可增強材料的硬度和耐磨性，添加后整體平均硬度可達2 354 HV,遠高于一般增強顆粒鐵基復合材料。文獻[35]采用鑄造與原位合成技術制備了TiC顆粒增強鐵基復合材料，從抗高溫氧化性及微觀結構耐磨性方面對制備的鐵基復合材料進行了研究，發現鐵基復合材料表面有極細的TiC顆粒，直徑均小于3 μm，TiC顆粒與基體表面結合良好；在干磨損條件下，尤其在重載時表現出優異的耐磨性；在高溫900 ℃時表現出極好的抗氧化性。文獻[36]用粉末冶金法制備了TiC增強鐵基復合材料，發現其耐磨性遠優于淬火45#鋼材料。文獻[37]為改善鐵基石墨材料耐磨性能，利用激光涂覆的方法制備TiC增強鐵基復合材料，發現TiC涂層質量分數為30%時，涂層組織最致密、尺寸較小、分布均勻，熔覆層平均維氏硬度為7.838 GPa，磨損率為45#鋼基體的1/38。文獻[38-39]對碳化鈦顆粒直接增強鐵基石墨復合材料性能方面進行了論證，得出了類似結論。

為尋求間接改善增強鐵基復合材料性能的方法，文獻[40]利用化學鍍的方法制備鍍鎳TiC增強鐵基復合材料，制備后鐵基復合材料表面組織更細化均勻、界面結合良好，摩擦磨損性能優異，在高速重載以及對磨損要求較為嚴格的條件下表現較好。

WC具有高硬度、耐磨、線膨脹系數小、抗腐蝕性、穩定性良好以及耐高溫等優良特性，與鐵基石墨材料的潤濕角幾乎為零，界面結合能力較好，對鐵基石墨材料的耐磨性能有顯著提升，在高溫高速、腐蝕和磨損較嚴重的軸承材料應用方面具有一定的優勢[41]。

為改良鐵基石墨復合材料耐腐蝕性，文獻[42]進行了WC顆粒增強鐵基復合材料耐腐蝕性研究，以高鉻鑄鐵材料為對照組，改變復合材料中WC含量進而測定抗腐蝕參數，研究表明，隨著WC含量增多，材料抗腐蝕能力提升至最高后開始下降，體積分數為36%時磨損率最小，平均抗腐蝕能力優于高鉻鑄鐵材料1.38～2.93倍。文獻[43]發現，在含WC的鐵基石墨復合材料中添加一定含量的鉻對材料的抗腐蝕性有明顯提升。

為探究WC鐵基石墨材料在高溫環境下的摩擦機理，文獻[44]通過真空實型鑄滲法制備WC鋼基表面復合材料，考察了復合材料在200，300，500，600 ℃時的高溫磨損率及機理，發現200 ℃時表現為粘著磨損和疲勞磨損，而在300，500，600 ℃時表現為氧化磨損和疲勞磨損，其磨損過程為氧化與剝落交替進行的動態磨損過程。

VC具有高熔點、高硬度、化學穩定性好等特點，與熔融鐵間的潤濕角為28°，當VC顆粒與鐵基體凝固時，很容易被凝固界面捕捉，導致VC顆粒均勻分布在鐵基體表面，VC顆粒與上述碳化物有類似的優良特性，突出的是VC顆粒增強鐵基復合材料優異的耐磨性。文獻[45]研究表明，在相對重載干滑動磨損條件下，VC顆粒增強鐵基復合材料的耐磨性比淬火45#鋼提高了近53倍，比激冷鑄鐵提高了約6倍，其主要磨損機制為輕微的磨粒磨損。

文獻[46]利用SiC顆粒改善鐵基石墨復合材料耐磨性，采用粉末冶金法制備SiC顆粒增強鐵基石墨復合材料，發現SiC質量分數為5%～10%時可獲得較理想的綜合性能，與不含SiC相比，鐵基粉末冶金材料的耐磨性可以提高10～20倍。

為尋求合適的熱處理工藝改善鐵基石墨復合材料摩擦磨損等性能，文獻[47]研究了配方Fe-2%Ni-0.3%C在不同熱處理工藝前后的摩擦磨損特性，發現在臨界區790 ℃退火且水淬處理后材料的摩擦學特性較好；文獻[48]探究了含鎳鐵基石墨材料受熱處理工藝的性能影響，發現經淬火和回火后的磨損組織變形較小，表面材料出現細小的滑痕犁溝和輕微剝離。回火硬度為40 HRC時磨損率達到最小，性能明顯優于對照組；文獻[49]驗證了合適的熱處理工藝對鐵基合金材料的磨損和疲勞等特性有很大改良作用：選定鐵基復合材料為Fe-1.75 %Ni-1.5%Cu-0.5%Mo-0.6%C，在可控氣氛中進行奧氏體化，溫度800～850 ℃，保溫30 min，油中淬火后在300～350 ℃內回火1 h，測得疲勞強度和硬度等性能參數明顯優于熱處理前對照組。

2 Fe-Cu-C系軸承材料

20世紀60年代初，隨著工業的不斷發展，滑動軸承使用工況復雜程度加大，對滑動軸承材料性能提出了更高要求，單純添加Al2O3或TiC等一些顆粒增強體對鐵基材料性能有一定局限性，如添加增強顆粒不能有效改善鐵基滑動軸承材料的順應性、嵌入性、自潤滑性及長時間抗疲勞等問題，為滿足不同工況下滑動軸承特殊需求，探索新的滑動軸承材料勢在必行。實踐證明，銅具有減磨性好、抗疲勞特性強、嵌入性以及順應性優良等特性，較適于工作周期較長和對抗疲勞性要求較高的工況，此時出現了有代表性的Fe-Cu-C系軸承材料，研究發現，含銅鐵基石墨材料抗拉強度高達400 MPa,與可鍛鑄鐵相當,已經遠超鑄鐵的強度，因此，在Cu對Fe-Cu-C系軸承材料自潤滑性和力學性能影響方面展開了大量研究。

文獻[50]為提升鐵基石墨軸承材料的力學性能以及摩擦學性能，在鐵基石墨軸承材料中加入一定劑量的銅粉，采用粉末冶金法進行燒結制備，發現適量Cu可明顯提升材料硬度、壓潰強度、抗壓強度及摩擦學性能，從微觀組織上發現Cu固溶于鐵基組織表面，產生的金屬間化合物Fe4Cu3和Cu均勻分布在鐵基復合材料表面，起到彌散強化作用，此外Cu還能夠抑制V-Fe晶粒長大，進而細化晶體，間接提高了材料的強度、塑性以及韌性等。

普通碳素鋼含有鐵素體和珠光體，導致在摩擦過程中碳素鋼表面材料脫落嚴重，極大損耗了基體材料，文獻[51]向鐵基石墨材料中添加Cu作為第二增強相以改善材料摩擦學特性，發現Cu有利于提升鐵碳基體材料的耐磨性，在保證摩擦因數達標情況下，適量的Cu可明顯降低材料在高速狀態下的磨損率，這是由于Cu可以增強材料表面硬度等性能，在高速環境下磨損機制由原來嚴重的分層磨損向輕微的氧化磨損機制轉變。

文獻[52]從微觀角度解釋了Cu對Fe-Cu-C復合材料性能的作用機理，發現不含銅的鐵基復合材料組織含有馬氏體、貝氏體以及較大的孔隙，含Cu的鐵基材料組織孔隙率明顯降低，這是由于銅在燒結過程中形成的液相很好填補了合金顆粒之間的孔隙，形成液相的張力作用導致Cu在組織中分布均勻，這也很好地解釋了Fe-Cu-C復合材料的高度致密性和優異的韌性。文獻[53-54]也指出Cu在Fe-Cu-C復合材料中起到提高材料強度和耐磨性，延長疲勞壽命等作用。

摩擦學[55]性能作為鐵基粉末冶金材料的重要性能指標,也是衡量鐵基滑動軸承性能的重要指標，為進一步優化鐵銅基滑動軸承摩擦學性能，添加自潤滑特性較好的合金元素后研究發現，合金元素可以通過固溶強化組織提升材料力學性能、耐磨性及自潤滑性。如V元素對鐵基材料在高溫環境下的粘著磨損有著明顯改善作用，Ni，B，MoS2等[56-57]能促進碳原子擴散，使材料微觀組織得到細化并變得更均勻，對鐵銅基復合材料摩擦學特性有明顯優化作用。

文獻[58]從微觀角度解釋了Ni改善鐵銅基合金材料在干摩擦時的潤滑機理，發現改善材料潤滑性的關鍵點是Ni可以和原材料中的奧氏體形成富Ni奧氏體，這種富Ni奧氏體組織比貝氏體和馬氏體更軟，具備更優異的潤滑特性。

有學者嘗試用稀土元素的氧化物改善鐵基滑動軸承材料摩擦學性能，文獻[59]研究了不同含量CeO2對Fe-C-Cu-CeO2軸承材料自潤滑等性能的作用機理，發現適量CeO2可活化燒結、改善組織、增大材料的徑向壓潰強度和表觀硬度、降低摩擦因數及磨損量。

文獻[60]在鐵銅基復合材料中添加鉻來改善復合材料整體摩擦學特性，采用冷壓燒結法制備Fe-Ni-Mo-Cu-xCr復合材料，發現鉻質量分數為0.6%時,材料具有高燒結密度、高硬度及低磨損率；通過SEM觀察磨損后的形貌表面，發現磨損形態以細小犁溝、塑性變形和微裂紋為主；在摩擦過程中,接觸面的溫升加快了氧化膜的形成,氧化膜在磨損過程中不斷破壞后又形成,磨損機制為粘著磨損和氧化磨損。

國內外許多學者通過向鐵銅基滑動軸承材料中添加MoS2來改善材料的自潤滑性。文獻[61]探討了不同含量MoS2對Fe-0.6%C-2.5%Cu-x%MoS2燒結塊體的摩擦磨損性能影響，發現當其質量分數為3%時潤滑情況達到最優，原因是磨損掉落的帶有潤滑性顆粒填補了接觸表面上的孔隙，隨著MoS2含量的增加，過多的顆粒出現在接觸表面，導致磨損情況開始惡化。文獻[62]對MoS2在粉末材料摩擦磨損等性能作用機理方面做了進一步分析，發現在制備燒結過程中，MoS2分解生成Mo和S，Mo元素提高了表面硬度和抗彎性，S元素易和表面材料形成各種硫化物并以光滑潤滑膜的形式滯留在材料表面，該潤滑膜對于降低材料的摩擦因數起著至關重要的作用。

對于文獻[62]研究中的光亮潤滑膜，國外相關學者也有類似研究。文獻[63]對金屬的高溫滑動摩擦進行了研究，給出了金屬材料摩擦機理的一般規律：隨著摩擦反復進行，接觸表面磨損趨緩，這是由于溫度升高使得摩擦接觸表面不斷生成氧化物，氧化物不斷脫落并部分粘結滯留在接觸表面，形成一層堅硬光亮的潤滑層，該氧化物潤滑層使材質具有了一系列優異性能，如高硬度及優異的潤滑性等。該摩擦過程對應的磨損形式為：軸承起步到跑合過程為磨粒磨損，隨著溫度逐漸升高，接觸表面不斷被氧化，此時摩擦為氧化磨損，載荷較大、溫度較高時為粘著磨損。

文獻[64]對MoS2強化鐵基復合材料性能的作用機理作了深入分析，研究發現MoS2在燒結過程中分解成S和Mo，S與基體鐵發生反應生成了FeS，Mo固溶于基體α-Fe相中。燒結溫度超過989 ℃時，FeS與基體Fe發生溶晶反應:Y-Fe+FeS→L，燒結過程中出現的液相促進燒結的進行，硫化物對材料的潤滑有明顯改善作用，固溶于基體鐵中的Mo提高了材料的強度和硬度，MoS2質量分數為4%時表現出良好的綜合性能和摩擦磨損性能。文獻[65]研究了不同含量的MoS2對鐵基滑動軸承材料摩擦磨損的性能影響，將MoS2粉末和基體316L(鐵粉的一種型號)粉末進行燒結，研究發現MoS2有助于材料硬度和抗拉強度的提升，MoS2質量分數為10%時復合材料的綜合性能相對最佳(摩擦因數最低，潤滑效果優異，硬度和抗拉強度均較高)。

3 Fe-Mo-C系軸承材料

20世紀60年代，繼Fe-Cu-C系軸承材料之后，為大幅度提升鐵基石墨軸承材料的摩擦磨損和力學性能，添加各種硬質合金元素成為研究熱點，Mo由于其硬且堅韌的特點而作為顆粒增強相廣泛應用于鐵基石墨軸承材料中，研究表明[21]：添加Mo的鐵基石墨滑動軸承材料抗拉強度可增至600 MPa，經熱處理等后續工藝強化后可達1 000～1 100 MPa。

為探究Fe-Mo-C系材料的最佳燒結溫度，文獻[66]研究了燒結溫度對Fe-Mo-C合金組織和性能的影響，利用機械合金化和粉末冶金的方法制備Fe-Cu-Mo-C合金，發現燒結溫度升高到1 100 ℃時，合金組織孔隙數量減少，孔隙尺寸極小；材料表現出高硬度、高密度及高抗拉強度等優異力學性能。

文獻[67]通過添加Mo來提高鐵基石墨摩擦學性能和力學性能，采用粉末冶金的工藝制備Fe-Mo-石墨復合材料，考察了Mo含量對該鐵基材料的力學性能、以及在室溫和高溫320 ℃摩擦磨損性能的影響，試驗結果表明:當Mo的質量分數為10%時表現出優異的高溫潤滑性，材料的力學性能有明顯提升。文獻[68]也研究了Mo對鐵基石墨自潤滑材料力學及摩擦學性能的影響,發現Mo可以在合金中形成硬質點，使材料的耐磨性能得到大幅度的提升。

文獻[69]在鐵基石墨軸承材料中添加了Mo作為第二增強相來改善材料強度以及摩擦磨損等性能，發現加入質量分數為1.5%的Mo可以有效改善材料整體硬度以及潤滑性，在掃描電鏡下可看出劃痕表面質量明顯優于對比材料；隨著載荷的不斷增加，磨損情況由輕微的氧化磨損逐漸加劇為分層磨損機制；改變燒結壓力和燒結溫度可以改變氣孔數目及氣孔形狀等，氣孔越圓，材料的潤滑性越好;氣孔邊緣的毛刺越多,潤滑性越差。研究表明[70-71]，氣孔對材料的力學性能和摩擦磨損性能有明顯作用：氣孔產生局部應力和裂紋體，加速裂紋擴展；氣孔屬性可通過調節生胚密度、燒結溫度和燒結時間及原始粉體的顆粒度等參數，顯著改善材料的潤滑狀況。在材料力學性能滿足要求的前提下，適當調整氣孔參數可提升材料摩擦學性能。

為改善含鐵鉬基復合材料在高溫條件下的自潤滑性能，在鐵鉬基復合材料中添加MoS2,Al2O3,Cu,Ni等進行性能改進。文獻[72]在鐵鉬基復合材料中添加適量MoS2和Al2O3，分別討論了在室溫和600 ℃下材料的摩擦學性能，研究發現，在600 ℃下材料表現出優異的摩擦學性能，原因是摩擦表面形成了復合潤滑膜，其由PbMoO4，Fe3O4，Fe2O3和少量的Pb組成，其中PbMoO4對潤滑起決定性作用。文獻[73]通過同時向鐵鉬基復合材料中添加Cu和Ni，考察其在室溫，320，450 ℃下的摩擦學性能。研究發現，添加Cu和Ni后復合材料的力學性能增強，摩擦學性能明顯得到改善，在高溫摩擦過程中，鐵基自潤滑復合材料摩擦表面生成的由石墨,CuFe5O8，Fe3O4和Fe2.6Ni0.4O4組成的復合潤滑膜是導致其具有良好高溫潤滑性的主要原因。

4 結束語

隨著材料科學研究的不斷深入，滑動軸承材料性能越來越完善，但滑動軸承應用工況復雜，繼續研發高強度及高度自潤滑鐵基滑動軸承材料將成為該領域研發的新常態。強度方面應著重探索更硬、更穩定的優質硬質顆粒，嘗試更多的合金元素或氧化物等；在高溫重載及高速場合，鐵基滑動軸承的磨損及潤滑情況受到嚴峻挑戰，經常導致卡死等失效現象，尋求更優質的自潤滑材料已成為急需解決的問題。另外，對材料摩擦磨損理論方面的研究應繼續深入，為未來開發更優質的自潤滑材料提供更明確的理論指導。