Ag、Co、Cr元素對錫基巴氏合金顯微組織及結合性能的影響

程戰，董顯，張遠海，王蒙，龍偉民，，朱挺，張雷，周吉發，王鑫華

1.中國機械總院集團 寧波智能機床研究院有限公司，浙江 寧波 315700

2.鄭州機械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001

3.浙江申科滑動軸承科技有限公司，浙江 紹興 311800

0 前言

巴氏合金是一種軟基體上分布著硬質顆粒相的低熔點軸承合金，以其優異的嵌藏性、順應性及抗咬合性能廣泛應用于汽輪機、汽車、電力、航空航天等領域的關鍵軸承部件及鋼制軸承襯套中。近年來隨著航空航天、軌道交通、海洋航運等領域向著高速、重載、大型化等方向飛速發展，對滑動軸承的可靠性能及承載能力提出了更高的要求，而巴氏合金承載能力低、粘合強度差的特點勢必造成軸瓦過早失效［1］。

為改善上述問題，研究人員對其進行了更為深入的研究工作。一方面是探索新型巴氏合金的制備技術。如在靜態澆注過程中調節澆注溶液溫度、改善掛錫質量、改進冷卻措施等以避免巴氏合金晶粒過于粗大，界面結合層脆性化合物FeSn及FeSn2過厚［2-3］；或是采用噴涂法如電弧噴涂、液體噴涂及火焰噴涂等工藝將巴氏合金堆積在軸瓦基體表面，但該方式對設備要求高，制備的涂層厚度及結合強度偏低［4-7］；或是采用鍍膜法、磁控濺射等工藝將巴氏合金薄層鍍覆至基體表面，但此工藝成本較高，制備的涂層厚度也有限制［8-9］。也有研究人員采用焊接方式對損壞的巴氏合金軸瓦進行修復，此種方式需要嚴格控制施焊溫度，否則會造成基體溫度過高，導致界面結合力降低［10-11］。另一方面是對巴氏合金進行改性強化。陳永紅［12］研究了微量元素Cd對巴氏合金SnSb11Cu6的微觀組織及力學性能的作用規律，發現Cd元素能夠起到細晶強化及固溶強化的作用，當Cd含量為0.5%左右時合金強度、塑性及硬度同時增加。Abioye等［13］通過粉末冶金工藝將3%～9%SiC加入Sn-Sb-Cu巴氏合金中，發現添加9%SiC時性能優異，與Sn-Sb-Cu巴氏合金相比硬度提高約43%，抗壓強度提高約55%，耐磨性提高約80%。陳潤霖［14］等在ZSnSb11Cu6巴氏合金中加入0～4% Cu粉以研究提高Cu含量對其力學性能的影響，發現添加Cu含量至7%～8%時可有效提高材料的高溫硬度和軟化溫度。

現有研究通過改進制備工藝或是添加元素及硬質顆粒等改善合金性能，鑒于Ag、Co、Cr元素與Sn元素具有較強的親和力，在組織凝固過程中可調控基體微觀結構［15-16］。本文通過感應熔煉工藝分別將1%的Ag、Co、Cr加入SnSb12Cu7.5Ni0.9巴氏合金中研究摻雜微量Ag、Co、Cr對Sn-Sb-Cu巴氏合金微觀組織、界面形貌及粘接強度的影響。本文得到了工信部產業基礎再造和制造業高質量發展專項的支持。

1 試驗方法

試驗以SnSb12Cu7.5Ni0.9巴氏合金作為基體，通過調控純度為99.9%的鈷塊、銀塊、Cr顆粒的添加比例制備出SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag、Co、Cr）合金，其化學成分如表1所示。采用感應熔煉工藝將純錫熔化，隨后加入銅塊、銻塊、鎳絲、銀塊、鈷塊及Cr顆粒調節熔煉溫度至550 ℃，保溫1 h，熔煉過程中加入適量木碳作為覆蓋劑。保溫結束后降低溫度至480 ℃，隨后加入適量的氯化銨作為精煉劑，精煉結束后使用純石墨棒攪拌5 min，澆注至預熱后的模具中，空冷至室溫獲得鑄錠組織。

表1 SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag、Co、Cr）巴氏合金名義成分（質量分數，%）Table 1 Nominal composition of SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag、Co、Cr）（wt.%）

采用線切割截取相同部位的鑄錠及重力澆鑄的巴氏合金/鋼界面試樣，用SiC砂紙進行粗磨，選用粒度為2 μm的金剛石拋光膏進行精磨，采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕至變色，通過蔡司顯微鏡觀察其微觀組織及界面形貌。將巴氏合金/鋼界面試樣機加工成內徑24 mm、外徑38 mm的鋼基體，如圖1所示。巴氏合金層外徑28.82 mm、厚度5 mm，符合國標GB/T 12948—1991《滑動軸承 雙金屬結合強度破壞性試驗方法》的標準結合試樣，隨后通過萬能拉伸試驗機進行測試，橫梁位移速率為2 mm/min。

圖1 巴氏合金/鋼結合試樣Fig.1 Babbitt alloy/steel bonding specimen

2 試驗結果與分析

2.1 微觀組織

加入Ag、Co、Cr改性的錫基巴氏合金組織如圖2所示。由圖2a可知，巴氏合金基體組織主要由黑色的錫基α固溶體組織（Sb溶于錫的固溶體）、白色方塊狀β相（SnSb）相及細長條狀或棒狀的η相（Cu6Sn5）相組成。加入1%Ag元素后，如圖2b所示，白色方塊狀β相（SnSb）尺寸略有減小，顆粒狀的η相（Cu6Sn5）相含量降低。如圖2c所示，加入1%Co元素后，組織中的顆粒狀η相（Cu6Sn5）明顯聚集，相互連接成星狀，方塊狀的β相（SnSb）尺寸也略有減小。加入1%Cr元素后，如圖2d所示，組織中的方塊狀β相（SnSb）尺寸顯著減小，邊角明顯鈍化，顆粒狀的η相（Cu6Sn5）由細長條狀轉變為蠕蟲狀均勻分布在整個組織中。

圖2 SnSb12Cu7.5Ni0.9-X（Ag、Co、Cr）巴氏合金顯微組織Fig.2 Microstructure of SnSb12Cu7.5Ni0.9-X（Ag，Co，Cr）Babbitt alloy

巴氏合金力學性能與微觀組織息息相關。凝固過程中，摻雜的高熔點Ag、Co、Cr元素能夠作為結晶核心，降低形核驅動力，促進形核。Ag元素與Cr元素的加入與基體中的Sn元素形成尺寸類似Cu6Sn5相的Ag3Sn、CrSn2化合物［16-17］，Co元素與Sn元素形成花朵狀的CoSn2化合物［18］，而這些化合物的出現一方面會消耗巴氏合金中的Sn元素，組織中的硬質相相比于軟基體α固溶體比例相對增多，另一方面率先于β相（SnSb）析出，與隨后生成的Cu6Sn5相形成網狀，抑制密度較輕的方塊狀β相（SnSb）上浮，凝固后的合金組織更加細小均勻。

2.2 界面形貌

界面屬于兩種材料間的連接過渡區，是雙金屬復合材料特有且極為重要的組成部分。在巴氏合金/鋼基體雙金屬復合材料制備過程中，由于固相鋼基體對液相巴氏合金溶體的冷作用與液相巴氏合金溶體對固相鋼基體的熱作用，在鋼基體界面處形成了一層過渡層，該過渡層性能的優劣影響結合性能的高低，直接關系到工件服役過程中機組的安全與穩定性。SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag、Co、Cr）合金界面形貌如圖3所示。由圖3a可知，巴氏合金/鋼界面處存在一薄層過渡組織，白色方塊狀β相（SnSb）相依托于過渡層組織形核生長。加入1%Ag后，過渡層明顯增厚，巴氏合金側組織中的條狀η相（Cu6Sn5）相逐漸圓潤，如圖3b所示。加入1%Co元素后，界面處存在部分依托于過渡層生長的脆性化何物，并向巴氏合金側延伸。而加入Cr元素后，界面處巴氏合金側組織較為均勻，組織中的條狀η相（Cu6Sn5）相轉變為圓潤的蠕蟲狀顆粒均勻分布在組織中，部分白色化合物依托于過渡層向巴氏合金中延伸。在巴氏合金溶體與鋼基體復合過程中，結合界面處發生了復雜的物化反應，導致了界面區域原子鍵結合與原子結構的化學成分與界面兩側的基體成分有差異，此外添加的高熔點元素Ag、Co、Cr在凝固過程中依托于固相鋼基體界面形核生長，且Ag、Co、Cr元素自身與巴氏合金基體中Sn元素的原子親和力存在差異，故而結合區域性質明顯區別于界面兩側合金。

圖3 SnSb12Cu7.5Ni0.9-X（Ag、Co、Cr）合金界面形貌Fig.3 Interface morphology of SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag，Co，Cr）alloy

2.3 結合強度

采用萬能拉伸試驗機測試巴氏合金/鋼基體結合強度，結果如圖4所示，斷口形貌如圖5所示?？梢园l現，未摻雜元素改性時結合強度為45.7 MPa，加入1%Ag、Co、Cr后結合強度均有所提高，其中加入1%Co時，抗拉強度取得最大值為51.9 MPa。結合圖5中的斷口形貌可以發現，基體的斷口中粘接在鋼側的巴氏合金較少，斷裂于界面處，如圖5a所示；加入1%Ag后鋼側界面粘接的組織明顯增多，但仍有約1/3處斷裂于鋼基體，如圖5b所示；加入1%Co、Cr后，巴氏合金/鋼結合試樣斷裂于巴氏合金處，如圖5c、5d所示。

圖4 SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag、Co、Cr）合金/鋼基體結合強度Fig.4 Bond Strength of SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag，Co，Cr） Alloy/Steel Matrix

圖5 SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag、Co、Cr）合金/鋼基體斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag，Co，Cr） alloy/steel matrix

界面是雙金屬復合結構兩者之間的連接過渡區，在澆注過程中液態巴氏合金對固相鋼基體的熱作用及固態鋼基體對巴氏合金溶體的冷作用，將在巴氏合金/鋼界面處形成與溶體內部不同的界面結合過渡區，該結合過渡區的結構包括界面處析出相、界面處元素相互擴散情況、界面微區結構、結合狀態、是否有新的化合物形成及是否存在缺陷等，其結構的狀態關乎于結鋼基體結合強度。

3 結論

（1）SnSb12Cu7.5Ni0.9合金中添加1wt.% Ag、Co、Cr元素能過改善合金組織。Ag、Co、Cr元素以Ag3Sn、CoSn2、CrSn2化合物的形式存在于組織中，方塊狀SnSb相細化且尖角略有鈍化，顆粒狀η相（Cu6Sn5）相由細長條狀逐漸轉變為蠕蟲狀。

（2）巴氏合金/鋼基體界面處存在一層相互連接的過渡層，分別添加1%Ag、Co、Cr后界面處過渡層厚度增加，組織均勻性改善，巴氏合金/鋼基體結合強度提高，其中添加1%Co元素的結合強度最高為51.9 MPa，較基體提高了13%。

（3）對比三種改性成分巴氏合金的微觀組織及界面結合強度，加入1%Co元素獲得的力學性性能最佳，更適用于高速、重載的軸瓦材料。