浅谈内燃机曲轴轴承(轴瓦)合金层材料及其双金属.pdf

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1、14内燃机与配件2014年第11期昂。。3—”。。。“啼8m艺技术8叫r‘泌卜气《～刁f—jf—jf—j对浅谈内燃机曲轴轴承(轴瓦)合金层材料及其双金属ShallowTalkonCrankshaftPlainBearing(HalfBearing)MaterialsandBimetalsofInternalCombustionEngine张宝义(原长春汽车研究所)[摘要]本文根据内燃机曲轴滑动轴承轴瓦合金层材料的进展，叙述了其组成成份的演变及其金相组织由典型“双相结构”发展到今天的“复杂双相结构”。还探讨了轴瓦双金属的功能，双金属结合机理、结合类型及其结合强度的影响。[关

2、键词]轴瓦合金材料金相组织“双相结构”双金属结合机理与类型结合强度U刖吾表面相对滑动的摩擦副即为轴承，其功能是支承载荷和相互滑动。广泛意义的轴承，可分为增摩和减摩二种。内燃机曲轴滑动轴承是减摩的，其轴瓦合金层必须是低摩擦因数材料，亦减少轴承的摩擦与磨损。1内燃机曲轴滑动轴承轴瓦合金材料及其金相结构很多的学者都认为，人类最早是用木材作轴承的轴瓦，到青铜时期，人类就用青铜做轴承的轴瓦；冶铁技术的发明，人类用青铜和铸铁做简单机械的轴承(瓦)。15世纪，意大利文艺复兴时期，天才的达芬奇曾在他的日记中，记载了用镜金属(Sn70Cu30)制造轴瓦，当时的镜金属与今天的白合金成分相近。

3、大约在200多年前，人们已用“焊接”方法将白合金填补到当时铸铁和青铜轴瓦的铸造气孑L和缩孔中。直到1839年，伊沙克·巴比特在美国申请了第一个将白合金涂覆到轴瓦衬背上的专利，才开始了有目的选用和开发轴瓦材料。1．1轴承材料的发展进入20世纪，人们先后开发了诸多如铜铅二元合金、铅青铜、铜镍合金、铝锡铜合金、铝锑镁合金、铝镉硅合金、铝锡硅铜合金、铝铅硅铜合金、铝硅铜合金、铝锌硅铜合金、以及铜锡银合金、铜锡镍合金、铜锡镍铋合金等。这些合金的基体金属元素都是铜和铝，合金元素最多是软的金属锡、铅、镉、锑、锌和铋，其次是铜、镍、银、锰、镁、钛、锆。铜和铝都比白合金的基体金属铅和锡有高

4、的力学强度，添加了某些合金元素组成的上述合金，具有较好的轴承特性，满足了现代高速高载荷发动机各种工况的使用要求，得到日益广泛地应用。1．2何种合金适合做轴瓦合金材料轴瓦合金材料是金属材料的机械一一物理一一化学性质以及材料轴承特性的折衷产物，所以没有最好的轴瓦合金材料，只有在一定使用条件下较好轴瓦合金材料。轴瓦合金材料的发展告诉我们，一种理想的合金材料“最好”是与铁不固溶或有限固溶，不生成或少生成金属间化合物的，否则，必须向基体金属中添加与铁(和基体金属)不固溶或有限固溶，不生成或少量生成金属问化合物的金属和非金属元素组合的合金。这些合金元素如铅、锡、铋、镉、锌和锑等，它们

5、的物理化学性质是熔点低、高密度，且原子半径与铁原子半径相差较大，或添加化学元素周期表中的B族元素(Ti、V、Cr、Mn、、Co、Ni、zn、Ag、Cu、Cd、Zr、Nb、Mo)。当轴承出现薄油膜或边界摩擦润滑状态时，会发生局部金属接触——黏着磨损，轴承工作温度升高，使低熔点相组份软化或熔融，被挤渗到轴瓦表面上，起到瞬时润滑作用(紧急运转性能)；同时软金属相和脆性金属间化合物相、易于被剪断，不会引起轴张宝义：浅谈内燃机曲轴轴承(轴瓦)合金层材料及其双金属15承摩擦温度持续升高，有效地阻止轴承表面粘着磨损，甚至咬粘1．3轴承(瓦)合金层材料的金相结构众所周知，锡基和铅基白合金

6、的金相组织是经典的“双相结构”，即软基体组织中分布硬脆的共晶体化合物相(Cu6sIl5／cu3sn／snPb)。由于基体的硬度很低，且随着工作温度升高和合金层厚度增加，其轴承能力和抗疲劳强度下降，100℃时下降近50％。由此可知，轴瓦合金层材料的承载能力和抗疲劳强度，主要取决于合金基体组织力学强度和轴承特性，关键在采用高强度(硬度)金属做合金基体和添加固溶强化的合金元素强化基体组织，同时与基体合金元素生成硬的金属间化合物，提高基体组织硬度。铅青铜和铝锡硅铜合金，都是在固溶强化的“铜”和“铝”的硬基体上，分布着“软”的“纯铅”和“纯锡”(锡铝共晶体)多角形“小岛”，成为另类

7、“双相结构”的典型——硬基体上分布着软质点。铜和铝的基体有较高的力学强度(硬度)，亦有较高的承载能力和抗疲劳强度，游离存在于基体的低熔点软的铅和锡，为轴瓦合金层提供了很好的摩擦相容性、摩擦顺应性和嵌藏性。迄今，被广泛地应用着。含Cu、Mn、si、Ni、Mg、Zn、Zr、Ti的低锡和中锡铝合金，则是在固溶强化较硬铝基体中，分布着软的低熔点锡铝共晶体“小岛”，基体组织和锡铝共晶体中分布着硬脆的金属问化合物相、非金属初晶硅和共晶硅晶体。笔者将其称为复杂的“双相结构”。它集上述二种“双相结构”组织于“一身”的复杂“双相结构”的轴瓦合金