解讀內(nèi)燃機(jī)軸瓦的合金材料

作者：劉瀟

來源：軸承雜志社

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滑動軸承其功能是支承載荷和相互滑動。滑動軸承可分為增摩和減摩二種，內(nèi)燃機(jī)曲軸滑動軸承是減摩的，其軸瓦合金層必須是低摩擦因數(shù)材料，亦減少軸承的摩擦與磨損。合金軸瓦是發(fā)動機(jī)重要的摩擦副。制造滑動軸承的軸瓦及其內(nèi)襯的耐磨合金稱為軸承合金，又稱滑動軸承合金、軸瓦合金。

1　內(nèi)燃機(jī)合金軸瓦性能特點和組織結(jié)構(gòu)

滑動軸承的作用既是支承旋轉(zhuǎn)部件又承受燃?xì)鈮毫\(yùn)動部件的慣性力，另外還要承受由于摩擦而產(chǎn)生的熱負(fù)荷。軸瓦在軸承上，直接與軸相接觸的部分，承受載荷并且與軸具有相對運(yùn)動，為減少摩擦、磨損，對軸瓦材料提出各種要求，除要求摩擦副間摩擦因數(shù)小，耐磨外還應(yīng)滿足以下幾點：應(yīng)具有足夠的抗壓強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度和承受沖擊的能力。

軸被軸承支承的部分稱為軸頸，與軸頸相配的零件稱為軸瓦，做成整圓筒形的軸瓦稱為軸套，裝軸瓦的部分總稱殼件，其上半部稱為軸承蓋，下半部稱為軸承座。蓋和座用螺柱聯(lián)接，兩者的接合面由止口或銷釘定位，并可放置不同厚度的墊片以調(diào)節(jié)軸承間隙。

內(nèi)燃機(jī)的軸瓦是內(nèi)燃機(jī)滑動軸承中的滑動部件，其形狀為瓦狀的半圓柱面，稱為軸瓦。由于內(nèi)燃機(jī)軸的重量較重，不能采用滾動軸承，只能采用滑動軸承。多數(shù)軸承的接合面是水平的，也有傾斜的，以適應(yīng)載荷方向接近垂直于接合面的要求。為便于潤滑油進(jìn)入摩擦面之間，軸承蓋上開有注油孔，軸瓦上有分配潤滑油的軸向油槽。軸承蓋和座大多用鑄鐵制造，承受載荷大的采用鑄鋼或鋼板焊接結(jié)構(gòu)。

徑向滑動軸承有剖分式、整體式、凸緣式和自位式等幾種型式。剖分式軸承的軸承蓋可以啟開，便于裝入軸頸，軸瓦磨損后便于調(diào)整軸承間隙。整體式軸承構(gòu)造簡單，但軸頸必須從某一端裝入，磨損后無法調(diào)整間隙。凸緣式軸承的安裝面垂直于軸承中心線。自位式軸承能自動調(diào)整軸線，以適應(yīng)軸的撓曲變形。徑向滑動軸承的內(nèi)孔直徑稱為軸承直徑。軸瓦的軸向尺寸稱為軸承寬度。軸承寬度與軸承直徑之比稱為寬徑比，一般取0.4～1.5，為減小軸向尺寸（如在內(nèi)燃機(jī)中）也有取到0.25的。

滑動軸承中軸瓦與內(nèi)襯直接與軸頸配合使用，相互間有摩擦，而且還要承受交變載荷和沖擊載荷的作用。由于軸是機(jī)器上的重要零件，其制造工藝復(fù)雜，成本高，更換困難，為確保軸受到的磨損，軸瓦的硬度應(yīng)比軸頸低得多，必要時可更換被磨損的軸瓦而繼續(xù)使用軸。

滑動軸承應(yīng)有足夠的抗壓強(qiáng)度和抗疲勞性能；良好的減摩性（摩擦因數(shù)要?。?；良好的儲備潤滑油的功能；良好的磨合性；良好的導(dǎo)熱性和耐蝕性；良好的工藝性能；使之制造容易，價格便宜。一種材料無法同時滿足上述性能要求，可將滑動軸承合金用鑄造的方法鑲鑄在08鋼的軸瓦上，制成雙金屬軸承。

2　內(nèi)燃機(jī)軸瓦常用的合金材料

內(nèi)燃機(jī)滑動軸承材料是制造軸瓦、軸套等零件的材料，這些零件是直接與軸或軸頸配合的摩擦偶件，滑動軸承材料必須具有良好的減摩性、耐磨性、嵌藏性、順應(yīng)性、耐腐蝕性及足夠的承載能力，以減小摩擦磨損，延長軸承的使用壽命。軸瓦用減摩性良好的滑動軸承材料制造，包括金屬材料（如銅合金、鋁合金和巴氏合金等）和非金屬材料（如塑料、石墨、橡膠和木材等）。有些減摩性較好的金屬材料強(qiáng)度低（如巴氏合金），只在材料強(qiáng)度較高的軸瓦表面上澆鑄一層，稱為軸承襯。支撐軸承襯的部分稱為軸承襯背，常用軟鋼、鑄鐵或青銅制造。為進(jìn)一步改善軸承襯表面性能，可在其表面鍍上減摩性更好的薄層金屬（如銦）。這樣由多層不同金屬材料制造的軸瓦稱為多層金屬軸瓦。內(nèi)孔形狀基本不受軸承座孔形狀影響的軸瓦稱為厚壁軸瓦；內(nèi)孔形狀主要取決于軸承座孔形狀的軸瓦稱為薄壁軸瓦。在內(nèi)燃機(jī)、空氣壓縮機(jī)等大批量生產(chǎn)的機(jī)器中廣泛采用薄壁軸瓦。

評價滑動軸承材料的主要項目(指標(biāo))包括：抗壓強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度、耐磨性、磨合性、防止與軸頸黏附的摩擦相容性、補(bǔ)償滑動表面初始配合不良的順應(yīng)性、容許硬質(zhì)顆粒嵌藏以減輕軸頸刮傷的嵌入性、導(dǎo)熱性、耐蝕性、加工工藝性、價格等。

滑動軸承材料應(yīng)根據(jù)載荷、速度、溫度、潤滑條件和壽命等因素進(jìn)行選擇。常用的滑動軸承材料有巴氏合金、銅基和鋁基合金、耐磨鑄鐵、塑料、橡膠、木材和碳-石墨等。隨著現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)向高速、大型化方向發(fā)展，對滑動軸承的承載能力及可靠性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的巴氏合金軸承材料的承載能力特別是高溫承載能力較低，隨溫度的上升，會出現(xiàn)嚴(yán)重的粘著磨損而引起燒瓦事故；銅基軸承合金的承載能力和疲勞強(qiáng)度很高，但其表面順應(yīng)性、嵌藏性及磨合性較差，容易傷軸，故其表面?要一層鉛錫二元合金或三元合金材料。

3　錫基軸承合金的滑動軸承

一種以錫、銻、銅為主要成分的低熔點合金，又稱白合金、軸承合金。1839年美國人巴比特以這種合金獲得美國專利。合金的基體是錫中溶有銅和銻的固溶體軟組織，其中分布有錫銅銻化合物構(gòu)成的硬顆粒。軟組織具有良好的摩擦相容性、順應(yīng)性和嵌入性，硬顆粒具備一定的支承載荷的能力。巴氏合金強(qiáng)度低，只能作軟鋼、鑄鐵或青銅軸承的軸承襯用。后來，又出現(xiàn)以鉛、銻、銅為主要成分的軸承合金。前一種稱為錫基巴氏合金，后者稱為鉛基巴氏合金。錫基巴氏合金價格較高，主要用于高速重載的重要軸承和大型軸承。

鉛基巴氏合金的性能不如錫基合金，但價廉、應(yīng)用較廣、適用于中速、中載且載荷比較穩(wěn)定的軸承。加入微量元素(如鉻、鈹?shù)?制造高強(qiáng)度巴氏合金，是新的發(fā)展方向。錫基軸承合金的表示方法與其他鑄造非鐵金屬的牌號表示方法相同，例如ZSnSb4Cu4表示含銻的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、含銅的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的錫基軸承合金。巴氏合金的價格較貴，且力學(xué)性能較低，通常是采用鑄造的方法將其鑲鑄在鋼（08鋼）的軸瓦上形成雙金屬軸承使用。

錫基軸承合金的缺點是疲勞強(qiáng)度低，許用溫度也較低(不高于150℃)，一旦潤滑條件不正常，軸承極易燒損，同時它的抗壓強(qiáng)度也不夠高，承受高轉(zhuǎn)速重負(fù)荷時易于損壞。由于錫較貴，條件允許的情況下，采用鉛基軸承代替錫基軸承合金。

4　鉛基軸承合金的滑動軸承

鉛基軸承合金也是一種軟基體硬質(zhì)點類型的軸承合金，加入銻、錫、銅等合金元素組成的合金。鉛基軸承合金的強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)熱性和耐蝕性均比錫基軸承合金低，而且摩擦因數(shù)較大，但價格便宜。適合于制造中、低載荷的軸瓦，如汽車、拖拉機(jī)曲軸軸承、鐵路車輛軸承等。常用的鉛基軸承合金中軟基體是銻溶入鉛形成的固溶體(即α固溶體)和以化合物SnSb為基的含鉛固溶體(即β固溶體)所組成的共晶體( 即α＋β共晶體)。硬質(zhì)點是化合物SnSb和Cu3Sn。鉛基軸承合金的硬度、強(qiáng)度、韌性都比錫基軸承合金低，但摩檫系數(shù)較大，價格較便宜，鑄造性能好。鉛銻系的鉛基軸承合金應(yīng)用廣，常用于制造承受低速、低負(fù)荷的軸承合金使用。如汽車、拖拉機(jī)的曲軸、連桿軸承及電動機(jī)軸承，但其工作溫度不能超過120℃。鉛基、錫基巴氏合金的強(qiáng)度都較低，需要把它鑲鑄在鋼的軸瓦(一般用08鋼沖壓成型)上，形成薄而均勻的內(nèi)襯，才能發(fā)揮作用。這種工藝稱為掛襯。

5　鋁基軸承合金的滑動軸承

隨著汽車發(fā)動機(jī)向高速、重載、增壓強(qiáng)化方向發(fā)展，軸承的工作條件更加惡化，因此，對軸承材料提出了更高的要求。鋁基軸承合金基本上具備了上述軸承合金的優(yōu)點，并彌補(bǔ)了它們的不足之處，因此，在汽車發(fā)動機(jī)上應(yīng)用日益增多。鋁基合金有鋁銻鎂合金、鋁錫合金和鋁硅合金。它們的抗壓強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度較高，導(dǎo)熱性和耐蝕性好，價廉，但其摩擦相容性、嵌入性和順應(yīng)性較差，廣泛用於內(nèi)燃機(jī)和壓縮機(jī)軸承。鋁基軸承合金是以鋁為基體加入銻、錫等合金元素所組成的合金，密度小，導(dǎo)熱性和耐蝕性好、疲勞強(qiáng)度高。這種合金的優(yōu)點是導(dǎo)熱性、耐蝕性、疲勞強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度均高，而且價格便宜。缺點是膨脹系數(shù)較大，抗咬合性差。目前以高錫鋁基軸承合金應(yīng)用廣泛。適合于制造高速(13m/s)、重載（3200MPa）的發(fā)動機(jī)軸承。常用牌號為ZAlSn6Cu1Ni1。

鋁基軸承合金是一種新型減摩材料，原料豐富，價格便宜，廣泛應(yīng)用于高速、重載下工作的汽車、拖拉機(jī)及柴油機(jī)軸承等。但它的線膨脹系數(shù)大，運(yùn)轉(zhuǎn)時容易與軸咬合使軸磨損，可通過提高軸頸硬度，加大軸承間隙和降低軸承和軸頸表面粗糙度值等辦法來解決。

6　銅基合金用作滑動軸承

滑動軸承材料的銅基合金主要有：以銅、銻為主要成分的黃銅；以銅、錫為主要成分的青銅；以及銅鉛合金(又稱鉛青銅)。銅基合金強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性和耐磨性好，允許工作溫度比巴氏合金高，但順應(yīng)性、嵌入性和摩擦相容性都不如巴氏合金，可用作軸瓦或軸承襯材料。常用的含錫、磷的錫青銅，適用於中速重載或受沖擊載荷的軸承；含錫、鋅、鉛的錫青銅，適用於中速中載的軸承；鉛青銅承載能力大、疲勞強(qiáng)度高，適用於速度較高、受沖擊載荷的軸承；鋁青銅強(qiáng)度很高、耐蝕性好，適用於低速重載軸承。黃銅性能一般不如青銅，但價廉、主要用於低速軸承，但含錳、硅的黃銅性能優(yōu)於錫青銅。某些青銅又可制造軸承，故稱為銅基軸承合金，如錫青銅、鋁青銅、鉛青銅和銻青銅等。與巴氏合金相比，具有高的疲勞強(qiáng)度和承載能力，優(yōu)良的耐磨性、導(dǎo)熱性和低的摩擦因數(shù)，因此可作為承受高載荷、高速度及高溫下工作的軸承。

7　多層軸承合金的滑動軸承

多層軸承合金是一種復(fù)合減磨材料。例如，將錫銻合金、鉛銻合金、銅鉛合金、鋁基合金等之一與低碳鋼帶一起軋制，復(fù)合而成雙金屬。為了進(jìn)一步改善順應(yīng)性、嵌鑲性及耐蝕性，可在雙層減磨合金表面上再鍍上一層軟而薄的鍍層，這就構(gòu)成了具有更好減磨性及耐磨性的三層減磨材料。這種多層合金的特點都是利用增加鋼背和減少減摩合金層的厚度以提高疲勞強(qiáng)度，采用鍍層來提高表面性能。

8　結(jié)束語

總之，軸承合金的結(jié)構(gòu)組織是在軟相基體上均勻分布著硬相質(zhì)點，或硬相基體上均勻分布著軟相質(zhì)點。軸承合金應(yīng)具有良好的耐磨性能和減磨性能；有一定的抗壓強(qiáng)度和硬度，有足夠的疲勞強(qiáng)度和承載能力；塑性和沖擊韌性良好；具有良好的抗咬合性；良好的順應(yīng)性；好的嵌鑲性；要有良好的導(dǎo)熱性、耐蝕性和小的熱膨脹系數(shù)。軸承材料，要求與軸表面的摩擦因數(shù)小，軸頸的磨損少，而能承受足夠大的比壓、脹系數(shù)小、良好的耐腐蝕等。對于一般性能的發(fā)動機(jī)，用高錫鋁合金制成的軸瓦，具有很高的性能價格比。因此它成了內(nèi)燃機(jī)軸瓦的主要材料之一。隨著科學(xué)技術(shù)和汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代發(fā)動機(jī)的設(shè)計向“高速、高壓、大功率、低能耗”的方向發(fā)展，科研人員將微納米技術(shù)應(yīng)用在特種減摩合金材料領(lǐng)域，先后開發(fā)出了為滿足某些單項性能有特殊需求的微晶合金材料，特種微晶軸承材料不僅填補(bǔ)了減摩材料國內(nèi)的空白，而且從材料的單項性能方面保持了與世界微晶合金技術(shù)的同步發(fā)展。