林福東，黃 平，尹延國(guó)

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第43研究所，合肥230088；2.合肥工業(yè)大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，合肥230009)

鉛具有質(zhì)軟易變形、熔點(diǎn)低、跑合性能佳、邊界潤(rùn)滑性能好以及價(jià)格低廉等特性，工作過(guò)程中，低熔點(diǎn)的組元鉛受局部接觸摩擦熱的作用會(huì)向表面滲出、轉(zhuǎn)移，降低接觸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度，能夠提高材料的抗粘著性、抗卡滯能力，降低摩擦阻力和摩擦溫升[1?3]。然而，由于鉛在生產(chǎn)、電鍍過(guò)程中的污染及軸瓦廢棄后產(chǎn)生的二次污染，對(duì)環(huán)境和人體健康造成了巨大的危害[4?6]。隨著近年來(lái)人類對(duì)自身健康、環(huán)境保護(hù)要求的重視，國(guó)內(nèi)外汽車排放和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺(tái)，對(duì)汽車材料的環(huán)保性能提出了越來(lái)越高的要求，滑動(dòng)軸承材料的無(wú)鉛化勢(shì)在必行[7-9]。研究表明無(wú)毒低熔點(diǎn)金屬元素鉍具有與鉛類似的減摩、抗粘著等特性，是最有可能取代銅基軸承材料中鉛的綠色金屬元素之一[3,7?10]。林福東等采用常規(guī)粉末冶金方法制備了含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鉍的無(wú)鉛含鉍銅?鋼雙金屬軸承材料，在邊界潤(rùn)滑條件下進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)，分析了鉍含量對(duì)其減摩、抗粘著性能及承載能力的影響，并與典型銅鉛軸承材料(CuSn10Pb10)及銅錫合金(CuSn10)性能進(jìn)行了對(duì)比研究。研究結(jié)果表明：所制備的幾種含鉍銅-鋼雙金屬軸承材料減摩耐磨、抗粘著性能及承載能力均明顯優(yōu)于銅錫合金(CuSn10)，尤其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%的含鉍銅?鋼雙金屬軸承材料摩擦學(xué)性能接近或優(yōu)于銅鉛軸承材料(CuSn10Pb10)[11?12]。然而，目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)無(wú)鉛含鉍銅基軸承材料的研究還處于剛剛起步階段，尤其摩擦磨損性能及機(jī)理的研究至今還缺乏系統(tǒng)性。為此，本文采用粉末冶金方法制備無(wú)鉛含鉍銅?鋼雙金屬軸承材料(CuBi3Sn10),系統(tǒng)地研究其在不同載荷和摩擦速度下的減摩、耐磨性能及抗粘著機(jī)理，旨在拓寬無(wú)鉛銅鉍軸承材料的應(yīng)用范圍和為研制開(kāi)發(fā)新型高性能材料提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料的制備

實(shí)驗(yàn)材料為CuBi3.0Sn10合金，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：87Cu,3.0Bi,10Sn。將混合好的銅鉍錫合金粉鋪覆在厚度為1.75 mm的冷軋鍍銅低碳鋼板上，鋪粉厚度約為0.8 mm，在WDL-9000高溫網(wǎng)帶燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，采用分解氨作為(N2,H2)保護(hù)氣氛，燒結(jié)氣氛的主要作用是控制合金粉末與環(huán)境之間的化學(xué)反應(yīng)，可以起到還原粉末顆粒表面的氧化膜、促進(jìn)燒結(jié)、防止材料進(jìn)一步氧化的作用[11?12]。燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間分別為初燒溫度850～880℃，保溫時(shí)間15～20 min；燒結(jié)后的板材進(jìn)行初次軋制且軋制余量為0.20～0.30 mm；再在同樣的燒結(jié)氣氛下進(jìn)行二次燒結(jié)，復(fù)燒結(jié)溫度為820～860℃，高溫區(qū)保溫時(shí)間為15～20 min，再對(duì)復(fù)燒后的板材進(jìn)行復(fù)扎而得最終樣品，復(fù)扎余量為0.05～0.08 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

摩擦磨損試驗(yàn)在HDM-20型端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。待測(cè)試樣為圓形雙金屬板材，其尺寸為直徑53 mm、厚度2.35 mm；對(duì)偶磨環(huán)材料為淬火45#鋼，硬度為47～53HRC，其表面接觸尺寸為內(nèi)徑16 mm、外徑24 mm；試驗(yàn)條件為：浸油潤(rùn)滑，其加載方式分為2種形式：①定載荷變速度時(shí)，載荷固定為1 200 N，上試樣轉(zhuǎn)速分別為382、573、764、955和1 146 r/min，對(duì)應(yīng)的摩擦線速度分別為0.4、0.6、0.8、1.0以及1.2 m/s；②定速度變載荷時(shí)，固定速度為1.0 m/s，施加載荷分別為1 000、1 200、1 400、1 600和1 800 N，2種條件下的試驗(yàn)時(shí)間均為60 min；待測(cè)試樣和對(duì)偶件在試驗(yàn)前均用600#金相砂紙打磨拋光并用丙酮清洗；每個(gè)試驗(yàn)結(jié)果為3次平行試驗(yàn)結(jié)果的平均值，相鄰2次試驗(yàn)之間應(yīng)有足夠的時(shí)間間隔，以避免由于初始溫度的不同而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。用試樣磨痕深度表示材料的磨損程度，磨痕深度用表面輪廓儀測(cè)出。并用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡(SEM)及能譜儀(EDS)分析試樣的磨痕形貌及成分，探討其摩擦磨損性能及機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦速度對(duì)摩擦磨損性能的影響

圖1 摩擦速度對(duì)摩擦因數(shù)和磨損量的影響Fig.1 Effect of friction speed on friction coefficient and wear loss of lead-free copper-bismuth bearing material

圖2 摩擦速度對(duì)摩擦副表面溫度的影響Fig.2 Effect of friction speed on friction surface temperature of lead-free copper-bismuth bearing material

定載荷變速度條件下，無(wú)鉛銅鉍軸承材料摩擦副的平均摩擦因數(shù)、磨損量及樣品表層以下2 mm處溫度隨摩擦線速度的變化關(guān)系曲線分別如圖1和圖2所示?？梢?jiàn)，在摩擦速度較低的情況下，摩擦因數(shù)相對(duì)較高，隨摩擦速度的進(jìn)一步增加，銅鉍軸承材料的摩擦因數(shù)明顯降低，這表明在適宜的速度條件下無(wú)鉛銅鉍軸承材料能夠體現(xiàn)出更好的減摩、抗粘著性能；這是由于隨摩擦速度的變化，將會(huì)引起摩擦副表面產(chǎn)生的熱量和變形的變化而影響到摩擦表面的組織與性能，從而改變摩擦過(guò)程中摩擦表面間的相互作用和磨損機(jī)制，致使摩擦因數(shù)發(fā)生改變[13]。同時(shí)可以看出，銅鉍軸承材料的磨痕深度即磨損量隨摩擦速度的增加而逐漸增大，摩擦速度對(duì)磨損程度的影響主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先，在相同的時(shí)間內(nèi)，摩擦速度越快，磨損行程越長(zhǎng)，摩擦副表面所受的磨損程度越嚴(yán)重；其次，摩擦速度越快，摩擦副表面產(chǎn)生的摩擦熱越多，導(dǎo)致摩擦溫升越高(見(jiàn)圖2)，表層金屬軟化程度越大，磨痕表面越容易產(chǎn)生擦傷、粘著、撕裂等痕跡，因此其磨損量隨摩擦速度的提高而增加[11?13]。由圖2可見(jiàn)，銅鉍軸承材料摩擦副表面溫度也隨摩擦速度的增加而增大，這是因?yàn)槟Σ粮北砻鏈囟扰c摩擦速度的變化關(guān)系在于摩擦能量，摩擦能量與速度的平方成正比，摩擦速度越快，摩擦能耗越大，產(chǎn)生的摩擦熱越多[14]。

2.2 載荷對(duì)摩擦磨損性能的影響

摩擦線速度為1.0 m/s，載荷分別為1 000、1 200、1 400、1 600和1 800 N，摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)間為60 min條件下，無(wú)鉛銅鉍軸承材料的平均摩擦因數(shù)和磨損量隨載荷的變化關(guān)系曲線如圖3所示?？梢钥闯觯?dāng)載荷從1 000 N增加到1 400 N時(shí)，摩擦因數(shù)先隨載荷的增加而減小再隨載荷的增加而增加；而當(dāng)載荷從1 400 N增加到1 800 N時(shí)，摩擦因數(shù)隨載荷的增加而減小。總體來(lái)說(shuō)，載荷對(duì)銅鉍軸承材料摩擦因數(shù)的影響相對(duì)較小，這說(shuō)明載荷對(duì)銅鉍軸承材料減摩性能的影響相對(duì)較小。同時(shí)可見(jiàn)，銅鉍軸承材料的磨損量隨載荷的增大先減小后增大，且在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)載荷為1 200 N時(shí)，銅鉍軸承材料可以發(fā)揮最佳的減摩、耐磨性能。

圖3 載荷對(duì)摩擦因數(shù)和磨損量的影響Fig.3 Effect of load on friction coefficient and wear loss

2.3 磨痕表面形貌分析

圖4 載荷對(duì)無(wú)鉛銅鉍軸承材料磨痕表面形貌的影響Fig.4 Effect of load on wear worn surface morphologies of lead-free copper-bismuth bearing materials

定速度變載荷條件下，無(wú)鉛銅鉍軸承材料的磨痕表面形貌及其對(duì)應(yīng)的磨痕表面EDS能譜分析如圖4和圖5所示。可以看出，載荷為1 000 N時(shí)，無(wú)鉛銅鉍軸承材料的磨痕表面存在明顯的犁溝、粘著剝落坑，如圖4(a)所示。由圖5(a)可見(jiàn)，磨痕表面存在明顯的鐵能量峰，EDS半定量檢測(cè)結(jié)果表明其磨痕表面的鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.69%，明顯高于另外幾種載荷條件下銅鉍軸承材料磨痕表面鐵元素的含量(見(jiàn)表1)。顯然，磨痕表面大量的鐵元素是從對(duì)磨件上轉(zhuǎn)移來(lái)的，表明此時(shí)磨痕表面已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的粘著磨損。一方面，這是由于上下試樣組成的摩擦副始終處于緊密接觸狀態(tài)，導(dǎo)致摩擦副表面難以形成完整的潤(rùn)滑油膜，局部區(qū)域直接接觸不可避免；另一方面，摩擦速度越小摩擦副表面平均溫度越低，導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中鉍從基體中的析出量相對(duì)較少，局部區(qū)域因鉍滲出而避免粘著、撕裂發(fā)生的幾率減小，使無(wú)鉛銅鉍軸承材料更容易發(fā)生粘著磨損，導(dǎo)致磨痕表面鐵元素含量相對(duì)較高[12]。由圖4(b)可見(jiàn)，載荷為1 200 N時(shí)，無(wú)鉛銅鉍軸承材料的磨痕表面形貌相對(duì)比較平整、光滑，粘著磨損程度輕微，這與摩擦因數(shù)及磨損量檢測(cè)結(jié)果基本對(duì)應(yīng)，即在適當(dāng)?shù)妮d荷條件下，鉍的加入有利于改善無(wú)鉛銅鉍軸承材料摩擦副的潤(rùn)滑狀態(tài)，減輕摩擦副的磨損。由圖4(c)，可見(jiàn)，載荷為1 400時(shí)，無(wú)鉛銅鉍軸承材料磨痕表面同樣存在粗大的犁溝，但粘著磨損程度較圖4(a)的磨痕表面輕微，從其磨痕表面EDS圖譜檢測(cè)結(jié)果中出現(xiàn)了明顯的鐵、氧、碳能量峰，如圖5(c)所示。表明此時(shí)磨痕表面不僅發(fā)生了嚴(yán)重的粘著磨損，還伴隨著一定程度的氧化磨損。由圖4(d)可見(jiàn)，載荷為1 800時(shí)，無(wú)鉛銅鉍軸承材料的磨痕表面存在大面積的粘著剝落坑，磨損程度劇烈。這是由于載荷越大，摩擦副表面產(chǎn)生的摩擦熱量越多，摩擦溫度越高，表面金屬軟化程度越大，表面潤(rùn)滑膜破損也越嚴(yán)重，摩擦副表面越容易擦傷且裸露的新鮮金屬表面越易氧化[13]。EDS圖譜檢測(cè)表明其磨痕表面的鐵元素和氧元素含量分別高達(dá)17.99%和15.84%。然而，由定速度變載荷條件下的磨痕表面化學(xué)成分EDS檢測(cè)結(jié)果可知，所有的磨痕表面均未發(fā)現(xiàn)鉍元素存在，這可能是由于銅鉍合金基體本身的鉍含量較低，加之鉍相對(duì)鉛較脆、延展性也比鉛稍差，導(dǎo)致磨痕表層的鉍易于剝落；同時(shí)，EDS圖譜分析結(jié)果本身是半定量的，具有一定的分析誤差，摩擦過(guò)程中物質(zhì)的遷移和測(cè)定區(qū)域的隨機(jī)性等因素也有一定的影響，總之原因還有待于進(jìn)一步研究。

圖5 無(wú)鉛銅?鉍軸承材料磨痕表面EDS圖譜分析Fig.5 Worn surface EDS analysis for bearing material with different applied loads

表1 不同載荷條件下磨痕表面EDS分析Table 1 EDS analysis of worn surface under different loads(mass fraction,%)

圖6顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)偶件的磨痕表面形貌和化學(xué)成分分析，其對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件為載荷1 200 N、速度1.0 m/s及浸油潤(rùn)滑?？梢?jiàn)，磨痕表面相對(duì)較為光滑，僅呈現(xiàn)輕微的磨粒磨損、粘著磨損。其EDS圖譜檢測(cè)中不僅發(fā)現(xiàn)了明顯的鐵能量峰，還有較弱的錳、銅能量峰，但未檢測(cè)到鉍的能量峰，這表明對(duì)偶件的磨痕表面也并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)低熔點(diǎn)組元鉍轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。

圖6 對(duì)偶件磨損表面SEM照片及對(duì)應(yīng)的EDS分析Fig.6 SEM image of the counterpart worn surface and the corresponding worn surface EDS analysis

通過(guò)上述對(duì)定速變載荷條件下試樣及對(duì)偶件磨痕表面的EDS分析，可見(jiàn)磨痕表面均難以發(fā)現(xiàn)鉍元素存在。為了證實(shí)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在鉍的析出、熔化現(xiàn)象，觀察和分析較低載荷(600 N)、較低速度(0.4 m/s)及實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短(20 min)條件下，銅鉍軸承材料磨痕表面形貌及對(duì)應(yīng)的DES圖譜，結(jié)果如圖7所示，由圖可見(jiàn)，磨痕表面出現(xiàn)了明顯的鉍能量峰，這充分表明低速、低載荷條件下的實(shí)驗(yàn)初期磨痕表面確實(shí)存在鉍元素的析出。然而，由于鉍較鉛脆、延展性也比鉛稍差，鉍在摩擦磨損過(guò)程中更容易從磨痕表面脫落，當(dāng)磨損程度較大時(shí)，導(dǎo)致鉍從其磨痕表面脫落，使摩擦副磨痕表面難以發(fā)現(xiàn)鉍元素存在。鉍從表面脫落后，仍由潤(rùn)滑油起主導(dǎo)潤(rùn)滑減摩作用，同時(shí)在摩擦運(yùn)行過(guò)程中，仍有少量鉍不斷從局部接觸區(qū)域析出、熔化，起著較好的協(xié)同減摩、抗粘著作用，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在鉍的“析出—剪切—脫落”的循環(huán)過(guò)程，從而導(dǎo)致軸承材料的減摩、抗粘著性能變差，可靠性降低。

圖7 CuBi3.0Sn10材料在0.4 m/s、600 N、20 min后的磨損表面SEM照片及對(duì)應(yīng)的EDS分析Fig.7 SEM image of worn surface of CuBi3.0Sn10 after 20 min wear test under 0.4 m/s,600 N,and the corresponding worn surface EDS analysis

3 結(jié)論

1)銅鉍軸承材料的摩擦因數(shù)隨摩擦速度、載荷的增加而減小，其磨損量、摩擦副表面溫度均隨速度、載荷的增加而增大。

2)摩擦磨損過(guò)程中析出表面的鉍起著較好的減摩、抗粘著作用，當(dāng)載荷較低、磨損程度輕微時(shí)，熔化、滲出的鉍保留在磨痕表面。

3)由于鉍較鉛脆、延展性也比鉛稍差，鉍在摩擦磨損過(guò)程中更容易從磨痕表面脫落，導(dǎo)致磨損程度較大時(shí)，磨痕表面難以發(fā)現(xiàn)鉍元素存在，但整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中均存在鉍的析出、熔化、磨損脫落的循環(huán)過(guò)程。

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