楊志華

（福建龍溪軸承（集團）股份有限公司，福建 漳州 363000）

車用發(fā)動機渦輪增壓器止推軸承材料有鐵合金、銅合金、粉末冶金銅合金和粉末冶金多層材料，但銅基材料強度高、耐磨性能好、摩擦因數(shù)小等優(yōu)點被廣泛應用。現(xiàn)有增壓器止推軸承主要兩類材料牌號為：粉末冶金單層結構的FQSn663 材料和雙金屬雙層結構的CuSn10Pb10 材料。

在發(fā)動機啟停轉由于潤滑油滯后，止推軸承工作摩擦為邊界摩擦甚至干摩擦；圖1 為止推軸承與對偶工件（軸封和定套）以帶有油楔面形式接觸，當轉子軸轉動帶動定套將潤滑油帶入摩擦接觸表面（油楔面），由于黏性潤滑油經(jīng)過油道油孔帶入摩擦表面的油楔面楔形間隙內形成流體動壓效應，當潤滑油內壓力與止推軸承軸向力平衡時，摩擦工件間形成穩(wěn)定潤滑油膜，實現(xiàn)動壓液體潤滑。

圖1 止推軸承和對偶工件摩擦副

止推軸承發(fā)生邊界摩擦和干摩擦，易發(fā)生材料失效。高速旋轉時材料離心拉伸和高溫蠕變，軸承徑向間隙和軸向載荷變大也易導致材料整體斷裂。圖2 為FQSn663 材料采用粉末冶金模壓成型工藝制備止推軸承的三包返廠損壞件，可以看到明顯斷裂及磨損失效特征。

現(xiàn)階段止推軸承材料含鉛對人體和環(huán)境有危害，各國陸續(xù)限制鉛及其化合物使用，無鉛化止推軸承為發(fā)展主導[1-2]。伴隨發(fā)動機排放標準升級，柴油機向功率大、轉速高、載荷高發(fā)展，客戶需求承受高轉速和軸向竄動等的止推軸承，該文在FQSn663 和CuSn10Pb10 止推軸承材料的基礎上，開發(fā)雙金屬自潤滑CuSn6.5P0.1 無鉛止推軸承，并對3 種材料摩擦磨損性能進行對比研究。

1 試驗

1.1 原材料參數(shù)和成分設計

該文設計了CuSn6.5P0.1 雙金屬材料，并與FQSn663、CuSn10Pb10 兩種常用材料對比，具體成分設計見表1，主要技術參數(shù)見表2。

表1 3 種材料的成分和技術參數(shù)（wt．%）

1.2 制備工藝

FQSn663 材料采用粉末冶金模壓成型來制備，其工藝為：原材料粉末預合金化→粉末配料→粉末混料→粉末模壓→毛坯燒結→毛坯整形→毛坯機加工。CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 雙金屬材料基材采用ST37 鋼背，提高整體材料承載能力和力學性能，工作面壓軋并燒結合金層，保留良好摩擦磨損性能；使材料具有較高力學性能、承載能力和高耐磨性，在少油無油條件下有優(yōu)異摩擦磨損性能。雙金屬材料在800℃～835℃進行預燒和復燒。其工藝為：混料→鋪粉→初燒→初軋→二燒→二軋→校平→毛坯機加工，以壓制量來調控壓軋成型中密度均勻分布性。

圖2 FQSn663 止推軸承三包返廠損壞件和損傷特征

1.3 力學性能檢測方法及設備

1.3.1 硬度

利用310HBS—3000 型布氏硬度計測表觀硬度。測量材料3 個位置硬度值，取平均值作為平均硬度。

1.3.2 密度和孔隙度

按國標GB5163—2006（燒結金屬測量的密度測定）對材料的密度和孔隙度進行測量。

1.3.3 金相分析

軸承材料上取樣鑲樣，在砂紙上按100 目逐級打磨至2000 目，用2.5 μm 金剛石拋光液拋光，用Leica-Q550 型金相顯微鏡觀察材料顯微組織。

1.4 摩擦磨損性能檢測方法及設備

按圖3（a）所示加工止推軸承材料成試樣，對偶材料選45 鋼，尺寸如圖3（b）所示。采用環(huán)-塊接觸方式，利用MM-W1B 型立式萬能摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損性能試驗。試驗機如圖3（c）所示，試驗條件見表2。

表2 摩擦試驗條件

2 物理、力學性能、組織和摩擦磨損性能與分析

2.1 密度

止推軸承在油狀態(tài)下工作，一定量油存儲孔隙中，在摩擦磨損中有效改善工件間潤滑。采用排水法對3 種材料密度檢測，各選取3 個樣品取平均值。由表3 可知，CuSn6.5P0.1和CuSn10Pb10 密度和理論致密度均高于FQSn663，因為FQSn663 用傳統(tǒng)模壓燒結，而CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 采用二次壓制二次燒結工藝，后者通過2 次燒結，更完全致密化，通過軋制塑形流變和物理擠壓明顯降低孔隙占比，致密度和密度均提高。

表3 3 種材料的密度檢測數(shù)據(jù)表

2.2 組織結構

圖4 為3 種材料低倍金相組織圖，組織中存在白色銅錫基體和黑色鉛相或孔隙構成色相。對比圖4（a）、圖4（b）和圖4（c），黑色鉛相在FQSn663、CuSn10Pb10 和CuSn6.5P0.1呈現(xiàn)逐漸遞減，根據(jù)材料鉛含量，鉛相體積比在FQSn663 中小于CuSn10Pb10，而黑色相占比高，因此多為孔隙，這與理論致密度結果相同。CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 理論致密度結果基本一致，說明CuSn10Pb10 組織黑色相中含較多鉛相。圖5 為3 種材料高倍金相組織圖?？煽闯?，CuSn10Pb10 和FQSn663 的黑色相中，填充鉛相均勻分布，而CuSn6.5P0.1 中無明顯黑色相填充。

圖3 摩擦磨損試驗尺寸圖和MM-W1B 型摩擦磨損試驗機

2.3 力學性能

表4 為3 種材料的硬度比較表?？芍捕戎鸩皆龃?，這同制備材料工藝、微觀組織結構和孔隙度密切相關，密度及致密度方面?zhèn)鹘y(tǒng)模壓燒結材料不及復壓復燒材料，其硬度最低，而CuSn10Pb10 含軟相鉛較多，硬度也低于CuSn6.5P0.1。

圖4 3 種材料的低倍金相組織圖

表4 3 種材料的硬度檢測數(shù)據(jù)表

圖6（a）和圖6（b）分別為3 種材料的抗拉強度及延伸率對比圖。CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 抗拉強度高于FQSn663 材料，這說明采用鋼背基材3 層雙金屬材料能提高軸承的抗拉強度50%以上。CuSn6.5P0.1 和CuSn10Pb10 材料延伸率遠高于粉末冶金FQSn663 材料，這是3 層雙金屬鋼背基材作用。

表5 為3 種材料橫向壓潰強度數(shù)據(jù)對比。結合止推軸承斷裂失效形式，提升橫向斷裂強度會降低斷裂失效可能，CuSn6.5P0.1 雙金屬材料抵抗斷裂能力極大提升，這是該論文材料設計的優(yōu)勢所在。

表5 3 種材料的橫向壓潰強度檢測數(shù)據(jù)表

圖6 3 種材料的抗拉強度和延伸率數(shù)據(jù)對比圖

2.4 低速低載干運轉試驗下，不同材料摩擦磨損性能對比研究

圖7 為低速（50 r/min）、低載（50 N）、干運轉條件下，3 種材料摩擦磨損曲線圖。摩擦因數(shù)方面，3 種材料均在0.15 ～0.20，平均摩擦因數(shù)CuSn6.5P0.1 的稍低。摩擦曲線平穩(wěn)性上，CuSn10Pb10 和FQSn663 較CuSn6.5P0.1 波動性強烈。

圖8 為對應圖7 試驗的磨痕外觀形貌，CuSn10Pb10和FQSn663 的表面存在少量黑色物質填充和少許犁溝，CuSn6.5P0.1 磨痕未見明顯犁溝形貌，較光亮。

圖7 3 種材料低速低載干運轉時摩擦磨損曲線

2.5 低速低載油潤滑條件下，不同自潤滑材料的摩擦磨損性能對比研究

圖9 為低速（50 r/min）、低載（50 N）、油潤滑條件下，3 種材料的摩擦磨損曲線圖。3 種材料平均摩擦因數(shù)維持在0.15 ～0.20，但磨合階段曲線特征CuSn10Pb10 和FQSn663較為明顯，而CuSn6.5P0.1 在磨合階段則無明顯曲線。三者呈現(xiàn)較為穩(wěn)定摩擦磨損曲線，相比之下CuSn10Pb10 的穩(wěn)定性最高。對比干摩擦和有油潤滑狀態(tài)的摩擦曲線可知，有油潤滑提高FQSn663 和CuSn10Pb10 摩擦穩(wěn)定性，而CuSn6.5P0.1在2 種狀態(tài)下均表現(xiàn)出穩(wěn)定摩擦磨損狀態(tài)。

圖10 為對應圖9 試驗條件下磨痕外觀形貌，3 種材料有相似磨痕形態(tài)，未有干磨擦狀態(tài)下形成的黑色物質，材料呈現(xiàn)原本金屬光澤。

圖9 3 種材料低速低載油潤滑時磨擦磨損曲線圖

圖10 3 種材料低速低載油潤滑時磨痕外觀形貌

3 結論

該文開發(fā)了渦輪增壓器止推軸承用CuSn6.5P0.1 無鉛雙金屬軸承材料，對比研究三者物理和力學性能、微觀組織結構以及摩擦磨損性能，所得主要結論如下：CuSn6.5P0.1 材料密度致密度高于用模壓成型FQSn663 材料；CuSn6.5P0.1材料的橫向壓潰強度、硬度和抗拉強度最高；低載低速條件下，在油潤滑和干運轉狀態(tài)下，三者摩擦因數(shù)接近，干運轉CuSn6.5P0.1 材料摩擦曲線較平穩(wěn)；油潤滑CuSn6.5P0.1 材料磨合階段無明顯曲線，表明在正常油潤滑條件下CuSn6.5P0.1材料摩擦磨損性能更為良好，能在渦輪增壓器止推軸承較好使用。