李豐

（桂林航天工業(yè)學(xué)院，桂林 541004）

1 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)朝著高速、重載、增壓強(qiáng)化的方向發(fā)展，其動(dòng)力性提高了67%以上[1],發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸、連桿將承受更高的載荷，與主軸、連桿配套的軸瓦需要具備更高的承載能力。在軸瓦材料的生產(chǎn)工藝中，通過(guò)軋制將低碳鋼板和軸承合金冷軋鋼結(jié)成“鋼+軸承合金”的雙金屬軸瓦材料；通過(guò)電鍍、等離子噴涂形式在雙金屬基礎(chǔ)上加上涂層，形成“鋼+軸承合金+涂層”三金屬軸瓦材料。軸瓦材料本身的性能、軸瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸瓦的加工精度、裝配質(zhì)量、潤(rùn)滑油質(zhì)量都是影響發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)軸承運(yùn)行質(zhì)量和壽命的主要因素，其中最核心、最本質(zhì)的因素來(lái)自于軸瓦材料的功能層合金性能。

目前，國(guó)內(nèi)軸瓦生產(chǎn)企業(yè)與軸瓦材料生產(chǎn)企業(yè)在技術(shù)開(kāi)發(fā)“一體化”方面的合作不夠緊密，在軸瓦材料方面的技術(shù)開(kāi)發(fā)合作比較少，沒(méi)有建立有效的技術(shù)信息互通、資源共享的合作機(jī)制，導(dǎo)致我國(guó)在軸瓦材料方面的研發(fā)能力較弱。國(guó)內(nèi)軸瓦材料的功能層合金基本參照歐美的牌號(hào)，軸瓦的技術(shù)開(kāi)發(fā)主要集中在生產(chǎn)工藝優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工精度提升方面。軸瓦功能層鋁基合金材料主要有Al-Sn合金、Al-Pb 合金、Al-Si 合金、Al-Zn 合金、Al-Bi 合金。我國(guó)引入技術(shù)最早、使用最廣泛、生產(chǎn)工藝最穩(wěn)定、應(yīng)用最成熟的是高錫系列的AlSn20Cu。Al?Sn20Cu（相當(dāng)于SAE783），這種軸承合金Sn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%～22%、Cu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%～1.3%，含微量的Fe、Si、Mn 等元素，成材后的合金硬度在23～35 HB，疲勞強(qiáng)度在90～95 MPa 之間。AlSn20Cu 軸承合金有著優(yōu)越的耐磨性、順應(yīng)性、嵌入性以及很強(qiáng)的抗咬合能力，但其抗疲勞能力較弱。找到一種既具備高疲勞強(qiáng)度又不犧牲滑動(dòng)軸承其它功能特性，同時(shí)又滿足工業(yè)去鉛化環(huán)保要求、具備產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)條件的合金材料，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的發(fā)展是十分有意義的。以此為出發(fā)點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)一種新型高強(qiáng)度鋁基滑動(dòng)軸承合金，對(duì)該合金的成份構(gòu)成進(jìn)行研究，對(duì)其生產(chǎn)工藝展開(kāi)試驗(yàn)，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

2 高強(qiáng)度鋁基滑動(dòng)軸承材料設(shè)計(jì)

2.1 材料設(shè)計(jì)原則

a.圍繞抗疲勞、耐高溫、耐磨、抗咬合、嵌鑲性、順應(yīng)性、耐腐蝕展開(kāi)規(guī)劃[2]。

b.發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦工作時(shí)承受交變載荷，既要傳送力又要承擔(dān)很高的表面速度，要求軸瓦合金結(jié)構(gòu)上必須有軟質(zhì)元素來(lái)提供運(yùn)行特性，同時(shí)必須有硬質(zhì)成份來(lái)保障其耐磨性和疲勞強(qiáng)度,通過(guò)多級(jí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化合金整體性能[3]。

c.不能選取對(duì)環(huán)境造成污染的重金屬，必須滿足工業(yè)“去鉛化”的要求。

d.鋁基軸承合金材料中軟質(zhì)元素必須具備低熔點(diǎn)（相對(duì)于鋁基）、流動(dòng)性好、易熔焊、加工塑性好的性能特點(diǎn)。

e.軟質(zhì)元素的含量控制既要達(dá)到提高合金強(qiáng)度的要求，同時(shí)又不犧牲合金的摩擦學(xué)性能，即滿足包晶的需要又不至于產(chǎn)生大量的富軟質(zhì)金屬物質(zhì)[4]。

f.合金中加入改性元素，一是改善力學(xué)性能，二是改善組織結(jié)構(gòu)[5-7]。

g.簡(jiǎn)化鋁基滑動(dòng)軸承合金材料的結(jié)構(gòu)，去掉純鋁過(guò)渡層，以提高軸瓦的加工精度。

h.材料的結(jié)構(gòu)也是影響其性能的重要方面，取消軸承合金與背襯層中間的純Al 過(guò)渡層，那么就需要將軟質(zhì)元素含量控制在一定的范圍內(nèi),避免在熱處理過(guò)程中因軟質(zhì)元素熔融而導(dǎo)致軸承合金層與鋼背層結(jié)合強(qiáng)度降低。

i.將新材料試驗(yàn)研究與生產(chǎn)相融合。

試驗(yàn)研究的條件依托于合作企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)施，在既有研究條件下開(kāi)展工藝設(shè)計(jì)試驗(yàn)是本研究取得成功的關(guān)鍵因素，同時(shí)，試驗(yàn)研究成果產(chǎn)業(yè)化是本項(xiàng)目的初衷。

2.2 材料成份

根據(jù)高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦工況要求，將本研究的高強(qiáng)度鋁基滑動(dòng)軸承合金名義構(gòu)成定義為Al?Sn8Zn2Si1.5Cu1,成份質(zhì)量控制范圍見(jiàn)表1。

表1 AlSn8Zn2Cu1.5Si合金化學(xué)成份控制標(biāo)準(zhǔn)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.3 原材料規(guī)格

a.合金原材料牌號(hào)：Al99.5、ZA-35、Sn99.9、Cu-1、ZL108；

b.鋼背層原材料牌號(hào)：SPHC。

3 AlSn8Zn2Si1.5Cu1材料制備工藝研究

AlSn8Zn2Si1.5Cu1 材料制備工藝流程主要包含合金配置、合金熔煉、合金熱處理、合金表面處理、雙金屬?gòu)?fù)合、復(fù)合材料熱處理環(huán)節(jié)，詳細(xì)工藝步驟見(jiàn)圖1。

圖1 AlSn8Zn2Cu1.5Si材料制備工藝流程

3.1 材料制備中使用到的主要設(shè)備

工頻化鋁電爐、雙面洗面機(jī)、75 kW 箱式熱處理爐、Φ300×700 軋機(jī)、120 kW 箱式熱處理爐、對(duì)滾剪床、龍門剪床、砂帶拋光機(jī)、Φ500×500 軋機(jī)、Φ360×400 軋機(jī)。

3.2 材料制備主要工藝研究

3.2.1 熔煉

各種原材料進(jìn)爐前必須保持干凈、干燥，先入鋁融化，熔體溫度700 ℃以后再加入其它合金。小含量元素以中間合金的形式加入。熔煉過(guò)程中需要通氮?dú)鈹嚢瑁?30 ℃熔煉過(guò)程中加入脫水ZnCl2精煉不少10 min。合金熔體需經(jīng)成分化驗(yàn)合格后方可澆注，合金澆注模需事先預(yù)熱。

注：合金熔煉過(guò)程中特別要注意所添加原材料及模腔不能含水，否則高溫熔體容易發(fā)生爆炸，危及人身安全。

3.2.2 合金軋制

采用Φ300×700 軋機(jī)，轉(zhuǎn)速為16～18 r/min，合金開(kāi)裂率（C）與壓下量(R)之間的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 AlSn8Zn2Cu1.5Si合金軋制工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù) %

從表2 數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論：

a.首次壓下量達(dá)到42%，合金板開(kāi)裂率超過(guò)15%，壓下量為36%時(shí)，合金開(kāi)裂率小于5%，之后開(kāi)裂率下降幅度較小。首次壓下量工藝參數(shù)設(shè)定為36%。

b.二次壓下量30%時(shí)，合金板板開(kāi)裂率超過(guò)7%，二次壓下量為27%時(shí)，合金開(kāi)裂率小于5%。二次軋制壓下量工藝參數(shù)設(shè)定為28%。

c.當(dāng)軋合金板總變形量達(dá)到52%或經(jīng)過(guò)2 次軋制后，必須進(jìn)行去應(yīng)力退火[8]。

3.2.3 合金熱處理

去應(yīng)力退火以合金表面不出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)錫珠為基準(zhǔn)，過(guò)高的溫度或過(guò)長(zhǎng)的保溫時(shí)間均可致使合金表面冒錫珠。經(jīng)驗(yàn)證，新合金退火溫度355 ℃、保溫時(shí)間2 h 為宜，AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金熱處理工藝見(jiàn)圖2。

圖2 AlSn8Zn2Cu1.5Si合金熱處理工藝

3.2.4 雙金屬軋制

本研究中的軋制（也稱冷壓焊接）指的是，采用軋機(jī)通過(guò)一定的壓力將AlSn8Zn2Cu1.5Si 試驗(yàn)合金與SPHC 2 種金屬軋結(jié)在一起，從而形成一種新型的軸瓦復(fù)合材料[9-10]。軋制是軸瓦材料制備中最重要的工藝，其基本原理如圖3 所示。

圖3 軋制原理示意

被軋制材料在2 個(gè)軋輥間運(yùn)動(dòng)，2 個(gè)軋輥的運(yùn)動(dòng)方向相反，材料在這種運(yùn)動(dòng)中減薄、變長(zhǎng)。

在新材料軋制試驗(yàn)中，當(dāng)壓下量Δh小于36%時(shí)，雙金屬容易出現(xiàn)開(kāi)殼、分層現(xiàn)象；當(dāng)壓下量Δh大于45%時(shí)，合金表面容易出現(xiàn)波紋、爛邊，復(fù)合板鐮刀彎曲嚴(yán)重的情況，經(jīng)試驗(yàn)確定表3 所示的冷壓焊接工藝參數(shù)及工序質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表3 新材料軋制工藝參數(shù)

3.2.5 軸承材料熱處理

合金與鋼板軋結(jié)后，雙金屬鋼帶需要進(jìn)行去應(yīng)力及組織均勻化退火處理，退火溫度260 ℃，保溫時(shí)間6 h，且必須隨爐冷卻[11]，成品熱處理工藝如圖4 所示。

圖4 軸承材料熱處理工藝

4 AlSn8Zn2Si1.5Cu1合金軸承材料性能

4.1 高溫性能測(cè)試

為驗(yàn)證AlSn8Zn2Cu1.5Si 軸承合金材料的耐高溫性能，將它與高錫AlSn20Cu 合金、中錫Al?Sn8Si3Pb2Cu、低錫合金AlSn6CuNi 分別制作成規(guī)格的2.5+0.10-0.07×36×180 材料，測(cè)試溫度范圍為常溫～錫熔點(diǎn)（231.93 ℃）之間，設(shè)定7 組測(cè)溫點(diǎn)，同爐保溫，每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)恒溫15 min 后進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果比較如圖5 所示。

圖5 合金層硬度與溫度的變化關(guān)系

由圖5 可知：AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金有著優(yōu)于其它3 種合金的性能；90～210 ℃區(qū)間，隨溫度的升高硬度下降比較平緩，說(shuō)明其具備良好的高溫性能。

4.2 合金的組織分布

將熱處理后的AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金軸承材料樣品切片，研磨后其組織表面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 樣品拋光后的表面結(jié)構(gòu)

從AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金層相圖來(lái)看，鋁基體上彌散分布著MgZn2、CuAl2、Al2Mg3Zn3、鋁鋅固溶體[12]、共晶硅硬質(zhì)相，且分布較為均勻，這種組織結(jié)構(gòu)為材料的強(qiáng)度及其摩擦性能提供了良好的保障[13]。

4.3 抗疲勞試驗(yàn)

4.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

a.試驗(yàn)原理。

根據(jù)高速高載下軸瓦的運(yùn)行環(huán)境，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度軸瓦疲勞測(cè)試平臺(tái)，將AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金軸承材料制作成與疲勞測(cè)試機(jī)相匹配的半圓軸瓦。

軸瓦疲勞試驗(yàn)機(jī)裝置[13]見(jiàn)圖7。

圖7 疲勞試驗(yàn)裝置

b.試驗(yàn)條件。

試驗(yàn)環(huán)境越接近真實(shí)工況，試驗(yàn)結(jié)果越有價(jià)值，為達(dá)到真實(shí)模擬高速高載下軸瓦的運(yùn)行環(huán)境，對(duì)AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金試驗(yàn)瓦測(cè)試環(huán)境作如表4的設(shè)計(jì)。

表4 試驗(yàn)條件

4.3.2 疲勞試驗(yàn)

為保證AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金試驗(yàn)瓦測(cè)試達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求，將測(cè)試軸瓦寬度在標(biāo)準(zhǔn)瓦基礎(chǔ)上減小12.5 mm，使單位載荷量增加60%，試驗(yàn)條件下的最大負(fù)荷達(dá)到95 MPa 以上，最大摩擦功耗增加105%[15]，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)總體規(guī)劃如下。

a.徑向間隙≦0.05 mm，油膜厚度減少28%[16];

b.試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為120 h；

c.油溫115～130 ℃；

d.水溫100 ℃；

e.試驗(yàn)單周期工況設(shè)計(jì)見(jiàn)表6。

表6 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

4.3.3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)試驗(yàn)規(guī)劃，按設(shè)計(jì)完成全部試驗(yàn)內(nèi)容。試驗(yàn)結(jié)束后，拆瓦結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 合金摩擦面SEM圖

圖8 中，軸承合金未出現(xiàn)斷裂、合金層與鋼背層未出現(xiàn)剝落的現(xiàn)象，合金表面組織出現(xiàn)了小部分蝕坑、輕微脫皮，軸瓦合金表面的整體性保持較好，經(jīng)過(guò)120 h高強(qiáng)度測(cè)試后的軸瓦功能未失效。

5 結(jié)束語(yǔ)

AlSn8Zn2Cu1.5Si 是一種高強(qiáng)度鋁基滑動(dòng)軸承合金，它不僅滿足滑動(dòng)軸承的摩擦學(xué)性能同時(shí)還具備良好的高溫性能、抗疲勞性能，適用于制作高速、高載發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦。本研究和試驗(yàn)得到如下結(jié)論。

a.一種新型的高強(qiáng)度鋁基滑動(dòng)軸承合金，其成份名義構(gòu)成為AlSn8Zn2Cu1.5Si。

b.確定了AlSn8Zn2Cu1.5Si 軸承材料主要生產(chǎn)工藝。合金熔煉工藝，形成鋁熔體700 ℃后，再投入中間合金，730 ℃精煉不少于10 min；合金軋制首次壓下量36%、二次壓下量為28%；合金總變形量超過(guò)52%時(shí)，即需經(jīng)355 ℃保溫2 h 去應(yīng)力退火處理；雙金屬冷壓焊接時(shí)，△h 應(yīng)控制在總厚度的38%～42%之間；復(fù)合材料成型后，需要進(jìn)行260 ℃保溫6 h 熱處理。

c.因加入了Zn、Cu、Si 和Mg，極大地改善了合金的性能，MgZn2、CuAl2、Al2Mg3Zn3、共晶硅、鋁鋅固溶體硬質(zhì)相顯著提高材料的強(qiáng)度及耐磨性。彌散分布的共晶硅，使得該合金在與球鐵曲軸配對(duì)時(shí)的抗咬合能力較高錫合金更為突出。

d.AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金與SPHC 之間不需要純鋁過(guò)渡層，可直接進(jìn)行冷壓焊接。

e.AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金硬度比高錫合金平均高27.3%，且高溫下的性能更加穩(wěn)定。

f.合金表面無(wú)需電鍍，軸瓦尺寸控制更加精準(zhǔn)，適合于小間隙運(yùn)轉(zhuǎn)，油膜減薄且均勻，軸瓦運(yùn)行環(huán)境更加優(yōu)良，軸瓦的使用壽命更長(zhǎng)。

g.高強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，AlSn8Zn2Cu1.5Si 合金與SPHC 粘接強(qiáng)度很高，疲勞強(qiáng)度比高錫合金高60%，可用于制作高速高載發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿瓦及主軸瓦。