[科普中国]-铅基轴承合金

简介

锡和铅基巴氏合金是减摩性最好的轴承材料，然而由于它们强度较低，近年来在汽车发动机比功率日益提高的情况下，其使用量已愈来愈多地被铜铅和铝锡合金取代。

六十年代初，为解决国内市场锡的供应不足和降低材料成本，曾研制了铅基轴承合金CHPbSb 10-6代替锡基合金供生产汽车发动机轴瓦，尽管该合金比当时流行的苏联铅基合金COC 6-6疲劳强度高，但对于比压力超过13.7兆帕的轴承。仍然会发生过早疲劳剥落。所以七十年代以来国内研制的汽车发动机，多采用铜铅或铝锡合金的轴瓦。然而这两种合金走合性比巴氏合金差，要求匹配的轴颈硬度不低于HB300和较高加工精度，对机油滤清和更换周期的要求亦高，否则轴瓦易擦伤、轴颈过早磨损。此外，铜或铝合金轴瓦因材料热膨胀系数大，与轴颈的配合间隙通常要求比巴氏合金轴瓦大40-50%，不然在高转速时易发生抱轴或烧瓦，而在较低转速下由于轴承间隙大，发动机噪声亦增加。使用铝合金轴瓦还有加工性能差的问题，在车或撞削加工内表面时，光洁度难达到图纸要求，采用挤刮工艺则易使合金层表面形变硕化，导致显微裂纹。铝锡合金轴瓦手工刮削也比较困难，因而在设备条件较差的维修厂，往往不受欢迎。铜铅轴瓦国内尚无连续浇铸的双金属带利生产，采用离心浇铸则有比重偏析问题，一般只能做到25%以下含铅量的合金层，轴瓦的减摩性更差、与轴颈亦较难走合，所以往往需要在轴瓦内表面再镀一层铅锡合金1。

强韧化对策铅基轴承合金CHPbSb 10-6是针对苏联铅基合金COC6-6的不足，研究开发出来的。它具有铅合金特有的低弹性橄数值，但极限弧度高于COC 6-6，极限强度与弹性棋数比值亦高于后者。因而轴瓦在相同弹性应变下合金层中应力较低，而与极限强度成正比的抗疲劳强度又比COC 6-6高，所以抗疲劳剥落性能优越，可与锡基合金B91相当。二十多年来该合金的轴瓦配件在华东等地区解放牌汽车上得到普通使用。但巴氏合金毕竟是软基体中散布着硬质点的合金，所以疲劳强度在很大程度上受到墓体强度的限制，它是这类合金的共同弱点。一般巴氏合金层厚0.2-0.3毫米的轴瓦，载荷极限只13.7兆帕，若将轴瓦合金层减薄到0.06-0.125毫米，则承受的比压力可达16.7兆帕。显然，制造这样的轴瓦要求很高的加工水平和曲轴精度，在前的国内生产条件下是不可取的。

为了解决轴承合金减摩性能与抗疲劳强度的矛盾，历来有人做了不少工作。七十年代，自高锡铝合金Alsn2ocul得到推广后，国外曾研究将其中含锡量增至30-40%,这时轴瓦对轴劲的擦伤和承顺性以及对外来异物的嵌藏性虽有了改替，但合金层的疲劳强度有所下降、与钢背的结合能力亦降低。因为铃防碍了铝与钢的咬合，使双金属带的轧制变得困难。迄今这种含锡量高达30%以上的铝合金轴瓦，尚未见在汽车发动机中大量使用。

铅合金CHPbsb10-6为铅-锑-锡三元亚共晶合金，铸态下的组织为铅固溶体中散布着二元和三元共晶析出相。二元共晶为a-Pb和金属间化合物SbSn，三元共晶由二元共晶再加锑析出相组成。SbSn和锑相硕度较高但脆，所以轴瓦金相中只容许它们以细小点块状均匀散布在a-Pb基体中。铅固溶体常以树技状的初晶体出现，轴瓦的疲劳裂纹往往在这些强度低的枝品中萌发，为此要尽量减少铅固溶体枝晶在受力截面中的比份，但是靠提高锑、锡含量来增加共晶组分的比例会降低合金塑韧性。因此，生产中对轴瓦浇注合金后采取快速冷却的措施以获得尽可能细小的枝晶来减少其不利影响。

为了提高上述合金的强度而又不降低韧性，除避免树枝状晶体出现外应使铅固溶体进一步强化，其次要使硬质中间相细化并均匀分散析出。通过调整合金元素组成，获得了较理想的金相组织。主要是添加了铜、砷、镍和镉等元素，起了强化基体、改变中间相组成及形态和细化程度的作用2。

铅基轴承合金轴瓦的铸造铅基轴承合金制造轴瓦的工艺方法也很简单，有能力制造锡基轴瓦条件的单位均能制造铅基轴瓦，但浇注温度要高于锡基合金60-100℃。为了使轴承合金与钢壳粘合牢固，在合金与钢壳交界处镀上一层锡，使之形成一层互相渗透的过渡区（FeSn，FeSn2），促使巴氏合金与钢壳牢固的粘合。试制阶段曾用挂纯锡来浇注铅基巴氏合金轴瓦，效果不佳，后用焊锡（60%Sn，40%Pb）。挂锡之前对钢壳内孔清洁度要求是极其严格的，不能有油污，氧化物。我厂对批量小的轴瓦一律采用“低速无氧化切削”代替碱，酸化学清价工艺，方法是：钢背粗加工后，内孔留有0.5mm加工余量，在浇注前两个小时之内，在车床上将内孔进行车削加工，转速约120转/分，进刀量约0.9mm，吃车深度0.5mm。车削之前，所用的刀具、量具、夹具要用碱洗去除油污，车削时不准加润滑油或冷却液，经低速加工后的钢背内表面绝对禁止接触任何东西，更不能用手摸。这种简单而实用的工艺方法是上海动力机厂的创造，六十年代中期，曾用这种工艺方法铸造了大量的巴氏合金轴瓦，从巴氏合金与钢背粘合砖强度要求来看，此工艺是值得推广的。经低速切肖。力口工过的钢背应很快刷上ZnCl2溶液并予雄然后浸入300-320℃的焊锡铸铁坩埚内，待焊锡液停止冒泡时可取出装上法蓝盘进行离心铸造。经镀过锡的钢背内表面应呈银白色，焊锡液能在整个内表面流动。如果出现淡蓝色、黄色这说明锡液温度过高，由于锡液温度高而造成液面氧化膜多。应严格控制炉温。如果内表面出现黑色斑点，这是由于清洁不彻底所致，要用刮刀除去氧化物，重新刷ZnCl2进行第二次镀锡。涂刷ZnCl2溶剂的作用是消除钢背内表面的氧化膜。自制溶剂是将金属锌投入工业用盐酸里，待反应终止，即饱和状态，去掉液体ZnCl2表面的氧化渣即可使用，从实践看米，自配ZnCl2溶液的使用效果较佳。为了使巴氏合金与钢背之间结合牢固，最理想的情况是在结合面形成一层连续的、成分逐渐变化的过渡层合金Sn与Fe形成FeSn或FeSn2。当青铜作瓦背时Sn与Cu形成Cu6Sn3或Cu3Sn化合物。所有化合物均具有很大的硬脆性，巴氏合金就是依靠这些化合物体作为过渡层与钢背粘合在一起，过渡层不宜太厚，否则要影响粘合强度。锡液温度低是造成过渡层厚的原因之一，镀锡层应该是薄而均匀的。

铅基巴氏合金铸造性能与结晶温度范围有密切关系，而结晶温度范围是由合金里含Cu量来决定的，如果添加0.1%Cu的合金，其固相线升高6℃，这是因为Cu量的增加，使合金液开始析出Cu6Sn5的温度提高而造成的。合金在第一阶段结晶时首先析出初生晶体，随着温度降低，初生晶体不断成长而且数量不断增多。由于初生晶体与母液的比重差，将使合金产生比重偏析。如果在缓慢冷却的倩况下，合金产生比重偏析更为严重，合金结、晶温度范围愈大，这种合金偏析愈明显。因此，为了获得细小均匀的初生晶体，在合金浇注后，待合金液温度降至液相线温度时，就可采用水气混合冷却钢背或用水强制冷却在30℃/S-80℃/S的冷却速度下结晶。应考滤顺序凝固的条件，合理的凝固方向应由钢背开始，然后沿着垂直于钢背的方向逐渐向合金液内部推移，这样能保证粘合质量。使得靠近工作层的合金组织细化，均匀，避免了气孔，疏松、夹渣等缺陷。

用铅基巴氏合金铸造轴瓦工艺并不复杂，但铅熔化后即有铅烟散发在空中，很快又凝聚成白色烟雾状的气溶胶，熔化温度越高，挥发量就越大。铅烟尘既是化学性毒物又是物理性毒物，通过呼吸道、皮肤、消化系统进入人体，对人的危害极大，一旦吸入过量的铅，沉积淤

肝、肺、脑等，可长期而稳定地存在，临床表现为腹绞痛，神精衰弱，对神精系统往往有头痛、烦燥，对消化系统有消化不良、恶心、食欲不振等。为了防止铅尘的污染，确保工人身体健康，铅基轴承合金熔炼设备应装有防尘措施。使作业区的空气中含铅的密度小于0.03mg/m3。铅烟净化装置使用后经测定，作业区距炉子一公尺范围内空气中含铅的浓度低于国家允许标准、对有铅基轴承合金生产的工厂，必须装置KE型铅烟净化装置，改善作业环境，保障工人身体健康3。

总结1.亚共晶铅基锑锡轴承合金中加入砷、铜等合金元素并适当调整配比，可使轴瓦承载能力提高30--40%。用于东风牌EQ140汽车的6100汽油发动机，这种合金轴瓦使用寿命超过10万公里。在工作条件苛刻、流体动力润滑油膜经常处于较薄情况的旋转活塞式发动机中，新的铅基合金轴瓦亦有满意的使用效果。

2.这种高强度铅基合金的工艺性能良好，轴瓦浇铸质量容易控制，用一般熔炼和浇铸巴氏合金轴瓦的设备即能生产。其原材料成本，初步估算比常用的锡基合金CHSnSb 4.5-4.5低70%左右，作者已掌握用还原法制取金属砷，大量使用该合金时，原材料成本可进一步降低。

3.砷与铅固然都是有毒元素，前者的毒性更严重，但是在熔炼和浇铸中采取一定的防护措施是一可以做到安全生产的2。