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軸承合金的性能要求

滑動軸承是汽車、拖拉機及機床等機械制造工業(yè)中用以支撐軸進行工作的零件，是由軸承和軸瓦組成的。制造軸瓦以及內襯的耐磨合金叫做軸承合金。軸在軸瓦中高速旋轉時，必然發(fā)生強烈摩擦，同時軸瓦還要承受軸頸傳給它的周期性負荷。因此必然造成軸和軸承的磨損。軸通常造價昂貴，經常更換不經濟。選擇滿足一定性能要求的軸承合金可以確保軸減小磨損。

軸承合金應具備的性能：
① 耐磨并且具有較小的摩擦因數，以減少軸的磨損。
② 有較高的疲勞強度和抗壓強度，以承受巨大的周期性負荷。
③ 有足夠的塑形和韌性，以抵抗沖擊和振動，并改善軸和軸瓦的磨合性能。
④ 有良好的導熱性和耐蝕性，以防軸瓦和軸因強烈摩擦升溫而發(fā)生咬合，并能抵抗?jié)櫥偷那治g。

在合金組織中，如在軟基體上均勻分布一定大小的硬質點（或在硬基體上分布一定的軟質點），則基本上能滿足上述性能要求。當軸在軸承中運轉時，軟基體（或質點）易于磨損而凹陷，而硬基體（或質點）則凸出起承載和耐磨作用。這樣，軸和軸瓦的接觸面積減少，其間空隙可貯存潤滑油，降低了軸和軸承的摩擦因數，減少了磨損。軟基體或質點可以承受沖擊和振動并使軸和軸瓦很好地磨合。此外，軟基體或質點可嵌藏偶然進入的外來硬質點，以免擦傷軸頸。

常用軸承合金，按其主要化學成分可分為錫基、鉛基、鋁基、銅基和鐵基。其中，錫基和鉛基軸承合金又稱巴氏合金，是應用較廣的軸承合金。

02 錫基軸承合金
錫基軸承合金是以錫為主加入少量銻、銅等元素組成的合金。較常用的錫基軸承合金是ZSnSb11Cu6，合金中約含WSb=11%的Sb、WCu=6%的Cu，剩余的為Sn。Sb和Cu溶解于Sn中的α固溶體是軟基體（圖1中黑色部分），而Sn和Sb、Cu形成的化合物Cu3Sn（圖1中白色針狀或星狀）及SnSb（白色方塊或多邊狀）是硬質點。當WCu=6%時，形成高熔點化合物Cu3Sn，可以阻止以SnSb為基的固溶體在溶液中上浮，防止比重偏析，同時也能提高合金的耐磨性。

圖1 ZSnSb11Cu6合金顯微組織

錫基軸承合金摩擦因數小，塑性和導熱性好，是優(yōu)良的減摩材料，應用于比較重要的軸承上，如用來澆注汽輪機、發(fā)動機、壓氣機等重型機器的高速軸承，工作溫度不超過150℃。

錫基軸承合金的強度，尤其是疲勞強度較低，生產上常采用雙金屬軸承，即采用離心澆注法，在低碳鋼軸瓦上澆注一薄層錫基軸承合金，提高了軸承的強度和壽命，而且節(jié)省了大量錫基軸承合金。

03 鉛基軸承合金

鉛基軸承合金是以鉛為主加入少量銻、錫、銅等元素組成的合金，可作錫基軸承合金的代用品。其中以Pb-Sb系合金應用較廣。

Pb-Sb二元合金相圖（圖2）具有共晶型轉變。共晶成分中WSb為11.2%。圖中Sb含量在17.5%~20%間為合金的室溫組織，由初生β相硬質點和（α+β）共晶軟基體組成。但是由于二元Pb-Sb合金同樣有嚴重偏析，而且β相很脆，易破碎，基體又太軟，易磨損，因此Pb-Sb合金還加入Cu、Sn等其他元素。加Cu可形成Cu3Sn，防止比重偏析，還可形成Cu2Sb硬質點，提高合金耐磨性。加Sn能形成金屬化合物SnSb硬質點，它能大量溶解于鉛中而強化基體，故可提高合金的強度和耐磨性。ZPbSb16Sn16Cu2是工業(yè)中常用的鉛基軸承合金，其WSb=16%、WSn=16%、WCu=2%，屬于過共晶合金。其組織中的（α+β）共晶體是軟基體，白色方塊為化合物SnSb，白色針狀晶體是化合物Cu3Sn。初生的β化合物Cu2Sn、SnSb是合金中的硬質點（見圖3）。

圖2 Pb-Sb合金相圖

圖3 ZPbSb16Sn16Cu2的顯微組織

鉛基軸承合金可以制成雙層或三層金屬結構，其強度、硬度和耐磨性雖低于錫基軸承合金，但由于錫含量減少，成本降低。此外鑄造性能及耐磨性較好，一般用于制造中、低載荷的軸瓦，如汽車、拖拉機曲軸軸承。

04  鋁基軸承合金
鋁基軸承合金是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型減摩材料。我國也逐漸用它代替錫基、鉛基和銅基軸承合金，因而大量節(jié)約了工業(yè)用銅。鋁基軸承合金資源豐富，價格低廉，疲勞強度高，導熱性能好，其耐蝕性也不亞于錫銻巴氏合金。因此鋁基軸承合金廣泛用于高速度、高載荷下工作的汽車、拖拉機的柴油機軸承。
常用的鋁基軸承合金有Al-Sb軸承合金和Al-Sn軸承合金。

（一） Al-Sb軸承合金
其成分中WSb=3.5%~5%、WMg=0.3%~0.7%，其余為Al。由圖4可見，WSb=4%的AlSb變?yōu)槠瑺?，改善合金的塑性、韌性和強度。Al-Sb合金的顯微組織是金屬化合物AlSb和Mg3Sb2硬質點均勻地分布在軟的以鋁為基的固溶體上。該合金用低碳鋼作襯背，將Al-Sb-Mn軸承合金澆注在鋼背上作成雙金屬軸承，或與低碳鋼帶復合在一起軋制成雙金屬鋼帶。

圖4 Al-Sb合金相圖

Al-Sb軸承合金有高的抗疲勞性能及耐磨性，但其承載能力不大，用于中等負荷的內燃機上。

（二） Al-Sn軸承合金
高錫鋁基軸承合金具有更高的承載能力和疲勞強度。它和低碳鋼一起軋制成雙金屬軸瓦，可在壓力為28MPa、滑動線速度為13m/s的條件下工作，其抗咬合性能與巴氏合金相當。高錫鋁基軸承合金的化學成分為：WSn=20%、WCu=1%，其余為Al。錫在鋁中的溶解度極小。WSn=20%的Al-Sn合金的共晶組織較多，錫呈網狀包圍著鋁晶體，大大降低了合金的力學性能。為了消除網狀共晶體，澆注以后可與鋼背一起軋制并經350℃退火3h，則錫被球化。因此該合金的實際組織是在硬的鋁基體上均勻分布著軟的粒狀錫質點。

在Al-Sn合金中加入Cu和Ni，因它們能溶于Al中，可進一步提高基體強度。

高錫鋁基軸承合金生產簡便，成本不高，在我國已經廣泛應用于中、高速汽車，拖拉機的柴油機軸承上，已在許多機器上取代了巴氏合金和其他軸承材料。但是生產這種軸瓦時，如果合金層與鋼背結合不牢固，使用時會造成合金層早期剝落。為使高錫鋁基軸承合金和鋼背結合牢固，目前這種軸承采用由鋼帶、Al-Sn合金及夾由鋁箔中間層的三層合金軋制而成。軋制過程中鋁表面的氧化膜由于延伸而破碎，剩下的氧化膜由隨后再結晶退火而球化，故大大提高與鋼背的結合強度。

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