元合金涂層軸瓦在高負荷發(fā)動機上應用

1、四元合金涂層軸瓦在高負荷發(fā)動機上應用1=-14內(nèi)燃機配件2008年第6期四元合金涂層軸瓦在高負荷發(fā)動機上應用FourElementAlloyCoatBearingApplicationforHighLoadEngine王振國（煙臺大豐軸瓦有限責任公司）1刖置隨著我國高速，高載荷增壓強化的柴油機的生產(chǎn)，要求軸瓦鍍層抗疲勞能力，耐磨性和耐腐蝕性越 來越高.隨之而來的我國軸瓦電鍍生產(chǎn)也從原來的 二元電鍍，發(fā)展到三元電鍍，進而發(fā)展成四元電鍍.現(xiàn)在四元電鍍軸瓦已大量應用在300馬力以上的高 速重載柴油機上,表現(xiàn)出極優(yōu)的性能,詳見表1,電 鍍性能的相對比較值.表1電鍍性能的相對比較值注:數(shù)字1最好2四元合

2、金涂層材料2.1就現(xiàn)有涂層材料來講，鉛一銦涂層的疲勞強度 高于鉛一錫或鉛一錫一銅涂層，國內(nèi)外大量的疲勞 實驗顯示，鉛銦合金涂層具有較高的抗疲勞強度，在 某些具有特殊要求的柴油機上應用著，但它的耐磨 性能較差.英國格雷西爾公司生產(chǎn)的CUMMINSB 連桿瓦就是鉛一銦二元電鍍，1000小時臺試后發(fā)現(xiàn) 在軸瓦沖擊區(qū)有大面積涂層被磨去而漏銅現(xiàn)象而 鉛一錫一銅三元電鍍在軸瓦沖擊區(qū)出現(xiàn)疲勞龜裂， 而沒有漏銅現(xiàn)象,就是這個問題的典型例子.通過磨損試驗看，試驗結(jié)果可以很容易地看出，其耐磨性與鍍層合金的相對硬度有關，這些硬度可 以用掃描或電子顯微鏡的超微硬度計測出.鉛一銦 硬度約為8HV鉛一錫硬度約為10HV,

3、鉛一錫一銅 硬度約為12HV,鉛一錫一銅一銦硬度約為14HV.每種材料的硬度值取決于正確的化學成份和熱處理 過程.疲勞強度好壞與硬度無關.可以認為鉛一銦甚 至在室溫時都能再結(jié)晶,至少恢復原狀，這樣一來便 可減弱或減輕疲勞初裂而不致于發(fā)展成實際裂紋.鉛一錫和鉛一錫一銅不具備這種特性，會發(fā)生預計 的疲勞損壞.2.2研究目標由于鉛一銦的再結(jié)晶特性，以及疲勞強度比預 期的高，可以認為它應成為涂層研究的基礎.采用 在三元鍍層合金中加入第四種元素的方法,可達到 增加硬度來提高耐磨性而同時保持已有的極佳耐疲 勞性能的目的.三元鍍層中的錫和銅對鍍層的影響也非常大， 既增加強度，提高耐磨性，錫又有很好的耐腐蝕作

4、 用.將其與鉛一起涂在軸承表面，然后鍍上銦，使銦 擴散到三元電鍍合金中形成均勻的四元合金.2.3四元合金涂層材料規(guī)格和金相表2化學成份和合金硬度表 2 中列出 了 Pbln，PbSn，PbSnCu，PbSnCuIn合金的化學成份和硬度，由此可以看到其硬度值越 來越高，說明它們耐磨性也越來越好;圖1，圖2是 PbSnCu，PbSnCuln金相圖片,可以看出其致密度越 來越好，其疲勞強度也是越來越高.2.4耐疲勞性自2001年5月戚墅堰機車輛工藝研究所從英 國格雷西爾(Glacier)公司引進一臺”藍寶石”試驗 機,對各種成分的涂層材料進行了”藍寶石”疲勞試 驗,詳見圖3.試驗采用增載法，即確定起

5、始荷運轉(zhuǎn) 20小時停機檢查，未破壞就增加一級載荷繼續(xù)試 驗,每級載荷運轉(zhuǎn)20小時直至軸瓦材料疲勞破壞， 四元合金涂層軸瓦在高負荷發(fā)動機上應用15 圖IPbSnCu金相圖2PbSnCuln四元合金金相圖片試驗載荷MPa鍍層材料4lJ48I5562I6976I8398PhSn,Pb-lrl硒，PhSnCun卜S卜(卜In圖3涂層疲勞強度比較此時的載荷定為該軸瓦材料在”藍寶石”試驗機上的 疲勞強度.起始載荷低于疲勞破壞載荷21MPa.如果起始載荷出現(xiàn)破壞，試驗無效.含銦合金鍍層都具有較高的抗疲勞強度，但是 向鉛銦合金添加一定量的銅和錫元素，可以提高其 疲勞強度，在一定載荷下含3%銅的鉛銦合金的疲 勞

6、壽命為不含銅的5倍.含銅達到24%時，鉛銦 合金鍍層有最高的疲勞強度見圖4.涂層的金相組織含有近乎純錫顆粒的鉛一銦 錫合金.使用時軟錫顆粒被抹在表面上，因而可降 低總磨損速率.由于顆粒為球形，不會影響合金的疲勞強度,因而材料保持著鉛一銦的良好疲勞性能. 目前,西歐各國在一些高速，大功率柴油機銅鉛合金 ，| 246810 含銅分數(shù)(%) 圖4含銅量對對鍍層疲勞強度的影響 軸承上電鍍了含錫量18%和含銅量高達8%左右的 鉛錫銅合金層，鍍層有很高的抗疲勞能力和耐磨性 能.可是，由于鍍層中銅和錫含量都較高，使鍍層合 金變脆.所以一旦發(fā)生疲勞開裂，因其硬脆的疲勞 裂紋發(fā)展得很快,而引起軸承層大面積的疲勞

7、剝落. 2.5耐磨性與減磨性眾所周知,軸承工作表面上電鍍層大大地改善 了軸承的摩擦狀況，不僅提高了軸承的表面性能，耐 磨損性和抗疲勞能力，還減少了軸承與軸頸的磨損， 提高了內(nèi)燃機的可靠性和耐久性.使用過程中，軸 承的載荷對鍍層的磨損有重要影響.隨著我國高負 荷發(fā)動機的生產(chǎn),對鍍層的抗磨性提出更高的要求， 否則，鍍層的大量磨損將使軸承鎳或銅鉛合金暴露 出來，鎳并不是軸承材料，而且鎳錫化合物具有很高 的硬度，從而導致軸頸的磨損.國外現(xiàn)代載貨汽車 發(fā)動機在良好的使用保養(yǎng)條件下不更禽鋼盯分數(shù)(%) 圖6含銅量與鉛錫合金鍍層的耐磨性能的關系 2.6耐腐蝕性由于大馬力柴油機的功率和轉(zhuǎn)速的不斷提高， 軸承的

8、工作溫度也隨之提高，加速了鍍層中的錫或 銦的擴散,使鍍層的腐蝕變得十分突出.為了改善 和提高鍍層的耐腐蝕性,提高軸承的使用壽命，各國 都進行了大量的試驗研究工作，認為鍍層合金材料 的化學成份對它的耐腐蝕性有一定的影響.鍍層內(nèi) 含錫量一般為812%,特殊要求的可達18%.鍍 層內(nèi)含錫量低于6%,其耐腐蝕性下降;當高于20% 時，鍍層合金材料熔點降低，使工作溫度下的強度降 低.在介紹有關提高鍍層的耐腐蝕性的方法之前， 這里先概要講述一下鉛錫合金鍍層的結(jié)構(gòu).常溫 時，錫在鉛中的最大溶解度為2%(重量百分比). 然而，最常見的鍍層鉛錫合金材料中一般含錫量為 10%,大大超過其平衡狀態(tài)的溶解度.所以，電

9、鍍這 種含過飽和錫的鉛合金，過量的錫總會在鉛錫化合 物(PbSn)基體上以12um的”錫島”析出.室溫 時，放置500小時就會析出，一般軸承電鍍后離開電 鍍線就會有”錫島”析出.鍍層鉛錫合金中含有1 3%的銅，能使”錫島”析出的時問延長些，絕不能使 錫不析出”錫島”析出在表面，給鍍層提供了一個 很薄的氧化錫表面層，提高了鉛錫合金鍍層的耐腐 蝕性,同時改善了鉛錫合金鍍層的抗咬粘性.同樣， 析出的”錫島”也向沿銅合金（或鉛青銅）層里擴散， 與銅形成了 Cu3Sn化合物，降低了鍍層的耐腐蝕性 和耐磨性.提高合金中的含錫量無疑會使鍍層的耐 腐蝕性和耐磨性增強.見圖7.I.1國Ll_口.禽錫（）圖7含錫

10、量對鉛錫合金鍍層耐磨蝕性的影響 但是,含錫量過高時，”錫島”多且細小,其面積 與體積之比增大，會促進錫的擴散，使更多的錫與鎳 （柵）和銅共同形成了 Ni-Sn-Cu合金問化合物， 而不能向磨損的鍍層表面擴散更多的錫，形成錫的 氧化膜，因而降低了鍍層的耐腐蝕性.如果鉛錫合 金中含銅，其含量超過3%時，這種化合物生成的 多，鍍層的耐腐蝕性明顯下降.關于鍍層中的含錫 量最小極限，不同的腐蝕介質(zhì)試驗得到不同的結(jié)論， 用變壓器油添加油脂酸和雙三丁基過氧化物作腐蝕 介質(zhì)（試驗溫度140C），得到的結(jié)果是鉛銦合金中 的銦不應小于4.8%;以藥用自油為腐蝕介質(zhì)（試驗 溫度141C）的結(jié)果是，鉛銦合金的銦應為5

11、%，鉛錫 合金的錫不少于2.8%;用酸化潤滑油的腐蝕試驗 結(jié)果表明，鉛銦合金和鉛錫合金中的銦和錫的含量 都應是6%;Pratt的藥用白油作腐蝕介質(zhì),在三個 溫度（121C,141C和171C）下進行腐蝕試驗，得到 的結(jié)果是鍍層中銅不應小于2%,錫不應大于12%. 然而，這些結(jié)果都是在強化條件下試驗得到的.實 際使用中，低于上述銅和錫含量的鍍層可能仍有較 好耐腐蝕性.但是，高的含錫量會延長其擴散時間. 銅對鍍層的耐腐蝕性的影響，取決于鍍層中銅 的多寡及其擴散情況（擴散到”錫島”上還是擴散到 鎳柵.較高的含銅量，延緩了鍍層內(nèi)錫的擴散，起到 了防止鍍層內(nèi)錫擴散損失的作用，但并不意味銅可 以使鍍層的腐

12、蝕降低到最小.有時恰恰相反，如果 銅在”錫島”表面上并與之形成了 Cu3Sn化合物薄 膜，包圍著每個錫島，把錫島固定了,這樣鍍層內(nèi)的 錫就不會減少，鍍層的耐腐蝕性提高了 .可是，錫不 能擴散到鍍層表面，形成薄的氧化錫膜，就降低了鍍 層的耐磨性.所以，鍍層內(nèi)含銅量如不是特殊要求 不宜過高,一般為14% .目前，鍍層合金材料的含銅量已高達58%,有人認為可以提高鍍層的疲 勞強度和耐磨性，有人認為增加含銅量能否提高鍍 層的疲勞強度尚待研究，可以提高鍍層的耐磨性的 看法是一致的.銅與鍍層中擴散元素錫和銦生成金屬間化合物 如Cu3In4,Cu3Sn和Cu6Sn5等，可防止錫和銦進一 步向銅鉛合金(或鉛青

13、銅)層內(nèi)擴散，減少了鍍層內(nèi) 錫或銦的損失.2.7抗氣蝕性能氣蝕是現(xiàn)代柴油機軸承常見的損壞形式之一. 氣蝕損壞往往從軸承表面上開始，然后再向縱深發(fā) 展造成軸承失效.無疑鍍層的抗氣蝕能力關系到軸 承的使用壽命.m5888四元合金涂層軸瓦在高負荷發(fā)動機上應用17=,一芝時 InJ(min)圖8兩種合金鍍層震動穴蝕試驗結(jié)果圖8示出了在超聲波振動試驗裝置上測得的鉛 錫合金和鉛銦合金鍍層的腐蝕損耗量.由此可知， 鉛銦合金鍍層比鉛錫合金鍍層的較小的體積損失， 表明了鉛銦合金鍍層有好的抗氣蝕能力.3鍍層的應用和發(fā)展總之,通過在軸瓦合金中加入銦,軸瓦鍍層疲勞 強度提高4050%以上,具有較好的抗疲勞性，抗 剝落

14、,抗腐蝕性和抗氣蝕性，使用后的耐磨性，鑲嵌 性，潤滑性得到充分的提高，可以超負荷運轉(zhuǎn).經(jīng)過 幾年的推廣，已經(jīng)普遍應用到大馬力發(fā)動機上，效果 令人滿意.國內(nèi)外開始研究和應用一種Sputter軸瓦，采用 特殊工藝將AISn20鍍覆在銅鉛合金上.它的重要 特點是因為Sn的分布采用了”高能濺射”，其分布非 常均勻，并且噴鍍層的硬度約為5060HV,這比材 料本身的硬度3540HV要高的多.Sputter軸瓦 具有更出色的抗疲勞性和最高的耐磨性能以及幾乎 無線的使用壽命,耐腐蝕性能也很好,這里就不再詳 細介紹.歡迎訂閱2009年度車用發(fā)動機雜志車用發(fā)動機（雙月刊）,1978年創(chuàng)刊，是由中 國兵器工業(yè)車用

15、發(fā)動機專業(yè)情報網(wǎng)和中國北方發(fā)動 機研究所主辦的”能源與動力類”專業(yè)技術刊物，為 全國中文核心期刊，中國科技核心期刊,中國核心期 刊（遴選）數(shù)據(jù)庫，中國期刊全文數(shù)據(jù)庫，萬方數(shù)據(jù)一 數(shù)字化期刊群和中國科技期刊數(shù)據(jù)庫收錄期刊，中 國科學引文數(shù)據(jù)庫和中國學術期刊綜合評價數(shù)據(jù)庫 來源期刊.車用發(fā)動機辟有綜合評述，整機評介,性能研 究，設計計算，結(jié)構(gòu)強度，模擬仿真，電子控制，排放 控制，增壓技術，測試技術，工藝材料,零部件和信息 等欄目.主要面向科研院所和企事業(yè)單位的科研和 工程技術人員，大專院校師生,相關行業(yè)的管理人員 及使用維修人員等.車用發(fā)動機為A4幅面,96頁,每雙月25日 出版,期定價10元,年定價60元.國內(nèi)標準連續(xù)出 版物號CN141141/rH,國際標準連續(xù)出版物號 ISSN10012222,本刊廣告經(jīng)營許可證號17，郵發(fā)代號2253,全國各地郵局均 可訂閱.漏訂者可直接從本刊編輯部訂購，免收郵 資.一-+一一_ 一十?.+_一一 郵局匯款地址:山西省大同市第22號信箱郵編:037036需要銀行匯款的訂戶請與編輯部聯(lián)系.歡迎賜稿歡迎訂閱歡迎千翱登廣告期刊廣告價目表封面（除刊頭，條形碼等）10000元/期彩封底8000元/期色封二，封三7500元/期插頁7500元/期黑