轴承材料(共9篇)
轴承材料 篇1
4年半前, 作为工程塑料和滑动轴承领域的专家, 易格斯公司涉足滚珠轴承业务的消息引起了不小的轰动。从那时起, 德国易格斯公司做了大量的开发工作:研发出5种“xirodur”新材料 (其中两种在2011年推出) ;大量不同规格尺寸和设计样式的产品进入到24小时快速发货清单中;为工程师开发了新的电子设计工具, 从3D CAD文件在线下载, 到使用寿命在线预测程序。
免润滑免维护的“xiros”工程塑料滚珠轴承可在150°C的高温下工作, 并具有高耐腐蚀性、可冲洗和清理、无磁性和质量小等特点。易格斯公司表示, 在那些使用传统金属滚珠轴承而问题多多的应用领域, 它们是经济型的替代方案。产品经理德克·穆勒指出:“这些实际应用中的需求点并不是最大负载和高速度, 而是在液体介质中或者化学环境下的稳定性。在这些特殊的环境中, 润滑剂经常会从密封的金属轴承中泄露, 这样就会产生腐蚀, 从而引发故障。”除了避免润滑剂泄漏和腐蚀之外, 减小质量、避免磁性以及优秀的摩擦系数和长久的使用寿命也是选择“xiros”工程塑料滚珠轴承的原因。
工程塑料与滑动轴承领域的专家, 德国易格斯公司从事工程塑料滚珠轴承的制造已经有4年半时间。目前这种工程塑料滚珠轴承有了广泛的应用, 图为免润滑免维护“xiros”工程塑料滚珠轴承在德国汉堡Tesa Scribos公司粘接密封设备偏转辊上的应用。
偏转轴上的应用
工程塑料滚珠轴承取代金属轴承
工程塑料滚珠轴承的实际应用非常广泛, 范围涵盖各类医疗器械、泵、测量仪器、运输和传送技术, 尤其是在化工、食品、实验室和包装等行业中。其中一个例子来自德国汉堡的Tesa Scribos公司, 该公司是防欺诈和盗窃保护领域的专业公司, 代表产品有粘接密封设备。由“xirodur B180”高分子材料制成的径向深沟球轴承, 已装配在粘接密封设备的偏转轴上。免维护的工程塑料轴承取代金属滚珠轴承, 因为这些金属滚珠轴承只能在润滑的情况下才能实现更低的滚动摩擦。Tesa Scribos公司表示, 除了方便维护和降低质量的优势外, “xiros”工程塑料滚珠轴承的价格比金属产品低50%, 并且交货更快。这种产品现在应用在中间驱动器压力轴之前的偏转轴上, 驱动器通过特定的压缩力调整压力轴的承受力。偏转轴与中间驱动器的组合, 不仅用于驱动产品, 也用于产生纸幅张力。
已经有5种材料和100多个型号
仅仅在4年半的时间内, “xiros”的原材料数量已经从1种扩展到5种。常规的“xirodur B180”和经济型“xirodurC160”, 再加上耐高温的“xirodur A500”材料。尺寸范围也得到了显著提高, 现在有100多个尺寸、形状和样式可选, 产品已覆盖径向和轴向轴承、线性和旋转运动轴承、转盘轴承、底座轴承、法兰轴承、防尘滚珠轴承和多功能轴承。快速交货, 一如既往地受到公司的高度重视:常备库存产品在24小时内发货。同时, 增加产品类型以满足客户的非标设计需要, 也越来越受到重视。
新材料
导电性和高耐磨性材料
2011年, 易格斯又开发出2种经过摩擦优化的“xirodur”新材料。首先是“xirodur F180”导电工程塑料滚珠轴承。这种具有ESD (静电阻抗) 功能的材料能够安全释放静电。这种免润滑免维护的轴承材料可在温度高达80°C的温度下长时间工作, 适用包括半导体、造纸、纺织和玻璃等行业。
使用寿命增加42倍
第二种新材料是易格斯公司研发的“xirodur D180”。该材料的耐磨性是现有滚珠轴承材料的4倍。内环与外环由这种新型高性能材料制成, 保持架的材料是PA, 滚珠的材料是玻璃或不锈钢。常规运行温度为80°C, 从2011年5月开始“xiros D180”工程塑料滚珠轴承已实现常备库存。该产品在高转速和低负荷下耐磨性很强。易格斯公司内部技术中心的测试表明, 新轴承的耐磨性是PEEK材料制成的滚珠轴承的72倍。所有的PE、PP、PA和POM材料制成的滚珠轴承使用寿命明显短于“xirodur D180”材料的产品。产品经理德克·穆勒介绍:“自2007年以来, 坚持不懈的材料优化工作和严格的全面测试, 使我们工程塑料轴承的使用寿命延长了42倍。”
新材料“xirodur D180”, 在高转速下拥有极好的耐磨性。内环与外环由这种新型高性能材料制成, 保持架的材料是PA, 滚珠的材料是玻璃或不锈钢。
新服务
在线产品使用寿命计算器
除了原有服务于滑动轴承、直线轴承、关节轴承和半成品材料的在线产品使用寿命计算器外, 2010年易格斯还开发了一款针对“xiros”工程塑料滚珠轴承的使用寿命计算器。这款计算器速度更快使用更便捷, 从而有效降低过程成本。客户通过www.igus.com.cn/cn/xiros链接可直接访问程序。在这里, 工程师可以选择一个设计模型输入其应用的运行速度和负载, 在“可选材料组合列表”中选择所需的材料进行计算, 系统会给出该产品的使用寿命数据, 最后客户可以打印所需的计算结果。
现在有不少于5种“xiros”材料实现了常备库存, 并有大量不同的尺寸、形状和款式的产品可供选择。图从左起为“xirodur B180”深沟槽滚珠轴承, 用于吸收轴向力的滚珠轴承, 用于传输特殊敏感物品的免润滑滚珠轴承。
轴承材料 篇2
功能梯度材料圆柱滚子轴承承载能力研究
为解决轴承“边缘效应”问题,提高轴承的承载能力,文中采用有限元法对功能梯度材料圆柱滚子轴承滚动体的`材料性能对轴承最大等效应力和最大接触应力的影响进行了研究.研究结果表明:当滚动体材料性能分布合理时,在一定程度上可以降低轴承滚动体的最大等效应力和最大接触应力,降低或避免轴承滚动体“边缘效应”问题,提高轴承承载能力.
作 者:张秀娟 张松哲 魏延刚 ZHANG Xiu-juan ZHANG Song-zhe WEI Yan-gang 作者单位:大连交通大学,机械工程学院,山东,大连,116028刊 名:机械设计 ISTIC PKU英文刊名:JOURNAL OF MACHINE DESIGN年,卷(期):25(3)分类号:O343.3 TH133.33关键词:有限元分析 功能梯度材料滚子轴承 材料性能 承载能力
轴承材料 篇3
企业要想生存和发展, 必须做到在创造社会效益的同时, 不断提高企业的经济效益。所谓经济效益, 就是指劳动成果与劳动耗费的比较。提高经济效益就是要以较少的劳动耗费创造出较多的符合社会需要的劳动成果。劳动耗费既包括人 (劳动力) 的消耗, 也包括物 (原材料、辅料、能源等) 的消耗。我国原材料和能源耗费很大, 而经济效益仅及发达国家的1/3~1/4。以轴承套圈的材料利用率为例, 发达国家高达65%~75%, 我国仅达40~55%。提高材料利用率有利于降低原材料和能源的消耗, 减少污染, 提高企业的经济效益和社会效益。本文就提高轴承材料利用率的部分方法做一简要介绍, 并进行必要的技术经济分析。
二、提高轴承套圈材料利用率的方法
(一) 合理设计轴承套圈锻件的形状。
轴承套圈锻件是轴承生产的初级产品, 其形状与成品的形状越接近, 在随后的车磨加工中加工变形越小。因此, 我们在设计轴承套圈锻件形状时, 要仔细考虑哪些余块是必须增加的, 哪些部位是可不必增加余块而能锻造出来的。而余块加越少, 则锻件的形状与成品就越接近。如用扩孔机辗扩成形的轴承套圈锻件直接将滚道部分碾压出来, 则材料利用率可提高2%~6%。
(二) 合理选择锻造工艺方案。
一是塔形锻造工艺和套锻工艺可以减少料芯损失, 使每套轴承内外圈从单料生产时的两个料芯减少为一个料芯损失, 从而达到提高材料利用率的目的, 其具体数值因轴承型号的不同而不同。二是利用较大型号轴承的内圈的料芯生产小型轴承套圈。三是冷挤压和温挤压以及冷辗扩, 因无加热造成的氧化脱碳可以使加工余量减少50%以上, 它们都是材料利用率较高的轴承套圈锻造工艺, 但对设备的吨位要求较大, 故适用于成批大量条件下的小型轴承套圈锻件生产, 因而, 我们在技术、设备等条件许可的情况下可优先选用上述工艺。四是多工位压力机及单点压力机连线配上下料设备均可进行一火锻造。一火锻造改变了下料、锻造两火加热的状况, 既减轻工人的劳动强度, 又节约了大量料段的管理工作和燃料消耗, 并且由于减少下料加热的1%~2%烧损, 使材料利用率相应提高1%~2%。五是利用整形工艺是提高材料利用率的一个简便而有效的途径。整形就是将辗扩成型的套圈外径 (或内径) 通过模腔精整成形。以基本消除辗扩产生的椭圆度、锥度等形状误差以及尺寸误差, 整形工艺简单易行, 特别对于外形为圆柱面的轴承套圈锻件采用通过式整外径的工艺更为方便、套圈外径整形后其尺寸误差可控制在0.5mm以内;椭圆度和锥度可基本消除。因而我们可以减少为尺寸误差和形状误差设置的余量, 达到提高材料利用率的目的。一般材料利用率可提高3%~6%, 同时, 将整形面作为车加工的第一夹持基准面极为有利, 它为车加工实现机械化、自动化创造了条件。退火后的套圈在室温下进行冷精整, 则其尺寸误差可基本消除, 加工余量可以再减少20%, 材料利用率可得到进一步提高。
(三) 合理选择退火方式。
退火方式的不同对于退火后套圈的氧化、脱碳层深度影响较大。例如, 套圈不装包的裸露退火不仅会产生0.2~0.4mm后的氧化皮, 并且它所产生的脱碳层深度要比装包退火的套圈深0.2~0.3mm。因而经装包退火的套圈余量可以减少0.5mm左右。在此工艺中, 采用生铁铸造的包子不仅使用寿命短, 且热容量大使退火时的能耗增加, 若采用不锈钢板焊接而成则可弥补这一不足。保护气氛退火是一种较先进的工艺方法, 它采用向退火炉内灌注保护气体 (如氮气等) , 以造成炉内不易氧化、脱碳的退火气氛, 从而达到减少套圈表面氧化、脱碳层深度的目的。经保护气氛退火的金属表面无氧化皮产生, 若再增加可控制的富碳气氛, 则其表面基本无脱碳。这对于减少机加工余量, 提高材料利用率是极为有利的。
综上所述, 我们可以采用多种方法来提高轴承套圈的材料利用率。但是材料利用率的提高, 并不一定意味着经济效益的提高。我们在选用这些工艺方法前, 必须根据本厂的产品特点和生产批量进行技术经济分析, 在确保制造质量, 原材料和能源节约的基础上, 全面考虑设备和工装的投资, 以及提高生产效率、改善劳动条件和促进生产技术的发展。
三、提高材料利用率工艺方案的技术经济分析
(一) 外径整形工艺。
采用通过式整形方法, 适用于外形为圆柱面的轴承套圈锻件。这类锻件的外径余量为2mm (退火状态:装包) , 公差为1mm生产工艺为压力机挤压→扩孔机辗扩。
1.技术经济分析。
(1) 原材料消耗。
如前所述, 套圈外径通过整形, 为形状误差而设置的余量可减少0.5mm, 同时, 套圈整形后可减少辗扩操作的尺寸误差, 使其控制在0.5mm以内 (减少1mm) 。这样, 为形状误差和尺寸误差而增加的锻件余量可减少, 从而提高材料利用率3%~6%。
(2) 设备及人员技术。
整形工艺需要在原压力机挤压——辗扩工艺的基础上添置一台100吨以上冲床或相应能力的机械、液压机床, 对机床的精度要求不高, 可利用现有的旧机床或自制简单的压力机。
(3) 工模具。
此种工艺的整形模具, 加工方便, 可设计成综合式模具, 操作调整都很方便。模具受力不大, 对材料无特殊要求, 用GCr15轴承钢锻造车加工、热处理而成。
(4) 劳动消耗。
整形工艺需要增加一个劳动力, 但由于辗扩后的套圈都要经过整形, 辗扩过程中形成的锥度和椭圆度都可以在整形时基本消除, 因而对辗扩的精度要求可降低, 扩孔机的调整时间可以减少, 扩孔机轴的使用寿命相应提高, 因此加快了扩孔工序的生产速率, 不仅提高产量10%左右, 而且减少了料段在高温炉内的加热时间, 提高了辗扩时零件的温度均匀性, 减少氧化脱碳, 避免料段过热。
2.工艺成本分析。
(1) 工艺成本降低值。
一是原材料和燃料。按年产250万件φ120mm以下的圆柱形外套计算, 外经整形工艺每年可节约轴承钢75吨 (平均每件0.03kg) , 原材料费用可降低38.5万元 (5, 000元/吨) ;同时可节约下料和锻造时加热这部分材料的燃料费用4.5万元 (加热煤耗按1吨/吨钢计算, 600元/吨煤) 。二是生产工人工资。整形工艺要增加一名操作工人, 虽然由于生产速率加快, 产量定额可提高10%左右, 但这部分费用每年仍要增加1.5万元左右。三是使用机床的有关费用。由于增加一台100吨冲床, 电耗每年增加8, 000度左右, 电费增加4, 800元 (按0.60元/度计算) ;大修费用平均每年增加5, 000元。三是机床折旧费:为增加一台100吨冲床, 机床折旧费每年增加0.6万元。四是功模具损耗费用。整形模一次使用平均寿命为5, 000件, 模损后可改用其它型号, 两次总寿命为10, 000件。每件模具总费用为200元, 则年模具消耗费用增加5万元 (250万件÷10000件×200元) 。五是车间经费。由于生产效率的提高, 生产250万件套圈锻件所需要的车间经费可减少2, 000元左右。因此, 根据上述分析, 工艺成本降低额为35.12万元/年。
(2) 新工艺方案追加投资。
整形工艺需增添一台100吨冲床, 需投资6万元;整套整形模具的投资为3, 000元, 因此, 新工艺追加投资为63, 000元。 投资回收期
投资回收期undefined (年)
即当年可收回成本而获利, 经济效果较好。
(二) 辗出滚道工艺。
以6207内圈为例, 若将外沟道辗扩出来, 不仅可节省原材料, 并且由于金属的流线分布趋于合理而提高锻件的机械性能和成品轴承的寿命。辗扩外滚道不需添加设备和增加劳动力, 只需将碾压轮的槽型改变即可。调整和操作都不增加难度。
1.技术经济分析。
(1) 原材料消耗。
6207内圈 (成品净重0.0835kg) , 老工艺沟道不辗出, 材料供应定额为0.1721kg;若将沟道辗出, 则材料供应定额可减少到0.167kg, 材料利用率提高3%。
(2) 工模具。
辗扩外滚 (沟) 道需要改变碾压轮的槽型。可将原来二片组合的碾压轮改制成三片组合, 滚 (沟) 道的对称度可在碾压轮车加工时得到保证。
2.工艺成本分析。
(1) 可变费用。
a.原材料和燃料费用:原材料每件可节约0.0051kg, 原材料费用减少0.030元/件;这部分材料的加热燃料费用很低, 可忽略不计。b.工模具损耗和维修费用。由于碾压轮有原来的二片组合式改为三片组合式, 模具折旧费用和维修费用增加0.01元/件套圈。
(2) 不变费用。
为改革碾压轮而增加投资4, 000元/年。
设原工艺方案和现工艺方案的工艺成本分别为:
Cm1=QD1+B1
Cm2=QD2+B2
式中, Cm1、Cm2——原方案和现方案的工艺成本 (元/年) 。
D1、D2——原方案和现方案的工艺成本中单位锻件的可变费用 (元/件) 。
B1、B2——原方案和现方案工艺成本中的不变费用 (元/件) 。
Q——年产量 (件) 。
令Cm1=Cm2, 则undefined
式中:Q0——临界产量
B=B2-B1=4000 (元/年)
D=D2-D1=0.020 (元/件)
undefined万 (件/年)
若以年产6207轴承100万套计算, 即Q=100万时, 则
Cm=Cm2-Cm1=Q (D2-D1) - (B2-B1)
=1000000×0.020-4000=1.6000 (万元)
即每年可获利1.6万元。
3.质量效益分析。
由于沟道在辗扩工序成型, 金属流线连续分布合理, 有利于提高轴承寿命。
四、结语
上述两种工艺的技术经济分析仅考虑了锻造工艺成本, 不包括运输费用、仓库保管费用以及对其它费用的影响。例如, 整形工艺由于形状质量的提高和机械加工余量的减少而使车加工生产效率提高, 废品率下降。若将上述因素考虑在内, 则对于企业的经济效益影响更大。我国每年轴承行业生产用钢约在100万吨以上, 如果材料利用率平均提高2%, 则每年可节约钢材2万吨, 价值10亿元。这对于我们这样一个能源、原材料消耗大国无疑是举足轻重的。
摘要:本文从轴承套圈锻造及预先热处理 (球化退火) 工序, 介绍了提高材料利用率的方法, 并进行必要的经济技术分析。
简介INA轴承塑料轴承的应用 篇4
简介INA轴承塑料轴承的应用
塑料是大家日常生活中很常见,但是塑料轴承或许没有多少人知道。塑料轴承主要应用于食品和医疗行业机械化中,今天我们就给大家介绍几种INA轴承塑料轴承。
1、耐腐蚀塑料轴承
针对不同应用工况有多种材料解决方案,INA轴承即使在最严酷的酸/碱/盐/溶剂/油/气体/海水侵蚀中仍能运转自如,保证理想的耐用性及预期寿命。一般会用于医疗行业和食品行业。
2、精密塑料轴承
精密塑料轴承,比传统塑料轴承的精密度与公差有所改进。整体采用适于精密加工的材料制内外环,滚动体及保持架,在保持塑料轴承传统优势的基础上,可应用于精密及较高速运转工况。一般内外环材料采用POM,PPS,或 PEEK,保持架采用玻璃纤维增强的尼龙66(RPA66-25),或PEEK,滚动体为玻璃球,不锈钢球或陶瓷球。
3、耐高温INA轴承塑料轴承
PVDF,PTFE(Teflon),PPS(聚苯硫醚),PEEK(聚醚醚酮),PI(聚醚酰亚胺)等均证明是制作高温塑料轴承的理想材料,其中PI可在长期温度290℃的环境下使用,短期耐温最高可达350℃.是所有已知工程塑料中高温性能最好的一种。
4、抗酸碱塑料轴承
HDPE,PE,UHMWPE材料已证明能用于相对较弱的酸碱交叉环境(30%的CuCl2溶液和30%NaOH溶液测试OK),强酸强碱环境下可使用PVDF及PTFE材料,其中PTFE可用于所有浓酸及浓碱场合,包括HF及发烟硫酸硝酸(98%以上)等。
5、塑料轴承座及塑料外球面轴承
塑料带座轴承独具重量轻,安装简便,耐腐蚀,免于维护,同时具有常用铸铁座或冲压座所不具有的减振抗冲击性能。随着新材料的不断开发正越来越多地在工程上得到广泛应用。泛应用。
电话:029-63364123传真:029-63364125
轴承材料 篇5
1 国外汽车滑动轴承材料
目前, 国外常用的滑动轴承材料有锡基合金、铅基合金、铜基合金及铝基合金等。按用途可分为轴瓦用滑动轴承材料及衬套用滑动轴承材料。
锡基及铅基合金 (统称为巴氏合金) 是最早应用于发动机滑动轴承的材料之一。虽然该合金具有良好的抗咬粘性、顺应性、嵌入性、耐腐蚀性、线膨胀系数小及工艺性能好等优点, 但由于其抗疲劳强度较低、合金层易出现疲劳裂纹和剥落, 因此只能应用于小型、轻载的汽车发动机轴瓦或作为衬套材料使用。其中, 锡基合金由于锡的价格较贵, 故其生产量正在逐渐减少并由铅基合金轴承材料来代替。国际标准ISO4383:2000《滑动轴承-薄壁滑动轴承用多层材料》中规定的锡基和铅基合金的牌号见表1。
铜基合金轴承材料由于其具有较高的疲劳强度目前乃是国外重载发动机滑动轴承的主要材料。常用的铜基合金主要由铜、铅、锡元素组成。其中, 作为轴瓦用铜铅合金的平均含铅量高达24%~30%, 而衬套用铜基合金的铅、锡含量均在10%左右。由于铜铅合金的耐腐蚀性、嵌入性、顺应性和抗咬粘性均较其他合金差, 所以在用做发动机轴瓦时, 其合金表面需要电镀一层较薄的软合金 (称为镀层材料) 来提高轴承合金的表面性能。目前, 较普遍使用的镀层材料有二元电镀 (Pb Sn10, Pb In7) 和三元电镀 (Pb Sn10Cu2) 。上述镀层材料均以铅为主要元素 (含铅约90%) 。已列入国际标准ISO4383:2000《滑动轴承-薄壁滑动轴承用多层材料》中的铜基合金牌号见表2, 镀层材料牌号见表3。
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长期以来, 由于铅在生产、电镀过程中的污染以及轴瓦废弃后的二次污染问题, 对环境造成了巨大的危害, 这一问题已越来越引起国外滑动轴承行业的关注;特别是国际标准ISO4383:2000增加了一条重要的注释——“将来由于环保要求将限制某些铅类材料的使用”, 使得国外一些滑动轴承制造厂商已开始积极开发用于滑动轴承的低铅或不含铅的铜 (铝) 基合金以及不含铅的镀层材料。目前, 国外重载发动机已开发出无铅或低铅铜基轴承材料 (如日本的HS100、H S 2 1 0) ;对于轴套类滑动轴承, 国外 (特别是日本) 正逐步用磷青铜 (Cu Sn8P) 取代传统的双1 0铜铅合金 (Cu Pb10Sn10) ;镀层材料已采用阴极溅镀铝锡合金、电镀锡基合金 (如Sn Cu6及Sn Sb7) 来代替铅基镀层材料。
铝基合金由于其较高的力学性能、热传导性和良好的耐腐蚀性, 且资源丰富、价格低廉, 而成为国外中、轻载发动机 (包括轿车发动机) 滑动轴承的主要材料之一。铝基滑动轴承材料的种类较多, 按其所含元素及含量不同可分为高锡铝合金 (Sn≥20%) 、低锡铝合金 (Sn≤6%) 、中锡铝合金 (6%
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随着汽车工业的发展、汽车发动机性能的不断强化和提高, 承载能力高、轴承性能适中的中锡铝合金、铝 (锡) 硅合金的应用在日本及欧洲等国家越来越普遍, 在发动机轴瓦领域正在逐步取代高锡铝合金;而低锡铝合金由于嵌入性和顺应性稍差, 则需在其合金层表面电镀一层较软的镀层材料来提高其表面性能。铝铅合金曾经是美国、日本等国家为节约价格较贵的锡所开发出来的滑动轴承材料, 该合金在耐磨性、承载能力和抗咬合性方面都优于高锡铝合金, 所以在轴承材料领域曾风靡一时。但是由于其生产工艺复杂、且含有铅元素而不能满足环保要求, 其应用领域越来越小, 有逐渐被淘汰的趋势。铝锌合金 (如SAE785、Al Zn4Si Pb及Al Zn4.5Mg等) 的应用还不太普遍, 只有德国、奥地利及日本等国的几个公司生产, 这类轴承材料的硬度较高, 其顺应性和嵌入性较差, 故需要在合金表面电镀一层较薄的软合金以改善其表面性能。该材料适用于高承载能力的发动机轴瓦。随着世界各国家对环境保护的日益重视和严格执行汽车排放法规, 铝锌合金的应用将越来越广泛。
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世界各国在国际标准ISO4383:2000基础上开发出了许多铝基滑动轴承材料, 其牌号详见表5。
上面所述的滑动轴承材料确切地说应该是双金属滑动轴承材料, 金属整体滑动轴承材料及非金属-金属复合材料在滑动轴承领域的用量也很大, 但由于其自身的特点, 这两种材料仅用来生产滑动轴承衬套。金属整体滑动轴承材料基本上由青铜材料组成, 而世界上广泛使用的非金属-金属复合材料有两种。一种用于完全干摩擦状态即无润滑条件下, 其表面敷有聚四氟乙烯;另一种适用于不完全干摩擦状态即边界润滑条件下, 其表面敷有聚甲醛。随着汽车及发动机性能的不断提高, 各国滑动轴承材料厂商在非金属材料中添加适量的金属元素, 如铝、铅等, 用以提高这种复合材料的承载能力, 从而满足汽车及发动机的需要。国外部分厂家开发的非金属-金属复合材料牌号见表6。
综上所述可以看出, 近年来国外在巴氏合金及铜基合金领域发展变化较小, 而铝基合金的发展相当迅速, 合金牌号不断增加, 实际应用越来越广, 充分显示出铝基合金是目前最有前途的滑动轴承材料, 开发、研究铝基合金是国际汽车滑动轴承材料领域的发展方向之一。而铜铅合金由于本身含有有毒金属铅, 且表面还需要电镀铅基合金镀层, 使得铜铅合金的扩大应用受到了限, 即在未来的滑动轴承材料领域, 铜铅合金将逐步让位于铝基合金。
2 国内滑动轴承材料的技术状况及发展趋势
国内滑动轴承的材料在种类上基本与国外相同, 国家标准规定的滑动轴承材料牌号已列入GB/T 18326—2001《滑动轴承-薄壁滑动轴承用多层材料》中, 该标准在基本技术内容上等效采用国际标准ISO4383:2000, 根据我国目前滑动轴承技术和生产发展的现状, 只是在铝基合金中增加了中锡铝合金Al Sn12Si2.5Pb1.7。其他牌号与表1~4基本相同, 在此不再赘述。
为了解我国滑动轴承材料行业的生产情况, 对国内部分主要滑动轴承材料生产厂商的生产现状、生产能力及发展规划等进行了调查。调查结果是国内滑动轴承的主要材料基本上以传统的铜基合金、20高锡铝合金为主, 已经淘汰了铝铅合金。与国外相比, 我国在铝基滑动轴承材料的应用、开发及研制方面进展也比较快。传统的高锡铝合金 (Al Sn20Cu) 的疲劳极限已达到83~97 MPa, 基本达到了国外同类产品的水平;对于中锡及低锡铝合金来说, 其疲劳强度均达到111 MPa, 个别的甚至超过了120 MPa。在中锡铝合金轴承材料中, 含锡10%~12%的铝合金在国内已形成规模性生产, 而含锡更低 (8%以下) 的铝合金在国内只处于研制阶段, 其性能还需进一步稳定及提高。目前, 国内已有材料厂家注意到了安全环保及排放要求这一信息, 开始开发、生产铝锌合金材料。
从国内滑动轴承的生产现状来看, 铜基合金的生产以连续带式粉末烧结为主, 部分采用块状粉末烧结。而国外采用的连续带式浇注, 其初期投资大、开发新品种时生产线调整周期长, 在我国还无此生产线。铝基合金的生产一般采用连续带式或块状固-固复合轧制工艺, 在国外已成功应用液-固复合轧制工艺, 而在国内已有科研院所正在进行研制与开发。
国内汽车发动机滑动轴承的应用情况与国外相比有一定的差距。目前, 国内重载发动机的轴承材料基本以铜铅合金为主, 表面镀以三元铅基软合金, 而国外采用的带镀层铝锌合金滑动轴承随着国外机型的引进也已应用在国产发动机上, 但基本依赖进口。因此, 对于重载发动机来说, 要想在短期内淘汰含铅的铜基滑动轴承材料而采用环保型的铝基轴承材料, 仍需要进行大量的研究工作。中、轻载发动机 (包括轿车发动机) 除采用带镀层的铜铅合金及不带镀层的20高锡铝合金作为滑动轴承材料外, 中锡铝合金的应用也占有一定的比例, 而且已有不断扩大的趋势。
从调查结果来看, 我国滑动轴承的镀层材料已普遍采用三元电镀, 基本淘汰了二元电镀, 已有滑动轴承生产厂家开发出四元镀层材料 (Pb Sn10Cu In) 应用于铜铅合金的表面电镀。但与国外同行业相比, 国内轴承电镀层的质量与国外相比有一定的差距, 环保型电镀材料及工艺还有待于相关专业的厂商开发、研究与应用。
国内轴套类滑动轴承基本采用传统的双1 0铜合金 (Cu Pb10Sn10) , 环保型轴套的推广及应用还未广泛引起各大汽车厂商的重视。只有个别汽车及发动机厂开始研制不含铅衬套材料。在这方面, 二汽及玉柴已先行一步。一汽随着日产轿车的引进, 已在几种衬套上采用了环保型的磷青铜材料。
目前, 我国现在约有铜基滑动轴承合金材料及铝基滑动轴承合金材料生产厂商30余个, 大多具有独立自主的研发能力。
3 国家政策应该优先支持发展的汽车环保材料与技术
自从研制出滑动轴承材料以来, 铅以其资源丰富、价格便宜及极好的润滑性能和表面嵌入性能一直是构成滑动轴承材料的主要元素之一, 如铅基巴氏合金、铜铅合金 (平均含铅量高达24%~30%) 及铅基镀层材料 (含铅约90%) 等。但近几年来, 随着国际上汽车排放及环保标准的出台, 对汽车材料的环保性能提出了越来越高的要求。
随着改革开放的不断深入, 我国的滑动轴承材料厂商已经意识到了国外汽车环保要求这一信息的重要性, 同时部分国外厂商也开始对于我国出口及返销的滑动轴承提出了不允许含铅的要求, 这些都必然促进国内的科技人员在滑动轴承材料的开发、研究及应用方面开始投入一定的精力。从对我国滑动轴承材料厂商在滑动轴承材料的技术状况及发展趋势调查结果中已经看到了初步的成果。可以看到, 无论是铜基滑动轴承合金材料还是铝基滑动轴承合金材料的生产厂商, 已经把研制、开发、推广环保型的滑动轴承材料, 即铝锌合金系列、铝锡硅合金系列、铜基低铅、铜基无铅系列滑动轴承材料作为未来几年的发展方向之一。
轴承材料 篇6
目前, 欧盟及美国发动机滑动轴承材料的无铅化的进程已经完成, 并在发动机设计领域实施。本文重点介绍国外轴承无铅化材料及减摩涂层的发展状况以供发动机滑动轴承设计、制造的相关人员参考。
1 铝锡合金及铝锡硅合金双金属轴瓦
(1) 20%锡-铝合金
20%锡-铝合金是最早由英国Glacier公司 (已经被MAHLE公司收购) 研制并大批量生产的一种合金, 几乎所有金属带料厂家都引进其生产技术专利并有相应的牌号, 迄今为止是应用范围最广泛的合金之一, 含有20%的锡和1%的铜, 其余为铝, 其金相组织为均匀地分布在铝基体中的网状铝锡共晶体。它有优异的抗咬合性和嵌入性且无需涂层。各公司为了提高20%锡-铝合金的疲劳性能, 在其基础上又添加了Mn、Ni等微量元素, 进一步提高了20%锡-铝合金性能并扩大了应用范围。以Glacier公司为例, 在其标准合金的基础上添加了0.3%Mn, 获得了新的轴承合金AS16, 较标准的20%锡-铝合金的疲劳性能有所提高。添加Mn、Cu、Ni等合金元素后对金相组织的影响见图1。各公司的锡-铝合金的具体牌号和相关性能见表1。
以上合金牌号广泛地应用于内燃机的主轴承与连杆轴承中, 在无铅化后仍扮演着重要的角色。
(2) 8%~12%左右锡铝合金 (中锡铝合金及中锡铝硅合金)
8%~1 2%左右锡铝合金含1 0%~1 2%的锡、2%左右的铜、2%~4%硅, 用轧制方法将连续铸造的合金铝锭轧制到附有中间层 (一般厚度为3μm左右的铝或铝硅、铝镍、铝锰合金) 的优质低碳钢带上, 随后经中间退火而成。既改善了微观组织又增加了结合强度, 其金相组织为在细致的铝固溶体基体上分布连续网状锡铝共晶体和弥散细碎共晶硅颗粒, 即在较硬的基体组织中存在软相与硬质点的结晶的双相结构。这样的组织既保证了对轴的良好的抛光作用, 又避免了过度磨损及咬粘, 还有比较高的疲劳强度, 比2 0%锡-铝合金提高了2 0%~3 0%。A l S n 2 0 C u M n与A l S n 1 0 C u M n金相对比见图2, 从图2可以明显地看出, Al Sn10Cu Mn与左面的Al Sn20Cu Mn相比其晶粒更加致密, 而由于中间结合层由纯铝变成了强度更高的Al Ni合金, 其承载能力和疲劳强度也得到了很大的提高。特别是与球墨铸铁曲轴相配具有很好的摩擦性能和相容性。近年来, 此类合金在高速汽油机上得到了越来越广泛的应用, 其中以Glicier公司的AS104及AS1241为代表, 其他公司也纷纷研制了自己的中锡铝及中锡铝硅材料。各公司典型的中锡铝合金见表2。
(3) 低锡铝合金
为了获得更好的疲劳强度和承载性能, 国外相继开发了锡含量为6%~7%的低锡铝硅合金。其硬度与中锡材料相比提高了30%左右, 达到60~70HV。在加入锰、镍、钒等微量元素后疲劳强度又有很大的提高, 已经接近传统的Cu Pb24的水平。在高速、高负荷的汽油机上得到了广泛的应用, 使汽油机用轴瓦彻底告别了铜铅合金时代。目前, 一汽技术中心开发的TA1轿车汽油发动机即使用此类材料的轴承, 在最大爆发压力72×105 Pa及连杆轴承最大比压达50 MPa以上的苛刻条件下, 使用该材料的轴瓦彻底解决了中锡铝硅材料轴瓦的疲劳剥落问题。几种典型的低锡铝类合金轴承材料牌号见表3。
(4) 铝锡合金的综述
目前, 国际各大轴承公司都已经完成了无铅化或去铅化条件下铝基材料的开发工作, 特别是在汽油机领域铝基轴瓦占有绝对的优势地位。通过对轴承轧制工艺的改进, 主要是中间层以强化合金替代纯铝以及Mn、Ni、V等合金增强元素的加入和通过对铝基材料中Sn的含量的调节制造出了各种硬度梯度的轴承合金, 以配合不同材料和不同硬度的曲轴, 极大地扩展了铝基轴承的应用领域。
目前, 开发的铝基材料已经解决了合金嵌藏性的问题, 故已经全部实现了无表面减摩层, 减少了电镀工序, 使加工过程简单化, 且更便于实现加工中的尺寸分组及壁厚公差控制, 铝锡合金已经成为设计师在轴承设计之初优先考虑的材料。Glicie公司无铅化铝基轴承材料的牌号及强度性能等级的比较见表4, 供设计选材时对比参考。
2 铜合金三金属轴瓦
众所周知, 内燃机滑动轴承材料的无铅化主要是针对铜铅合金而言, 传统的铜铅合金中含有相对大量的铅 (一般铅含量为25%~40%左右) , 而且减摩层中也含有相当量的铅。实践证明, 在重型车用柴油机及轿车高强化发动机领域, 由于轴承比压高达100 MPa以上, 无铅铝基轴承都不能满足这样的载荷要求。于是人们开发了新的三金属轴承, 即新的青铜合金材料及最新的减摩层。
(1) 青铜合金材料
国外各公司基本上以青铜为主, 一般Sn的含量在4%~8%不等, 为了增加合金层的嵌藏性能和疲劳性能, 个别牌号加入了与Pb同族的Bi, 为了细化晶粒以提高轴承的承载能力而加入了1%~2%左右的Ni元素。
在制造工艺方面, 无铅化的青铜材料与传统的铜铅合金有很大的区别, 大都采用连续浇铸的方法获得, 几种常用的无铅化青铜材料见表5。
(2) 减摩涂层
从表5可以看出, 无铅化青铜轴承材料的硬度与传统的铜铅材料相比有很大的提高 (传统的Cu Pb24Sn材料的硬度只有65HV左右) 这样的硬度必须配有合适的减摩涂层才能作为轴瓦来使用。由于减摩性能很好的铅合金不能被利用, 于是人们研制了以Sn为主的新型减摩涂层。由于Sn的硬度、疲劳强度相对较低, 为了增加涂层的疲劳强度而加入了一定量的Cu (含量小于6%) ;为了增加减摩层与基体合金的结合强度并避免Sn在工作中扩散到基体合金中去而造成局部偏析影响疲劳强度, 有的公司在减摩层与基体合金间镀一层镍中间层, 见图3。另外, 也有加入一定量的Ag以提高减摩合金性能。
由于Al Sn20Cu良好的轴承性能, 人们用高速喷涂 (HVOF) 和物理气相沉积PVD (SPUTTER) 的办法将其喷涂在青铜合金上。由于物理气相沉积可以获得极细小和致密的金相组织, 故使Al Sn20Cu减摩层的性能、结合强度、疲劳性能都有了极大的提高。其承载能力可达110 MPa以上。无铅化后减摩层材料及制造方式见表6。
(3) 无铅化铜基轴瓦的疲劳强度及其应用
由于上述基材与减摩合金层及热喷涂PVD技术新的进展, 开发出的高强度的铜基三金属轴瓦很好地适应了现今发动机的高爆发压力的要求。经实践证明, 疲劳强度均在70 MPa以上, 最高可达140 MPa, 完全满足了重型柴油机及车用直喷增压汽油机的轴承的要求。MAHLE公司与F-M公司通过不同的基础材料并与之相配不同的涂层, 形成了适应不同轴承负荷的轴承种类。具体轴承类型及相关性能的比较见表7。F-M公司不同类型无铅化三金属轴承的应用范围及相应的疲劳极限见图4。
(4) 无铅化铜基连杆小头衬套材料
国外相继开发成功了Cu Al8合金、铜铋合金Cu Sn10Bi3.5及高强度的青铜合金Cu Sn8Ni, 均已投入商业化生产。这些合金的开发很好地满足了现代发动机高比压、高爆发压力的要求, 其单位最大许用比压远远高于原来传统的铅青铜材料Cu Pb10Sn10, 很好地满足了连杆小头衬套的强度要求, 由于材料中没有了Pb的成分, 衬套的耐腐蚀性能也有了明显的提高, 经长时间运转后常见连杆小头衬套发黑的情况有明显的改善。几种无铅连杆小衬套材料的承载能力与传统铜铅材料的对比见图5。
3 结束语
轴承材料 篇7
在长期达200℃的高温应用中, 新型“iglidur H”滑动轴承是汽车自动化领域的理想解决方案。比如:用于传动器, 或者在温度达70℃时, 作为载货车制动上的卡箍轴承。此外, 它还可以减振和耐腐蚀, 比如, 当需要添加制动油时, 就能显示出其价值了。
可以方便地用水和蒸气清洁
包装、食品工程和饮料罐装工业是“iglidur H”另一个主要应用领域。除了具有极好的化学抗性以外, 它甚至能被用于PES无尘室中, 因为这些轴承能用水和蒸气进行洁净。它们还拥有高耐磨性, 甚至能在不锈钢软轴上运行。“iglidur H”的典型应用是用于防腐剂罐装机械的升降机构、洗瓶机构中的清洗链或者夹瓶器。所有这些案例都表明了其优异性能可满足极端工况的要求。除了汽车和罐装技术, “iglidur H”材料还适应于更广泛的领域。
轴承材料 篇8
这些滑动轴承均具有免润滑、耐磨损以及低摩擦的优点, 甚至是暴露在高温、潮湿和化学介质中。“iglidur H1”是一种通用型材料, 根据制造商易格斯的介绍, “与普通高温工程塑料相比, 它的性价比更高。”
在长期达200℃的高温应用中, 新型“iglidur H1”滑动轴承是汽车自动化领域的理想解决方案, 比如用于传动器, 或者在温度达170℃时, 作为货车刹车上的卡箍轴承。此外, 它还可以减振和耐腐蚀, 比如当需要添加刹车油时就能显示出其价值了。
包装、食品工程和饮料罐装工业是“iglidur H1”另一个主要应用领域。除了具有极好的化学抗性以外, 它甚至能被应用于P E S无尘室中, 因为这些轴承能用水和蒸气的洁净。它们还拥有高耐磨性, 甚至能在不锈钢软轴上运行。“iglidur H1”的典型应用是在用于防腐剂罐装机械的升降机构中, 在洗瓶机构中的清洗链或者夹瓶器中。所有这些案例都表明了其优异性能可满足极端工况的要求。除了汽车和罐装技术, “iglidur H1”材料还适应于更广泛的领域。
轴承材料 篇9
纵观整个内燃机滑动轴承的历史, 最初的轴承合金是铅基合金, 铅在铜基轴承材料及部分铝基轴承材料中是关键的组成部分。在过去的25年当中, 无减摩涂层双层铝基轴承材料越来越多地成为汽油发动机滑动轴承材料选择的首选方案, 相对于镀有减摩涂层的三金属层铜基轴承, 双金属层铝基轴承则具有低制造成本、低磨损率的优点。与铜基轴承相比不利的一面是铝基轴承受承载能力的限制不能得到更多的应用, 正是由于这个原因带减摩涂层的含铅铜基轴承目前还在广泛地应用, 一些正在应用的双金属铝基轴承也含有少量的铅。为符合新法规的要求在新开发铝基轴承合金中必须禁用铅, 另外在加工与制造滑动轴承过程中, 铅外露也是即将被禁止的。
国外近年来最成功的铝基轴承合金是在SAE778材料基础上微调元素含量 (8%锡、3%硅、1.5%~2%铅) 的中锡铝材料。本篇文章所介绍的两种最新应用无铅新铝基轴承合金均出自该合金。针对不同的应用领域它们被设计成不同的材料特性, 一种是针对低负荷、高滑动速度应用领域如连杆小头衬套和主轴承;另一种是针对高负荷轴承的应用领域如连杆轴承。本文发表了上述两种合金的成分及相关性能数据, 与此同时还介绍了正在研制生产的另外两种铝基轴承合金, 一种是针对更高负荷的轴承;另外一种是具有高顺应性的应用于主轴承, 以适应轴的变形、高速转动中轴线的偏离及减小轴颈几何公差对轴承表面局部偏摩的影响。
2 铅在内燃机滑动轴承中的应用历程
2.1 铅基合金
最早的带钢背轴承就是锡基合金、铅基合金。相对于锡基合金而言成本较低的铅基合金是当今轴承材料的首选, 低熔点、低硬度的特点使铅基合金具有非常良好的滑动轴承性能。
2.2 铜基轴承合金
随着轴承负荷要求的提高, 强度更高的铜铅合金与铜铅锡合金被研制出来, 相对于铅基合金铅在这些合金中的含量 (10%~24%) 相对较低, 由于轴承材料要求的顺应性及滑动性能, 因此铅的作用依然非常重要。
2.3 减摩涂层
为提高轴承的抗疲劳强度及性能, 通常在高负荷轴承表面电镀一层减摩涂层, 一般减摩涂层厚度不超过0.025 mm。为提高轴承表面的抗擦伤性能及顺应性, 减摩涂层中通常含有一定量的铅, 尽管其含量很小, 但从环保角度看, 电镀过程产生的有毒废水及有害物质进入环境后会造成污染;减摩涂层中的铅也会随着轴承的磨损进入发动机油中, 通过换油过程铅进入自然环境后也会造成污染。
3 双金属铝基轴承合金材料的发展历程
双金属铝基轴承材料的应用, 相对于铜基轴承合金来讲在减少铅在轴承材料中的应用量方面具有质的飞跃, 下面简要介绍一下铝基轴承材料发展的历史。
3.1 Al-Sn20轴承合金
Al Sn20 (SAE783) 是第一种双金属铝基轴承材料, 它不含有铅的成分, 拥有很好的顺应性, 但由于其承载能力较低, 目前逐渐被含有一定量硅的新型铝基轴承材料所取代。
3.2 Al-Pb-Si轴承合金
铝铅硅合金发展于上世纪60年代末70年代初, 铝铅硅合金拥有良好的顺应性、较好的耐磨损性能及较低的成本 (与Al Sn20相比) , 尽管当时没有考虑环境因素, 它仍然含有一定量的铅, 但是其5%~9%的含铅量已经比铜铅轴承材料低很多。
3.3 Al-Sn-Si轴承合金
在过去20多年的铝基轴承的发展历程中, 一切新型轴承合金的研发工作都是围绕Al-Sn-Si系合金进行的。最为典型的材料是SAE788, 其中含Sn量为8%~12%, 含Si量为2%~4%, Pb含量占2%左右。与铜铅合金、铝铅合金相比, 铝锡硅合金中铅的含量非常低, 但这样低的含铅量在新相关法规中仍然是不允许的, 如果要满足新法规要求则铝锡硅轴承材料中铅元素的成分必须被替代或去除。
4 开发新型无铅化铝基系列轴承材料设想及目标
为开发适应不同载荷、不同应用领域的新型无铅化的滑动轴承材料, F-M公司确定开发4种无铅化的铝基合金轴承材料, 本文中分别以合金1至合金4加以区分。新型无铅化系列轴承材料的开发设计目标见图1。
合金1:应用于衬套和主轴承的无铅铝基轴承材料。
开发目标为轴承应具有良好的顺应性, 对抗疲劳性能的要求相对较低, 因为其主要应用领域是轴承负荷不高的衬套和主轴承, 而不是轴承负荷相对较高的连杆轴承。
合金2:应用于中等负荷轴承的无铅铝基轴承材料。
此合金应用开发目标为直接在Al Sn8Si3Pb2合金基础上去除铅的成分, 应用目标为中等负荷连杆轴承、主轴承、止推轴承、止推片及变速器衬套。
合金3:高负荷连杆轴承用无铅铝基合金轴承材料。
一般来说对于内燃机轴系, 最大轴承负荷出现在连杆轴承上, 因此只有开发出高强度的铝基轴承材料才有可能在高性能发动机上取代铜铅合金材料。开发合金3的目标是在目前生产的铝基合金基础上开发高疲劳强度无铅轴承材料, 以满足高性能发动机中连杆轴承材料的需求。
合金4:高顺应性的主轴承用无铅铝基合金轴承材料。
内燃机中主轴承负荷比连杆轴承负荷小得多, 一般情况下主轴承负荷小于连杆轴承负荷的1/2, 所以对于主轴承用材料而言强度不是主要问题。可是由于曲轴是高速旋转零件, 而且承受气体的爆发压力, 在发动机运转过程中曲轴都有不同程度的变形。为适应曲轴工作中的变形, 首先要求主轴承材料的顺应性, 主轴承应在一定程度上适应曲轴的变形及轴颈几何形状的偏差。从上世纪60年代开始, Al Sn20以其良好的顺应性得以一直在主轴承上广泛应用, 但由于缺少Si元素, 其耐磨性及抗疲劳强度差使得其应用范围一直受到一定程度的限制, 因此开发一种具有中等疲劳强度且具有良好顺应性的主轴承用无铅化铝合金是十分必要的。
5 新开发的无铅化铝基轴承系列合金概述
目前, 轴承应用最广泛的是中锡铝材料Al Sn8Cu0.8Cr0.2, 它具有良好的顺应性, 具备一定的抗疲劳强度, 新开发的无铅化铝基轴承系列合金以它为基础进行性能对比, 进而确定新材料的性能是否满足需求。
5.1 合金1
在Al Sn8Si3Pb2Cu0.8Cr0.2的基础上直接去除2%的Pb, 用相同质量比的Sn替代原质量比的Pb, Sn的含量达到10%, 新型合金1牌号为Al Sn10Si3。由于合金1的开发目标是针对较低负荷轴承, 高抗疲劳强度不是其开发的主要目标, 但必须有良好的顺应性, 因此该轴承在轧制过程中合金层与钢背之间不需要中间层, 将合金直接轧制在钢背上即可。
5.2 合金2
合金2的开发目标是与Al Sn8Cu0.8Cr0.2相比各项性能都不降低。为保证抗疲劳性能, 含Sn量由8%降低至6%, 去除铅的成分, 含Si量由3%增加至4%, 新型合金2牌号为Al Sn6Si4。经过调整以上元素成分, 合金2各方面性能都可以达到或超过Al Sn8Si3Pb2Cu0.8Cr0.2的水平。
5.3 合金3
为提高轴承材料的抗疲劳强度, 应严格控制铝基合金的金相组织, 在钢背和合金层之间采用AL-Mn合金的中间过渡层, 并且严格控制中间层厚度。金相组织的优化和中间层材料强度的提高均可大大地提高铝基轴承材料的抗疲劳强度, 使其在某些场合可以替代铜基合金。基于以上设想, 高强度等级的无铅Al Sn6Si4铝基轴承材料的开发便被确定下来。另外, 改变轧制工艺 (控制轧辊温度、多次退火) 等手段细化金相组织颗粒, 通过在钢背与铝合金之间轧制一层高强度、低厚度的Al-Mn合金中间层 (0.05 mm以下) 是提高抗疲劳强度的关键技术措施, 相对于普通的铝基合金轴承材料的中间层则为纯铝或没有中间层。
5.4 合金4
实践证明, 在合金层与钢背之间轧制一层薄薄的纯铝或Al MnAl Ni合金层可以提高轴承材料与钢背间的结合强度, 因此可以提高轴承材料的抗疲劳性能及顺应性。新开发的主轴承用合金材料Al Sn12Si3Cu0.5采用了纯铝中间层, 并优化了轧制工艺, 获得了一定的抗疲劳性能, 且拥有良好的顺应性。
6 新系列无铅化铝基轴承材料的性能
在轴承材料的开发过程中, 一般要对轴承材料的各项性能指标进行评估, 其具体性能指标如下。
a.抗疲劳性能:轴承合金在标准循环载荷下的抗疲劳及开裂的能力。
b.抗擦伤能力:轴承表面与轴颈表面在高负荷、边界润滑条件下的抗擦伤、抗粘接能力。
c.耐磨性:轴承与轴颈表面的耐摩粒磨损性能及轴颈表面形态恶化后的耐磨损能力。
d.耐腐蚀能力:耐老化机油中的化学物质 (S) 对轴承表面的腐蚀能力。
6.1 抗疲劳强度及抗擦伤能力
6.1.1 合金1
抗擦伤、粘合能力测试是在标准的轴颈抗擦伤试验机上进行的, 具体的试验条件见附录。
试验结果表明, 合金1的抗粘合能力在匹配钢轴、球铁轴2种条件下, 均高于现有的含铅的中锡铝硅材料。合金1与含铅铝基合金Al Sn8Si3Pb2材料的抗擦伤能力对比见图2。
6.1.1. 1 抗疲劳性能
抗疲劳强度的测试是在轴承工业标准的蓝宝石疲劳试验机上进行的, 蓝宝石疲劳试验机原理见附录。
试验结果表明, 合金1与含铅材料Al Sn8Si3Pb2相比, 其抗疲劳强度略有下降。因为合金1开发目标是针对中等负荷的轴承及衬套, 其抗疲劳强度不是最关键项, 所以抗疲劳强度的小幅度降低并不影响合金1的应用范围。合金1与含铅铝基合金Al Sn8Si3Pb2材料的抗疲劳强度对比见图3。
6.1.1. 2 应用情况及经验
合金1初始的设计目标是衬套用合金材料, 其应用领域为变速器衬套及发动机主轴承。在投产的几年中, 这种轴承合金已经在两种发动机上成功地实现了批量生产, 并且在其它应用领域中正在进行相关的确认试验。另外, 合金1已经广泛应用于变速器衬套的生产及其它与其性能相匹配的应用领域。
6.1.2 合金2
6.1.2. 1 抗擦伤性能
合金2的设计开发目标是保持Al Sn8Si3Pb2的所有性能, 包括抗擦伤性能。在随后进行的抗擦伤试验结果表明, 所有设计目标都实现了。试验时机油采用当今流行的低粘度机油5W-40。合金2与含铅铝基合金Al Sn8Si3Pb2材料的抗擦伤性能对比见图4。
合金2测试程序及试验条件与合金1相同。合金2与含铅铝基合金Al Sn8Si3Pb2材料的抗疲劳强度对比见图5。
6.1.2. 2 应用情况及经验
合金2已经广泛地在发动机中进行了相关测试, 最初的试验是在一款V6发动机上进行的。试验工况为高速、高负荷。试验结果表明, 总的性能与上一代含铅的Al Sn8Si3Pb2合金相当。基于以上的试验结果, 目前该无铅铝基合金轴承材料已经在数个系列的发动机上投入批量生产, 另外更多的确认试验也正在进行中。
6.1.3 合金3
开发合金3的主要目的是大幅度提高铝基轴承材料的抗疲劳性能, 使它可以应用到高负荷发动机的连杆轴承上。从疲劳测试结果看该目标已经实现。合金3与含铅铝基合金Al Sn8Si3Pb2材料的抗疲劳强度对比见图6。
抗擦伤性能方面的试验正在进行中, 在这方面期望保留初始合金的良好的抗擦伤性, 在抗擦伤性方面可以与合金2相当。同时, 在一些应用领域中期望合金3取代铜铅三元合金轴承材料。从图6中可以看出, 合金3的抗疲劳性能已经达到了传统的铜铅合金的水平。
6.1.4 合金4
6.1.4. 1 顺应性
顺应性在台架试验中很难被测试出来, 在循环负荷的条件下, 轴承材料未出现疲劳的状况, 查看轴承的工作状态包括中间纯铝薄膜层的受挤压变形情况, 均表明合金4的顺应性非常好。良好的顺应性是解决轴线偏离、轴颈几何形状偏差及轴承负荷偏载造成轴承偏磨问题的关键所在, 目前正在制定新的试验规范以验证合金4的顺应性。
6.1.4. 2 抗擦伤性
合金4的设计开发目标是, 在Al Sn8Si3Pb2合金的基础上提高轴承材料的顺应性和抗擦伤性, 保持其它性能如耐磨性、抗疲劳性能等。抗擦伤测试结果表明, 在采用低粘度润滑油的条件下, 其抗擦伤性能比现有含铅Al Sn8Si3Pb2合金有所提高。合金4与含铅铝基合金Al Sn8Si3Pb2材料的抗擦伤能力对比见图7。
6.1.4. 3 抗疲劳性能
抗疲劳性能的测试是在蓝宝石疲劳试验机上进行的, 试验程序及加载方式与合金1的开发流程相同。试验结果表明, 合金4的抗疲劳性能达到了设计目标, 比现有的含铅铝基合金Al Sn8Si3Pb2略有提高。合金4与含铅铝基合金Al Sn8Si3Pb2材料的抗疲劳性能对比见图8。
6.2 耐磨性及耐腐蚀性
6.2.1 耐磨性
新系列无铅铝基轴承材料的耐磨性试验是在一种衬套测试试验机上进行的。经过仔细斟酌, 设定了相关的试验程序, 既保证试验轴与衬套之间产生一定的磨损, 又不使轴与衬套之间出现严重的损坏 (擦伤、咬粘) 。试验机及试验条件见附录。由于含硅铝合金有较高的耐磨性, 所以新系列无铅铝合金轴承材料的耐磨性能与上一代含铅的铝合金轴承材料没有什么区别, 与铜铅合金 (带减摩涂层) 及不含硅的铝合金如Al Sn20材料相比, 新型无铅铝合金的耐磨性较高。新系列无铅轴承材料与铜铅材料的耐磨性对比见图9。新系列无铅铝基轴承材料与含铅铝基轴承材料耐磨性对比见图10。
6.2.2 耐腐蚀性
耐腐蚀试验是将轴瓦浸入150℃白矿物油中, 该矿物油不添加抗氧化剂, 可以较快速地使轴承产生腐蚀现象。通过测试质量损失来评价轴承材料的耐腐蚀性能。通过对比测试新一代的无铅铝基轴承合金的抗腐蚀性较好, 而进行对比试验的铜铅合金及铅基减摩涂层的腐蚀量相对很大, 具体的试验对比结果见图11。
7 轴承材料性能试验的详细概述
7.1 抗擦伤性试验
抗擦伤试验机简图见图12。
轴承擦伤试验条件见表1。
擦伤试验循环工况见图13。
7.2 抗疲劳性能测试
轴承材料的抗疲劳性能测试是在通用的工业蓝宝石疲劳试验机上进行的, 蓝宝石疲劳试验机原理见图14。
轴承材料抗疲劳试验条件见表2。
7.3 耐磨性测试
轴承磨损试验机见图15。
轴承材料磨损试验条件见表3。
8 结论
a.新系列的无铅合金Al Sn10Si3, 主要应用于轴承负荷较低的领域如变速器衬套和汽油机主轴承, 目前已经大批量生产。
b.另外一种新的无铅铝基材料Al Sn6Si4, 应用于汽油发动机领域, 目前已经投入大批量生产, 主要替代含铅Al Sn8Si3Pb2合金材料。
c.针对高负荷轴承应用领域, 提高抗疲劳强度的新型铝合金材料的试验认证工作尚未结束, 但初步的试验结果证明其抗疲劳强度已经达到或接近铜铅带减摩涂层材料的抗疲劳强度水平, 预计很快将投入批量生产。
d.另外一种新研发的Al Sn12Si3Cu0.5材料, 主要针对需要高顺应性的应用领域如发动机主轴承等, 预计将要投产。
9 结束语
国外公司已经成熟地开发出新一代的无铅铝基合金轴承材料并投入了批量生产, 实现了汽油发动机轴承材料的无铅化。在柴油发动机领域, 通过采用高抗疲劳强度的无铅化铝基轴承合金材料可减少铜基轴承合金的用量, 进而降低成本, 并由此减少电镀对环境的污染。我国汽车禁用物质国家标准的讨论稿已经出台, 汽车发动机滑动轴承无铅化工作已经提上议事日程, 各汽车发动机滑动轴承企业新型铝基无铅材料的研制及验证工作正在进行, 相信我国相关企业及科技人员, 在国家相关部门的支持下, 打破国外技术垄断, 研发出新一代的无铅铝基轴承材料。
参考文献