无铅铜铋石墨轴承材料摩擦学特性研究

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Study of tribological characteristics of lead-freecopper-bismuth-graphite bearing materialsLIANG Jian-zhao， YIN Yan-guo(School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)Abstract：Lead-free copper-bismuth-graphite bearing materials were prepared by the conventional pow-der metallurgy method.The wear and friction tests were conducted by using the M-200 tribometer un-der the oil-free and less oil lubrication conditions.The properties of anti-friction and wear resistancewere analyzed.The results show that the properties of anti-friction and wear resistance of copper-bis-muth-graphite bearing material including 2 copper coated graphite are good，the synergy betweengraphite and bismuth in friction-reducing and anti-adhesion is effective。

Key words：copper-bismuth-graphite；bearing material；tribology；synergy铜铅滑动轴承材料具有较好的减摩、耐磨性能，广泛用于制造高速重载及大功率的滑动轴承零件[1 ]。但是长期使用含铅产品会对人体和环境造成危害，随着人类降意识和环境保护意识的逐渐增强，产品无铅化成为必然趋势34]。欧盟制定了ELV(End-of-I ife Vehicle)准则-报废车辆指令，2003年 7月以后生产的汽车禁用铅、镉、汞和 6价铬 4种有害物质，2007年以后强制执行，典型含铅汽车零件--铜铅轴承也被禁止使用。

无毒低熔点金属元素 Bi与铅相似，与铜不溶，也不形成化合物，基本以游离态形式存在于铜合金中，摩擦过程中摩擦热使低熔点的Bi在摩擦表面熔化析出，起到减摩、抗黏着作用，从而降低摩擦副摩擦系数，但是由于 Bi的脆性特征，在摩擦过程中容易直接从基体中脱落，导致轴承材料的减摩、抗黏着性能变差[5-8]。石墨具有良好的润滑性能，是-种比较理想的固体润滑剂[g。 ，利用石墨的固体润滑特性可以弥补铜铋轴承材料减摩性能的不足，但关于铜-铋-石墨滑动轴承材料摩擦学特性的研究报道较少。

本文采用粉末冶金方法制备了无铅铜铋石墨轴承材料，研究无铅铜铋石墨轴承材料在不同工况条件下的摩擦磨损特性及机理，了解铋与石墨在减摩、抗黏着方面的协同作用，为研发新型高性能无铅铜基滑动轴承材料提供理论依据。

收稿 日期：2012-10-23；修回日期：2012-12 08基金项目：国家 自然科学基金资助项目(50975072；51075114)作者简介：梁建钊(1987-)，男，湖北麻城人，合肥工业大学硕士生；尹延国(1964-)，男，安徽天长人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师390 合肥工业大学学报(自然科学版) 第36卷1 实 验1.1 材料制备铜基滑动轴承材料的配方见表 1所列，其基体主要为铜锡合金，在此基础上分别添加不同含量的石墨，其中0 材料为不含铋和石墨的铜基轴承材料，1 材料为含 4 铋的铜铋轴承材料，2#～7#为不同石墨质量分数的铜铋轴承材料，其中 7 为含 2 的镀铜石墨。试样采用传统粉末冶金工艺制备，首先按照表 1的配方进行精确称重配比，并用干混机械法充分混合均匀，将混合均匀的合金粉放在模具上进行压制，压力为 600～700 MPa，保压 3～5 min，材料烧结在高温网带烧结炉中进行。

采用氨分解气氛(Nz、Hz)保护，烧结气氛的主要作用是控制合金粉与环境之间的化学反应，可以还原粉末颗粒表面的氧化膜，促进烧结，防止材料进-步氧化，烧结温度为 820860℃，保温时间为30 min。

1.2 机械性能测试利用 HB-2000布氏硬度计和 WE-600型液压式万能材料试验机，测量铜基轴承材料的硬度和压溃强度。

.- 董簦蓄1.3 摩擦磨损试验摩擦磨损试验在M-200型摩擦磨损试验机上进行，试验摩擦副为环块接触方式，待测试样为(块状)铜基轴承材料，宽度d为6.5 rfUTl，对偶件(圆环状)材料为 45 淬火钢，硬度值为(50±3)HRC，外径为40 mm，内径为 15 n2tn，厚度 B为 10 mrn。摩擦副接触方式如图 1所示，试验条件为无油润滑(干摩擦)和少油润滑，润滑油为 32 机械油；对偶件作旋转运动，线速度为0.837 m/s，载荷分别为50、75、100 N，实验时间为 60 min。摩擦磨损试验结束后测量磨痕宽度并计算体积磨损量，利用光学显微镜观测材料表面磨痕形貌。

(几 廿1.夹具 2.试样 3.对偶件图 1 摩擦副接触形式2 结果与讨论2.1 铜铋石墨轴承材料力学性能铜铋石墨轴承材料的压溃强度和硬度的变化如图2所示。

由图 2a看出，不含铋与石墨的 0#铜基轴承材料的压溃强度最大，明显高于其他铜铋石墨轴承材料。与 O#材料相 比，1#铜铋轴承材料的压溃强度明显减小，表明在铜基材料的基础上加入铋后，对材料的压溃强度有较大的影响。与 1#材料相比，2#～7 铜铋石墨轴承材料的压溃强度又图 2 材料的力学性能基 第4期 梁建钊，等：无铅铜铋石墨轴承材料摩擦学特性研究 391进-步减小，当石墨的质量分数为 2 9/6时，其压溃强度几乎为纯铜轴承材料的 1/2；石墨质量分数大于 2 后 ，材料压溃强度的降低趋势加快。与含2 普通石墨的4 铜铋石墨轴承材料相比，含2 镀铜石墨的7 铜铋石墨轴承材料的压溃强度相对较高。

由图 2b可以看出，不含铋与石墨的 0 铜基轴承材料的硬度最大，明显高于其他铜铋石墨轴承材料。与 0 材料相比，1 铜铋轴承材料的硬度明显减小，表明在铜基材料的基础上加入铋后，对材料的硬度有较大的影响。与 1 材料相比，2#～7 铜铋石墨轴承材料的硬度进-步减小，随着石墨质量分数的增加，材料的硬度明显逐渐降低，但总体降低的趋势比较缓慢，且质量分数为2 普通石墨的铜铋石墨轴承材料比质量分数为2 镀铜石墨的铜铋石墨轴承材料的硬度小，与强度检测结果-致，这是由于石墨为非金属，与铜合金基体结合性差，而在石墨表面镀铜后，与铜合金基体结合性好，因此铜铋石墨轴承材料的强度、硬度相应提高。

2.2 铜铋石墨轴承材料摩擦学特性2.2.1 干摩擦条件下铜铋石墨轴承材料特性干摩擦、定载荷(50 N)条件下铜铋石墨轴承材料的摩擦副摩擦系数 随时间变化情况和体积t/min(a磨损量 △变化情况，如图 3所示。

由图 3a看出，不含铋与石墨的 0 铜基轴承材料摩擦副摩擦系数在 10 min内呈上升趋势，最高达到 0.44左右，明显高于其他铜铋石墨轴承材料，且在试验过程中摩擦副运行不稳定，摩擦副摩擦系数波动较大，表现出相对较差的减摩、抗黏着特性。

与0 材料相比，1 铜铋轴承材料的摩擦系数相对减小，在 15 rain内摩擦系数快速上升，最高达到0.35左右，且在试验过程中比0 材料摩擦副运行稳定，说明铋的加入对铜铋轴承材料的减摩、抗黏着特性有明显的影响。

与 1 材料相 比，2#～7 铜铋石墨轴承材料的摩擦副摩擦系数又进-步减小，表明石墨对铜铋石墨轴承材料的减摩、抗黏黏着特性有明显的影响，其中与2#、3 材料相比，4#～6 铜铋石墨轴承材料的摩擦副摩擦系数减幅增大，且几种较为接近，试验 20 min后，摩擦系数基本维持在0.27左右，摩擦系数波动较小，摩擦副运行比较稳定。7#为采用 2 镀铜石墨的铜铋石墨轴承材料，可以看出其减摩抗黏着特性更好，试验过程中，其摩擦系数基本维持在 0.-18左右，波动较小，摩擦副运行平稳，即镀铜石墨与铋在减摩抗黏着特性方面体现出较好的协同作用。

I；；i；l I；；；l -F//-/A-y/J-/.4- 图 3 定载荷条件下摩擦副摩擦系数和磨损量试验结束后测量材料的磨痕宽度，并计算其体积磨损量。由图 3b可以看出，与 0 铜基轴承材料相比，虽然 l 铜铋轴承材料在干摩擦条件下的减摩性能有所改善，但其磨损量明显增大，验证了铋的脆性金属特性，其容易从基体表面脱落，导致磨损量较大，即1 铜铋轴承材料不宜在干摩擦条件下使用。在铜铋轴承材料的基础上添加-定量的石墨，使得复合材料的耐磨性能有了明显提高，2 ～7 含石墨铜铋石墨轴承材料的磨损量不但明显小于1#铜铋轴承材料，而