解读内燃机轴瓦的合金材料

发布时间：2023-12-23

作者：刘潇

来源：轴承杂志社

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滑动轴承其功能是支承载荷和相互滑动。滑动轴承可分为增摩和减摩二种，内燃机曲轴滑动轴承是减摩的，其轴瓦合金层必须是低摩擦因数材料，亦减少轴承的摩擦与磨损。合金轴瓦是发动机重要的摩擦副。制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金，又称滑动轴承合金、轴瓦合金。

1　内燃机合金轴瓦性能特点和组织结构

滑动轴承的作用既是支承旋转部件又承受燃气压力运动部件的惯性力，另外还要承受由于摩擦而产生的热负荷。轴瓦在轴承上，直接与轴相接触的部分，承受载荷并且与轴具有相对运动，为减少摩擦、磨损，对轴瓦材料提出各种要求，除要求摩擦副间摩擦因数小，耐磨外还应满足以下几点：应具有足够的抗压强度、抗疲劳强度和承受冲击的能力。

轴被轴承支承的部分称为轴颈，与轴颈相配的零件称为轴瓦，做成整圆筒形的轴瓦称为轴套，装轴瓦的部分总称壳件，其上半部称为轴承盖，下半部称为轴承座。盖和座用螺柱联接，两者的接合面由止口或销钉定位，并可放置不同厚度的垫片以调节轴承间隙。

内燃机的轴瓦是内燃机滑动轴承中的滑动部件，其形状为瓦状的半圆柱面，称为轴瓦。由于内燃机轴的重量较重，不能采用滚动轴承，只能采用滑动轴承。多数轴承的接合面是水平的，也有倾斜的，以适应载荷方向接近垂直于接合面的要求。为便于润滑油进入摩擦面之间，轴承盖上开有注油孔，轴瓦上有分配润滑油的轴向油槽。轴承盖和座大多用铸铁制造，承受载荷大的采用铸钢或钢板焊接结构。

径向滑动轴承有剖分式、整体式、凸缘式和自位式等几种型式。剖分式轴承的轴承盖可以启开，便于装入轴颈，轴瓦磨损后便于调整轴承间隙。整体式轴承构造简单，但轴颈必须从某一端装入，磨损后无法调整间隙。凸缘式轴承的安装面垂直于轴承中心线。自位式轴承能自动调整轴线，以适应轴的挠曲变形。径向滑动轴承的内孔直径称为轴承直径。轴瓦的轴向尺寸称为轴承宽度。轴承宽度与轴承直径之比称为宽径比，一般取0.4～1.5，为减小轴向尺寸（如在内燃机中）也有取到0.25的。

滑动轴承中轴瓦与内衬直接与轴颈配合使用，相互间有摩擦，而且还要承受交变载荷和冲击载荷的作用。由于轴是机器上的重要零件，其制造工艺复杂，成本高，更换困难，为确保轴受到的磨损，轴瓦的硬度应比轴颈低得多，必要时可更换被磨损的轴瓦而继续使用轴。

滑动轴承应有足够的抗压强度和抗疲劳性能；良好的减摩性（摩擦因数要小）；良好的储备润滑油的功能；良好的磨合性；良好的导热性和耐蚀性；良好的工艺性能；使之制造容易，价格便宜。一种材料无法同时满足上述性能要求，可将滑动轴承合金用铸造的方法镶铸在08钢的轴瓦上，制成双金属轴承。

2　内燃机轴瓦常用的合金材料

内燃机滑动轴承材料是制造轴瓦、轴套等零件的材料，这些零件是直接与轴或轴颈配合的摩擦偶件，滑动轴承材料必须具有良好的减摩性、耐磨性、嵌藏性、顺应性、耐腐蚀性及足够的承载能力，以减小摩擦磨损，延长轴承的使用寿命。轴瓦用减摩性良好的滑动轴承材料制造，包括金属材料（如铜合金、铝合金和巴氏合金等）和非金属材料（如塑料、石墨、橡胶和木材等）。有些减摩性较好的金属材料强度低（如巴氏合金），只在材料强度较高的轴瓦表面上浇铸一层，称为轴承衬。支撑轴承衬的部分称为轴承衬背，常用软钢、铸铁或青铜制造。为进一步改善轴承衬表面性能，可在其表面镀上减摩性更好的薄层金属（如铟）。这样由多层不同金属材料制造的轴瓦称为多层金属轴瓦。内孔形状基本不受轴承座孔形状影响的轴瓦称为厚壁轴瓦；内孔形状主要取决于轴承座孔形状的轴瓦称为薄壁轴瓦。在内燃机、空气压缩机等大批量生产的机器中广泛采用薄壁轴瓦。

评价滑动轴承材料的主要项目(指标)包括：抗压强度和抗疲劳强度、耐磨性、磨合性、防止与轴颈黏附的摩擦相容性、补偿滑动表面初始配合不良的顺应性、容许硬质颗粒嵌藏以减轻轴颈刮伤的嵌入性、导热性、耐蚀性、加工工艺性、价格等。

滑动轴承材料应根据载荷、速度、温度、润滑条件和寿命等因素进行选择。常用的滑动轴承材料有巴氏合金、铜基和铝基合金、耐磨铸铁、塑料、橡胶、木材和碳-石墨等。随着现代内燃机向高速、大型化方向发展，对滑动轴承的承载能力及可靠性提出了更高的要求。传统的巴氏合金轴承材料的承载能力特别是高温承载能力较低，随温度的上升，会出现严重的粘着磨损而引起烧瓦事故；铜基轴承合金的承载能力和疲劳强度很高，但其表面顺应性、嵌藏性及磨合性较差，容易伤轴，故其表面?要一层铅锡二元合金或三元合金材料。

3　锡基轴承合金的滑动轴承

一种以锡、锑、铜为主要成分的低熔点合金，又称白合金、轴承合金。1839年美国人巴比特以这种合金获得美国专利。合金的基体是锡中溶有铜和锑的固溶体软组织，其中分布有锡铜锑化合物构成的硬颗粒。软组织具有良好的摩擦相容性、顺应性和嵌入性，硬颗粒具备一定的支承载荷的能力。巴氏合金强度低，只能作软钢、铸铁或青铜轴承的轴承衬用。后来，又出现以铅、锑、铜为主要成分的轴承合金。前一种称为锡基巴氏合金，后者称为铅基巴氏合金。锡基巴氏合金价格较高，主要用于高速重载的重要轴承和大型轴承。

铅基巴氏合金的性能不如锡基合金，但价廉、应用较广、适用于中速、中载且载荷比较稳定的轴承。加入微量元素(如铬、铍等)制造高强度巴氏合金，是新的发展方向。锡基轴承合金的表示方法与其他铸造非铁金属的牌号表示方法相同，例如ZSnSb4Cu4表示含锑的平均质量分数为4%、含铜的平均质量分数为4%的锡基轴承合金。巴氏合金的价格较贵，且力学性能较低，通常是采用铸造的方法将其镶铸在钢（08钢）的轴瓦上形成双金属轴承使用。

锡基轴承合金的缺点是疲劳强度低，许用温度也较低(不高于150℃)，一旦润滑条件不正常，轴承极易烧损，同时它的抗压强度也不够高，承受高转速重负荷时易于损坏。由于锡较贵，条件允许的情况下，采用铅基轴承代替锡基轴承合金。

4　铅基轴承合金的滑动轴承

铅基轴承合金也是一种软基体硬质点类型的轴承合金，加入锑、锡、铜等合金元素组成的合金。铅基轴承合金的强度、硬度、导热性和耐蚀性均比锡基轴承合金低，而且摩擦因数较大，但价格便宜。适合于制造中、低载荷的轴瓦，如汽车、拖拉机曲轴轴承、铁路车辆轴承等。常用的铅基轴承合金中软基体是锑溶入铅形成的固溶体(即α固溶体)和以化合物SnSb为基的含铅固溶体(即β固溶体)所组成的共晶体( 即α＋β共晶体)。硬质点是化合物SnSb和Cu3Sn。铅基轴承合金的硬度、强度、韧性都比锡基轴承合金低，但摩檫系数较大，价格较便宜，铸造性能好。铅锑系的铅基轴承合金应用广，常用于制造承受低速、低负荷的轴承合金使用。如汽车、拖拉机的曲轴、连杆轴承及电动机轴承，但其工作温度不能超过120℃。铅基、锡基巴氏合金的强度都较低，需要把它镶铸在钢的轴瓦(一般用08钢冲压成型)上，形成薄而均匀的内衬，才能发挥作用。这种工艺称为挂衬。

5　铝基轴承合金的滑动轴承

随着汽车发动机向高速、重载、增压强化方向发展，轴承的工作条件更加恶化，因此，对轴承材料提出了更高的要求。铝基轴承合金基本上具备了上述轴承合金的优点，并弥补了它们的不足之处，因此，在汽车发动机上应用日益增多。铝基合金有铝锑镁合金、铝锡合金和铝硅合金。它们的抗压强度和抗疲劳强度较高，导热性和耐蚀性好，价廉，但其摩擦相容性、嵌入性和顺应性较差，广泛用於内燃机和压缩机轴承。铝基轴承合金是以铝为基体加入锑、锡等合金元素所组成的合金，密度小，导热性和耐蚀性好、疲劳强度高。这种合金的优点是导热性、耐蚀性、疲劳强度和高温强度均高，而且价格便宜。缺点是膨胀系数较大，抗咬合性差。目前以高锡铝基轴承合金应用广泛。适合于制造高速(13m/s)、重载（3200MPa）的发动机轴承。常用牌号为ZAlSn6Cu1Ni1。

铝基轴承合金是一种新型减摩材料，原料丰富，价格便宜，广泛应用于高速、重载下工作的汽车、拖拉机及柴油机轴承等。但它的线膨胀系数大，运转时容易与轴咬合使轴磨损，可通过提高轴颈硬度，加大轴承间隙和降低轴承和轴颈表面粗糙度值等办法来解决。

6　铜基合金用作滑动轴承

滑动轴承材料的铜基合金主要有：以铜、锑为主要成分的黄铜；以铜、锡为主要成分的青铜；以及铜铅合金(又称铅青铜)。铜基合金强度高，导热性和耐磨性好，允许工作温度比巴氏合金高，但顺应性、嵌入性和摩擦相容性都不如巴氏合金，可用作轴瓦或轴承衬材料。常用的含锡、磷的锡青铜，适用於中速重载或受冲击载荷的轴承；含锡、锌、铅的锡青铜，适用於中速中载的轴承；铅青铜承载能力大、疲劳强度高，适用於速度较高、受冲击载荷的轴承；铝青铜强度很高、耐蚀性好，适用於低速重载轴承。黄铜性能一般不如青铜，但价廉、主要用於低速轴承，但含锰、硅的黄铜性能优於锡青铜。某些青铜又可制造轴承，故称为铜基轴承合金，如锡青铜、铝青铜、铅青铜和锑青铜等。与巴氏合金相比，具有高的疲劳强度和承载能力，优良的耐磨性、导热性和低的摩擦因数，因此可作为承受高载荷、高速度及高温下工作的轴承。

7　多层轴承合金的滑动轴承

多层轴承合金是一种复合减磨材料。例如，将锡锑合金、铅锑合金、铜铅合金、铝基合金等之一与低碳钢带一起轧制，复合而成双金属。为了进一步改善顺应性、嵌镶性及耐蚀性，可在双层减磨合金表面上再镀上一层软而薄的镀层，这就构成了具有更好减磨性及耐磨性的三层减磨材料。这种多层合金的特点都是利用增加钢背和减少减摩合金层的厚度以提高疲劳强度，采用镀层来提高表面性能。

8　结束语

总之，轴承合金的结构组织是在软相基体上均匀分布着硬相质点，或硬相基体上均匀分布着软相质点。轴承合金应具有良好的耐磨性能和减磨性能；有一定的抗压强度和硬度，有足够的疲劳强度和承载能力；塑性和冲击韧性良好；具有良好的抗咬合性；良好的顺应性；好的嵌镶性；要有良好的导热性、耐蚀性和小的热膨胀系数。轴承材料，要求与轴表面的摩擦因数小，轴颈的磨损少，而能承受足够大的比压、胀系数小、良好的耐腐蚀等。对于一般性能的发动机，用高锡铝合金制成的轴瓦，具有很高的性能价格比。因此它成了内燃机轴瓦的主要材料之一。随着科学技术和汽车工业的不断发展，现代发动机的设计向“高速、高压、大功率、低能耗”的方向发展，科研人员将微纳米技术应用在特种减摩合金材料领域，先后开发出了为满足某些单项性能有特殊需求的微晶合金材料，特种微晶轴承材料不仅填补了减摩材料国内的空白，而且从材料的单项性能方面保持了与世界微晶合金技术的同步发展。