[科普中國(guó)]-軸承合金

簡(jiǎn)介

制造軸承用的合金的總稱(chēng)。對(duì)軸承材料，要求與軸表面的摩擦系數(shù)小，軸頸的磨損少，而能承受足夠大的比壓。常用的有巴比合金、青銅、鑄鐵等。1

用于制造滑動(dòng)軸承（軸瓦）的材料，通常附著于軸承座殼內(nèi)，起減摩作用，又稱(chēng)軸瓦合金。最早的軸承合金是1839年美國(guó)人巴比特 (I.Babbitt)發(fā)明的錫基軸承合金(Sn-7.4Sb-3.7Cu),以及隨后研制成的鉛基合金,因此稱(chēng)錫基和鉛基軸承合金為巴比特合金（或巴氏合金）。巴比特合金呈白色，又常稱(chēng)“白合金” (white metal)。巴比特合金已發(fā)展到幾十個(gè)牌號(hào)，是各國(guó)廣為使用的軸承材料，相應(yīng)合金牌號(hào)的成分十分相近。中國(guó)的錫基軸承合金牌號(hào)用“Ch”符號(hào)表示。牌號(hào)前冠以“Z”,表示是鑄造合金。如含有Sbll%和 Cu6%的錫基軸承合金牌號(hào)為“ZChSnSb11-6”。1

性能軸承合金應(yīng)具有如下性能：①良好的減摩性能。要求由軸承合金制成的軸瓦與軸之間的摩擦系數(shù)要小，并有良好的可潤(rùn)滑性能②有一定的抗壓強(qiáng)度和硬度能承受轉(zhuǎn)動(dòng)著的軸施于的壓力；但硬度不宜過(guò)高，以免磨損軸頸。③塑性和沖擊韌性良好。以便能承受振動(dòng)和沖擊載荷，使軸和軸承配合良好。④表面性能好。即有良好的抗咬合性、順應(yīng)性和嵌藏性。⑤有良好的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和小的熱脹系數(shù)。1

巴氏合金具有軟相基體和均勻分布的硬相質(zhì)點(diǎn)組成的組織。典型錫基軸承合金中,軟相基體為 固溶體,硬相質(zhì)點(diǎn)是錫銻金屬間化合物(SnSb)。合金元素銅和錫形成星狀和條狀的金屬間化合物(CuSn)，可防止凝固過(guò)程中因最先結(jié)晶的硬相上浮而造成的比重偏析。巴氏合金具有較好的減摩性能。這是因?yàn)樵跈C(jī)器最初的運(yùn)轉(zhuǎn)階段,旋轉(zhuǎn)著的軸磨去軸承內(nèi)極薄的一層軟相基體以后,未被磨損的硬相質(zhì)點(diǎn)仍起著支承軸的作用。繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸與軸承之間形成連通的微縫隙1

應(yīng)用可作軸承材料的還有銅基合金、鋁基合金、銀基合金、鎳基合金、鎂基合金和鐵基合金等。在這些軸承材料中，銅基合金、鋁基合金使用最多。使用鋁基軸承合金時(shí)，通常是將鋁錫合金和鋼背軋?jiān)谝黄?，制成雙金屬應(yīng)用。即通常所說(shuō)的鋼背輕金屬三層軸承。其他合金只在特殊情況下使用，如為減輕重量，有些航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鎂基合金作軸承；要求耐高溫，用鎳基合金作軸承；要求高度可靠性的機(jī)器，用銀基合金作軸承。用粉末冶金方法制成的燒結(jié)減摩材料，也越來(lái)越多地用來(lái)制作軸承。1

軸承合金的發(fā)展歷程軸承合金是摩擦系數(shù)小的合金材料。人們習(xí)慣于把用于制造滑動(dòng)軸承（軸瓦）的有色合金材料稱(chēng)為減摩合金或滑動(dòng)軸承合金。1

一、軸承合金的起源錫青銅是人類(lèi)應(yīng)用最早的合金，已有約4000年的歷史。它具有耐腐蝕、耐磨損，有較好的力學(xué)性能和工藝性能，具有焊接和釬焊沖擊時(shí)不產(chǎn)生火花的特性；人類(lèi)對(duì)錫青銅用作減摩零件和滑動(dòng)軸承使用，可以追溯到18世紀(jì)中葉的工業(yè)革命時(shí)期。最早提出軸承合金概念的是美國(guó)人巴比特 (I.Babbitt)，1839年巴比特發(fā)明了錫基合金和鉛基合金用于制造滑動(dòng)軸承，稱(chēng)錫基減摩合金和鉛基減摩合金為巴氏合金。后來(lái)業(yè)內(nèi)人士通常稱(chēng)用于制造滑動(dòng)軸承的銅基減摩合金和巴氏合金為軸承合金。銅基減摩合金、錫基減摩合金和鉛基減摩合金等滑動(dòng)軸承合金也被當(dāng)今業(yè)內(nèi)稱(chēng)為傳統(tǒng)減摩合金。1

二、新型軸承合金的發(fā)展1930年“二戰(zhàn)”前夕，德國(guó)為了解決銅資源緊缺和高成本的問(wèn)題，開(kāi)始尋找錫青銅、鉛黃銅及巴氏合金的替代品，啟動(dòng)了新一代滑動(dòng)軸承合金的研究。1935年，德國(guó)經(jīng)過(guò)近五年的研究，發(fā)現(xiàn)鑄造鋅基合金和鑄造鋁基合金的力學(xué)性能和減摩性能均可以超過(guò)銅基合金和巴氏合金。1938年德國(guó)成功地使用鑄造鋅基合金替代錫青銅、鋁青銅和使用鑄造鋁基合金替代了巴氏合金等用來(lái)制造軸瓦（套）產(chǎn)品，而且裝備到軍事坦克和汽車(chē)中并取得良好的效果。1939-1943年“二戰(zhàn)”期間，德國(guó)鑄造鋅基合金和鑄造鋁基合金的年使用總量由7800噸猛增到49000噸，這一變化引起了國(guó)際鉛鋅組織的高度關(guān)注和重視。1959年，國(guó)際鉛鋅組織成員單位聯(lián)合啟動(dòng)了一項(xiàng)科研計(jì)劃，命名為“LONG-S PLAN”，其宗旨是研發(fā)一種比銅基合金和巴氏合金的性能更高、使用壽命更長(zhǎng)的新一代減摩合金，在該計(jì)劃中將此研發(fā)中的減摩合金稱(chēng)之為long-s metal。1961-1963年間，國(guó)際鉛鋅組織成員單位率先研制出鋁基long-s metal減摩合金，牌號(hào)分別為AS7、AS12、AS20等。鋁基合金AS7、AS12首先被應(yīng)用在汽車(chē)上替代了傳統(tǒng)的銅基合金軸瓦，使汽車(chē)的高速性能得到了很大提高，促進(jìn)了汽車(chē)工業(yè)快速發(fā)展；在此之后鋁基合金AS20又在大、中型電動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)、水輪機(jī)、工業(yè)泵、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等高速、中低載荷的工況下得到了應(yīng)用，替代了傳統(tǒng)的巴氏合金，促進(jìn)了裝備制造業(yè)的快速發(fā)展。上世紀(jì)70年代初期，加拿大Norand Mines Limied研究中心與美國(guó)Zastern公司合作，研制出鋅基long-s metal減摩合金ZA8、ZA12、ZA27等，并將ZA27減摩合金應(yīng)用在軋鋼機(jī)、壓力機(jī)、齒輪箱、磨煤機(jī)、空調(diào)、精密機(jī)床等低速、重載的工作場(chǎng)合，全面替代了傳統(tǒng)的銅基合金減摩材料。新一代long-s metal減摩合金的問(wèn)世受到國(guó)際上廣大用戶(hù)的極大關(guān)注，許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都在long-s metal研發(fā)上投入更多的人力、物力，僅美國(guó)就有數(shù)十家公司開(kāi)發(fā)long-s metal鋁基、鋅基等系列減摩合金。由于long-s metal具有優(yōu)良的減摩性、較好的經(jīng)濟(jì)性，在制造業(yè)領(lǐng)域迅速得到推廣并全面替代銅基合金、巴氏合金等傳統(tǒng)減摩合金，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。后來(lái)人們稱(chēng)long-s metal軸承合金為新型減摩合金。美國(guó)Zastern公司技術(shù)顧問(wèn)Mr.Bess在其介紹“LONG-S PLAN”文章中指出：研制經(jīng)濟(jì)型long-s metal減摩合金的目的，不僅僅是要在傳統(tǒng)軸承合金能夠勝任的場(chǎng)合替代它們，更重要的是通過(guò)long-s技術(shù)，使long-s metal應(yīng)用于銅基合金和巴氏合金在強(qiáng)度、耐磨性不能滿(mǎn)足要求的場(chǎng)合。據(jù)Mr.Bess當(dāng)時(shí)的預(yù)測(cè)：“l(fā)ong-s metal減摩合金在近期會(huì)有一個(gè)很大的發(fā)展，其生產(chǎn)規(guī)模和銷(xiāo)售市場(chǎng)將迅速擴(kuò)大，二十一世紀(jì)將是long-s metal的全盛時(shí)期?！?

三、國(guó)內(nèi)新型軸承合金的發(fā)展緣于新型long-s metal與傳統(tǒng)的巴氏合金皆可用于制造滑動(dòng)軸承，而且制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于巴氏合金，故long-s metal被國(guó)內(nèi)音譯為“龍氏合金”，業(yè)內(nèi)稱(chēng)long-s metal為新型減摩合金，更多人習(xí)慣稱(chēng)之為新型軸承合金。1982年，國(guó)家鑄造技術(shù)的歸口單位沈陽(yáng)鑄造研究所，引進(jìn)了美國(guó)ASTM B791-1979標(biāo)準(zhǔn)中l(wèi)ong-s metal ZA27鋅基合金，經(jīng)過(guò)近二年的消化吸收，開(kāi)發(fā)出了國(guó)產(chǎn)鋅基ZA27新型軸承合金，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為ZA27-2，標(biāo)志了我國(guó)新型減摩合金的發(fā)展拉開(kāi)了序幕。1985年，由時(shí)任遼寧省副省長(zhǎng)陳淑芝女士的倡導(dǎo)和沈陽(yáng)鑄造研究所有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下，成立了由沈陽(yáng)鑄造研究所的技術(shù)組成的沈陽(yáng)軸瓦材料研究所，專(zhuān)門(mén)從事引進(jìn)的long-s metal技術(shù)，以推動(dòng)國(guó)內(nèi)“龍氏合金”技術(shù)的發(fā)展及推廣。1991年，沈陽(yáng)軸瓦材料研究所首先在鋅基ZA27-2合金的基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)了高鋁鋅基ZA303合金材料，解決了ZA27-2低溫脆性等缺點(diǎn)，并與當(dāng)年通過(guò)了沈陽(yáng)市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科學(xué)技術(shù)成果鑒定，自此“龍氏合金”技術(shù)在國(guó)內(nèi)各大高等院校和科研單位進(jìn)行大范圍的擴(kuò)散和技術(shù)交流，推動(dòng)了我國(guó)“龍氏合金”的快速發(fā)展。1

四、軸承合金進(jìn)入了“微晶合金”時(shí)代1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生，該會(huì)議正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。1

1999年，納米技術(shù)走向市場(chǎng)，基于納米技術(shù)的產(chǎn)品全球年總營(yíng)業(yè)額高達(dá)到500億美元；一些國(guó)家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。日本設(shè)立納米材料研究中心，把納米技術(shù)列入新5年科技基本計(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn)；德國(guó)專(zhuān)門(mén)建立納米技術(shù)研究網(wǎng)；美國(guó)將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心；中國(guó)也將納米科技列為中國(guó)的“973計(jì)劃”。1

2001年，源自納米技術(shù)所衍生出來(lái)的一個(gè)技術(shù)分支---微納米應(yīng)用技術(shù)。發(fā)達(dá)國(guó)家的微納米應(yīng)用技術(shù)在基礎(chǔ)材料領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用并取得了驚人的成果，尤其是應(yīng)用微納米技術(shù)制造出的許多微晶合金材料，正在對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，已徹底改變了人們的思維方式。微晶合金是一種合金晶粒細(xì)化至微米級(jí)的合金材料，具有這種超微晶粒的合金可以實(shí)某一特殊方面表現(xiàn)出極其優(yōu)異的綜合機(jī)械性能、超強(qiáng)的尺寸穩(wěn)定性和耐磨性。1

2005年，中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)正式成立，標(biāo)志著我國(guó)的微納米應(yīng)用技術(shù)起步。中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)會(huì)員單位的科研人員將微納米技術(shù)應(yīng)用在特種減摩合金材料領(lǐng)域，先后開(kāi)發(fā)出了為滿(mǎn)足某些單項(xiàng)性能有特殊需求的微晶合金材料，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)用輕體鎂基微晶合金、耐高溫的鎳基微晶合金、要求高度可靠性的銀基微晶合金等。特種微晶軸承材料不僅填補(bǔ)了減摩材料國(guó)內(nèi)的空白，而且從材料的單項(xiàng)性能方面保持了與世界微晶合金技術(shù)的同步發(fā)展。1

2009年，中科院沈陽(yáng)金屬研究所、中科院沈陽(yáng)鑄造研究所、東北大學(xué)、沈陽(yáng)理工大學(xué)等微納米技術(shù)應(yīng)用研究領(lǐng)域的專(zhuān)家們，開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)；研發(fā)出一整套微合金化處理及低溫急冷等聯(lián)合熔鑄工藝技術(shù)（俗稱(chēng)三次熔煉工藝法），實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)型微晶合金的制備；已有四種經(jīng)濟(jì)型微晶合金材料在國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，其中包括具有超低減摩系數(shù)的微晶合金LZA3805，具有較大PV值特性的微晶合金LZA4008，具有超耐磨特性的微晶合金LZA4205，具有良好抗沖擊特性的微晶合金LZA4510等。微晶合金可以滿(mǎn)足單項(xiàng)性能特殊要求的特性，是區(qū)別于傳統(tǒng)普通減摩合金的重要標(biāo)志，為裝備制造業(yè)實(shí)現(xiàn)減摩材料的定制化生產(chǎn)，滿(mǎn)足了設(shè)備制造的個(gè)性化需求，為實(shí)現(xiàn)裝備制造的高效率、高精度、高可靠性、低成本等方面提供了有力的保障。1

2010年，采用微晶合金制造的軸瓦、軸套、蝸輪、滑板、絲母等系列減摩產(chǎn)品，已經(jīng)成功地在鍛壓設(shè)備制造行業(yè)、數(shù)控機(jī)床制造行業(yè)、減變速機(jī)制造行業(yè)、重型礦山設(shè)備制造行業(yè)、工程機(jī)械制造行業(yè)中得到了應(yīng)用。1

微晶合金產(chǎn)品以其高可靠性及穩(wěn)定性成功替代傳統(tǒng)減摩合金和新型減摩合金產(chǎn)品，取得了良好的社會(huì)效益和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，標(biāo)志我國(guó)軸承合金進(jìn)入了微晶合金時(shí)代！1