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1、F E A T U R E S汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M2009年第7期1专题报道国外内燃机滑动轴承材料无铅化及其应用中国第一汽车集团公司技术中心 李 鹏随着人类社会对环境保护越来越重视，对发动机滑动轴承制造业采用的铜铅合金滑动轴承的减摩涂层中铅的使用限制的呼声越来越高，铅是有毒的重金属，故从保护环境的角度来看，必须严格控制在发动机滑动轴承领域中使用铜铅合金材料。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%
2、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
3、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10%12%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3 m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
4、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20%锡 - 铝 合 金 提 高了20%30%。AlSn20CuMn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 ，图1 有Mn和无Mn的AlSn20Cu1的金相组织表1 各公司的锡-铝合金的具体牌号和相关性能公司名称代号牌号硬度HV疲劳强度/MPa Miba公司3.2020AlSn20Cu30404045 Miba公司3.2511AlSn25CuMn48554045 F-M公司A370AlSn20CulMn40504
5、550 MAHLE（Glicier）MAS16（AS15）AlSn20Cul30404045 MAHLE（Glicier）MAS16（AS16）AlSn20CulMn45554550 大同公司AS17SAlSn17Cu1Mn45554550图2 AlSn20CuMn与AlSn10CuMn金相组织对比汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M2009年第7期2F E A T U R E S专题报道AlSn10CuMn与左面的AlSn20CuMn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AlNi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
6、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6070HV。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CuPb24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7210
7、5 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，
8、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。Glicier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
9、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CuPb24Sn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。由于减摩性能很表4 Glicier公司无铅铝基轴承材料的性能牌号及强度性能等
10、级的比较牌号代号耐磨性能抗抱死性能抗疲劳性能疲劳强度/MPa AlSn20CuMAS15+4045 AlSn10Si4Cu2MAS17+4045 AlSn20Cu1MnMAS16+4550 AlSn10Si4Cu2MAS18+4550 AlSn12Si2.5CuMAS22+4550 AlSn6Si2CuNiMnVMAS19+6570 AlSn6Si2CuNiMnVMAS21+6570 AlSn6Si2CuNiMnVMAS20+7075 AlSn10Si4Cu2MAS23+7075表2 各公司典型的中锡铝合金 公司名称代号 牌号硬度HV Miba公司3.1010AlSn10Cu5060 F-M公
11、司A480AlSn12Si34050 MAHLE（Glicier）AS104AlSn10Si4Cu24253 日本大同公司AX17AlSn12Cu24555表3 几种典型的低锡铝类合金轴承材料牌号 公司名称代号牌号硬度HV Miba公司3.6200AlSn6CuNi3545 Miba公司3.6400AlSn6Cu2NiMg5060 F-M公司A590AlSn6Si45060 MAHLE（Glicier）MAS19AlSn6Si2CuNiMnV4062 MAHLE（Glicier）MAS20AlSn6Si2CuNiMnV5065F E A T U R E S汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M2
12、009年第7期3专题报道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AlSn20Cu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AlSn20Cu减摩层的性能、结合强度、疲劳
13、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
14、头衬套材料国外相继开发成功了CuAl8合金、铜铋合金CuSn10Bi3.5及高强度的青铜合金CuSn8Ni，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CuPb10Sn10，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 结束语从上述滑动轴承材料的发展情况，我们看出国外已经在成熟应用高强度的铝基合金-钢轴瓦和铜基合金-钢多层金属轴瓦基础上，成功地
15、运用HVOF及Sputter工艺技术涂覆高性能的减摩层，满足高爆发压力（160105 Pa以上）发动机的使用要求，同时实现了无铅化。在国外，汽车材料无毒（无铅化）法律、法规的实施，使传统的镀铅合金层铅青铜三金属轴瓦逐步退出汽车领域。在我国，汽车发动机轴瓦材料无铅化工作刚刚开始，相应的法律、法规还在讨论制订中，材料无铅化的工作处在试验研究阶段，更没有形成工业化生产，也没有形成材料系列，比如欧美普遍采用的Sputter工艺技术，由于资表5 几种常用的无铅化青铜材料轴承公司代号牌号制造方式硬度HV5 MAHLEMCB15CuSn8Ni1连续浇铸90145 MAHLEMCB16CuSn4连续浇铸851
16、35 MAHLEMCB17CuSn4Bi4Ni1连续浇铸80125 MAHLEMCB20CuSn8Ni1连续浇铸120195 MAHLEMSB21CuSn8Ni1烧结80150 F-M公司CS-4CuNi2Si连续浇铸120195 F-M公司CuSn5Zn5连续浇铸图3 Ni栅层上的锡铜合金镀层表6 无铅化后减摩层材料及制造方式 轴承公司 涂层代号材料牌号制造方式 MAHLET2Sn电镀 MAHLET4SnAg10电镀 MAHLEH1AlSn20Cu电镀 MAHLES1AlSn30Cu1HVOF MAHLES2AlSn30Cu1PVD F-MG444CuSn6PVD F-MG488CuSn6电镀 F-MG469AlSn20CuPVD F-MG499AlSn20CuPVD表7 无铅化青铜和镀层合金的性能 基础双金 属材料涂层种类及牌号涂层
