发动机轴瓦减摩合金材料的无铅化发展状况

宋云华，宋 郅

（武昌职业学院，湖北 武汉 430202）

1 前言

轴瓦又称为滑动轴承，目前，国际内燃机滑动轴承技术主要有两大发展趋势:一是要使轴瓦承载能力和可靠性更高。二是要实现轴承材料的无铅化。滑动轴承是汽车发动机中非常重要的摩擦易损件，用作轴瓦减摩合金的材料不仅要有足够的抗压强度、抗疲劳性能，同时还要具有良好的减摩性、耐磨性、嵌藏性、抗粘着性和较好的耐高温性能。为了使轴瓦减摩合金材料达到这些要求，理想的轴瓦减摩合金材料应该是在硬基体上分布着软质点，或在软的基体上分布硬质点。这样，轴瓦在工作时，硬的基体或组织起着支承轴颈的作用，软的组织首先被磨合，或者嵌藏杂质，软组织中还可以储存润滑油，在轴瓦表面形成比较均匀分布的油膜，从而减轻轴颈与轴瓦之间的摩擦。

由于固体润滑剂铅具有熔点低、质软易变形、与润滑油的亲和性好等特性，而且价格低廉，长期以来作为软质相或软质基体在滑动轴承中得到了非常广泛的应用。如含铅量很大的ZChPbSb15—5、ZChPbSb10—6铅基巴氏合金，曾占据巴氏合金的半壁江山，与锡基合金并列，长期用于低速轻载发动机轴承。

发动机轴瓦减摩合金材料共包括三大系列，即巴氏合金，铜铅合金和铝基合金。巴氏合金包括锡基巴氏合金和铅基巴氏合金。

所有巴氏合金中的铅基巴氏合金，铜铅合金，铝基合金中的铝铅合金大量含铅，还有两种铝基合金含镉（如ZSn12Cu6Cd1），因为镉的加入，可以提高合金高温时的硬度，改善耐磨性能。铅与镉都是对人体有害的有毒金属。故从保护环境的角度来看，在发动机滑动轴承领域中必须严格控制使用铜铅合金材料。

铜铅合金是重载发动机用高强度轴承的主要材料，铅基合金由于易腐蚀等原因已逐渐淘汰。但铜铅合金迄今仍应用广泛。如作为主轴瓦和连杆瓦的CuPb24Sn和CuPb30Sn材料，含铅量均很高。这些合金在熔炼铸造过程中，会产生大量有毒有害气体；机械加工过程中会产生有毒粉尘；在使用前还必须电镀含铅量极高的PbSn10、PbIn7等镀覆层，电镀时会产生有毒废液；在这类轴承使用过程中，还会产生含Pb磨粒污染的润滑油；再者，发动机修理和报废时拆下的废旧轴承也有可能造成二次污染。由此可见，含铅轴瓦的使用对环境造成的污染是非常严重的。随着人类社会的进步，以及环境保护意识的增强，对发动机滑动轴承制造业采用的铜铅合金滑动轴承的材料中铅的使用限制的呼声越来越高。

为了实现轴瓦材料的无铅化，国际上许多知名的发动机轴承公司已纷纷制定了无铅化战略，并研制出新型轴承材料。

例如，美国辉门公司（Federal Mogul）开发出发动机用轴瓦合金材料“CS-4”，该材料的特点是:无铅，降低了硬度，混入较小异物时也不会发生问题。

从目前国外的发展趋势来看，实现轴承材料无铅化的主要途径，首先是加强无表面镀覆层的铝基合金开发，包括合金成分的改进，熔铸、轧制工艺的改进，轴承工作层结构的改进等；其次是替代传统铅基镀层的无铅镀层的开发研制。

2 铝锡合金轴瓦

（1）AlSn20Cu高锡-铝合金。AlSn20Cu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，金相组织为网状或点状的铝锡共晶均匀地分布在铝基体中。为一中等承载能力的轴承合金。它有优异的抗咬合性和嵌入性，无需涂层即可与硬轴或软轴相匹配。据英国格拉希尔公司称，该公司生产的这种合金轴承的承载能力可达330kg/cm2。各公司为了提高AlSn20Cu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2AlSn20Cu的性能并扩大了应用范围。

（2）AlSn10Cu中锡铝合金。AlSn10Cu中锡铝合金含10%～12%的锡，2%左右的铜，2%～4%硅，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20%锡——铝合金提高了20%～30%。AlSn10CuMn与AlSn20CuMn金相对比其晶粒更加致密。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ASl04及ASl241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。

（3）AlSn6CuNi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。

3 国内无铅化状况

国际上无铅化已经开始立法，引起我国轴承行业的极大关注，并开始行动起来。主要表现在:多数轴瓦材料厂家加强了铝合金中锡材料的开发，甚至开发了高锡和超高锡铝合金材料，通过摸索试验新的制造工艺，使材料的蓝宝石试验疲劳强度达到120MPa左右，比国产AlSn20Cu提高25%以上；加强了AlZn4.5Mg铝锌合金的开发；开发了AlSn40超高锡铝合金。还有研究者在合金中添加石墨等非金属材料。这些材料已在某些机型上成功应用，在中高载荷领域取代承载能力不足的AlSn20Cu轴瓦，改变了过去只能用铜铅三层轴瓦的状况；原来专业化生产烧结铜铅轴瓦材料的工厂，如上海核威轴瓦材料厂，出于长远考虑，也增添了铝合金生产线；有的过去只生产巴氏合金和铜铅合金轴瓦的工厂，也开始生产铝合金轴瓦。

另外，合肥工业大学摩擦学研究所尹延国等人已研究出新型无铅铜铋轴承合金。有望在近期推广使用。

近年来，上海云瀛复合材料有限公司由于随着铝基—钢双金属材料制造设备及工艺的不断完善，在高锡铝基的基础上，发展了一系列中锡合金的新材料，其中硅、锰、镍、钒等元素的加入，增加了软基体的强度，从而使材料的抗疲劳性、耐磨性都有了相应的提高，轴承材料获得了高的疲劳强度和承载能力。

大丰工业（烟台）有限公司，致力于无铅轴瓦产品的开发，他们的员工说，“在同类产品中，我们是产品无铅化的唯一实施者。”

但是，总的看来，我国在无铅化方面还远远滞后于国外。主要原因是:我国还没有这方面的立法，所以轴承行业没有危机意识；主机厂在轴承材料选择方面主要考虑成本和多年的使用习惯，较少考虑无铅化问题，有些轴承负荷属于中高范畴，中锡材料完全可以满足要求的，却一味选用铜铅轴瓦，所以轴瓦生产厂也缺乏无铅化的推动力。而轴瓦厂家也只能是对主机厂“惟命是从”，这种情况下中锡材料产量始终上不去，阻碍了它的发展，造成国内轴瓦材料品种单一。基于此，写此文以引起有关方面重视。