铁基滑动轴承材料研究进展

邹芹，冯绍亮，王明智

(燕山大学 a.机械工程学院；b.亚稳材料制备技术与科学国家重点试验室,河北 秦皇岛 066004)

铁基滑动轴承于20世纪30年代后期在德国出现，20世纪50年代铁基滑动轴承材料快速发展，并在很多领域开始取代青铜石墨轴承。铁基滑动轴承价格低，具有优异的自润滑性能和耐疲劳、高强度等力学性能。新型铁基材料[1-4]研究逐渐增多，铁基滑动轴承材料研究随之深入，应用范围也不断拓展，由低速轻载工况提升到高温、高载荷及腐蚀介质等复杂工况[5-7]。目前，对于铁基滑动轴承材料的开发主要集中在2个方面：首先，研发新型硬质颗粒材料作为第二增强相[8]使材料整体强度、硬度等力学性能大幅度提升；其次，研发更优异的润滑相改善滑动轴承的自润滑性。除了添加增强颗粒组元和润滑组元，还可以通过一定的热处理等后处理工艺[9-10]增强材料的抗疲劳性和耐磨性。经过热处理加工的铁基合金材料表面硬度整体上升，耐磨性增强，摩擦因数较热处理前降低[11-12]，常见的后处理方式有退火、淬火、回火、激光表面热处理以及激光涂覆等处理技术[13-17]。通过调节退火等热处理时间改变材料的微观相成分和组织位错密度，达到改善力学性能、摩擦磨损等性能的目的[18-20]。目前国内外学者针对铁基滑动轴承的不同工况要求研发出了多种产品，如Fe-C系、Fe-Cu-C以及Fe-Mo-C系列等[21]。

1 Fe-C系轴承材料

第二次世界大战前，铁基粉末冶金材料就应用于发动机零件、刀具及耐磨零件等领域[22-23]。工况条件仅限转速1 000 r/min 左右、抗压强度低于为200 MPa的场合，由于铸铁轴承价格低廉，应用广泛。20世纪30年代后期研究发现，铸铁轴承材料中添加石墨可以有效提升材料的润滑性能，改善磨损严重的问题，但力学强度相对较低。为了研究力学性能更优的铁基滑动轴承材料，在铁基石墨材料中添加各种增强力学性能的硬质颗粒，并取得优异成果[24]。颗粒增强铁基石墨复合轴承材料具有高强度、高弹性模量、耐磨等优异的综合性能，逐渐成为材料界研究的热点。

20世纪50年代末期，文献[25]首次通过颗粒增强改善铁基石墨滑动轴承材料性能，利用粉末冶金的方法制备Al2O3颗粒增强铁基复合材料，研究发现Al2O3增强颗粒均匀分布在铁基复合材料表面，具有弥散强化的作用，可明显提高铁基材料整体的抗蠕变性能和强度。

为了进一步探究Al2O3增强铁基石墨复合材料的微观组织以及增强颗粒对性能的影响，文献[26]采用熔铸法制备Al2O3增强铁基石墨复合材料，发现Al2O3增强颗粒均匀分布在整个铁基体中，增强相与基体之间没有反应层；随着Al2O3含量不断增加，细小的Al2O3晶粒不断变粗变大，并开始出现裂纹，分析原因是Al2O3具有较脆的陶瓷材料属性，随着晶粒不断变大变粗和温度下降，晶粒内部受到的应力逐渐增大，最后导致晶粒破裂；适量的Al2O3对铁基复合材料力学性能有明显提升作用。

Al2O3的化学性质较稳定，具有陶瓷材料的特性，与铁密度相差很大，二者之间的理论润湿角高达150°，导致润湿性较差，改善二者间的润湿性可以提升材料整体的综合性能。通过在Al2O3颗粒表面采用化学镀或气相沉淀等方法镀膜的方式可以极大的提高复合材料强度和耐磨性，常用的镀膜种类有镀镍、镀铜等。

文献[27]在Al2O3颗粒表面镀制一层铜膜以制备烧结铁基石墨材料，探究镀膜和不镀膜颗粒对材料性能的影响，结果表明，镀膜材料摩擦因数提高5%～10%，而磨损率下降5%～8%，镀膜技术可以改善铁基石墨材料摩擦磨损性能。

随着增强颗粒研究不断深入，颗粒种类和性能也随之增多，由Al2O3逐渐发展到高性能碳化物，如碳化钛、碳化钨、碳化钒等[28-30]，以碳化钛为代表的碳化物成为关注焦点[31-33]，碳化物和铁基之间的润湿角较小，在高温等复杂条件下也能保持良好的界面结合状态，此外，这类碳化物高硬度和高熔点决定了其优异的抗磨性和耐高温性能，对铁基石墨滑动轴承在高温重载条件下的应用有一定优势。

文献[34]用原位合成法制备碳化钛增强铁基石墨材料，发现碳化钛颗粒均匀分布在铁基石墨材料表面，与基体结合优异，TiC颗粒可增强材料的硬度和耐磨性，添加后整体平均硬度可达2 354 HV,远高于一般增强颗粒铁基复合材料。文献[35]采用铸造与原位合成技术制备了TiC颗粒增强铁基复合材料，从抗高温氧化性及微观结构耐磨性方面对制备的铁基复合材料进行了研究，发现铁基复合材料表面有极细的TiC颗粒，直径均小于3 μm，TiC颗粒与基体表面结合良好；在干磨损条件下，尤其在重载时表现出优异的耐磨性；在高温900 ℃时表现出极好的抗氧化性。文献[36]用粉末冶金法制备了TiC增强铁基复合材料，发现其耐磨性远优于淬火45#钢材料。文献[37]为改善铁基石墨材料耐磨性能，利用激光涂覆的方法制备TiC增强铁基复合材料，发现TiC涂层质量分数为30%时，涂层组织最致密、尺寸较小、分布均匀，熔覆层平均维氏硬度为7.838 GPa，磨损率为45#钢基体的1/38。文献[38-39]对碳化钛颗粒直接增强铁基石墨复合材料性能方面进行了论证，得出了类似结论。

为寻求间接改善增强铁基复合材料性能的方法，文献[40]利用化学镀的方法制备镀镍TiC增强铁基复合材料，制备后铁基复合材料表面组织更细化均匀、界面结合良好，摩擦磨损性能优异，在高速重载以及对磨损要求较为严格的条件下表现较好。

WC具有高硬度、耐磨、线膨胀系数小、抗腐蚀性、稳定性良好以及耐高温等优良特性，与铁基石墨材料的润湿角几乎为零，界面结合能力较好，对铁基石墨材料的耐磨性能有显著提升，在高温高速、腐蚀和磨损较严重的轴承材料应用方面具有一定的优势[41]。

为改良铁基石墨复合材料耐腐蚀性，文献[42]进行了WC颗粒增强铁基复合材料耐腐蚀性研究，以高铬铸铁材料为对照组，改变复合材料中WC含量进而测定抗腐蚀参数，研究表明，随着WC含量增多，材料抗腐蚀能力提升至最高后开始下降，体积分数为36%时磨损率最小，平均抗腐蚀能力优于高铬铸铁材料1.38～2.93倍。文献[43]发现，在含WC的铁基石墨复合材料中添加一定含量的铬对材料的抗腐蚀性有明显提升。

为探究WC铁基石墨材料在高温环境下的摩擦机理，文献[44]通过真空实型铸渗法制备WC钢基表面复合材料，考察了复合材料在200，300，500，600 ℃时的高温磨损率及机理，发现200 ℃时表现为粘着磨损和疲劳磨损，而在300，500，600 ℃时表现为氧化磨损和疲劳磨损，其磨损过程为氧化与剥落交替进行的动态磨损过程。

VC具有高熔点、高硬度、化学稳定性好等特点，与熔融铁间的润湿角为28°，当VC颗粒与铁基体凝固时，很容易被凝固界面捕捉，导致VC颗粒均匀分布在铁基体表面，VC颗粒与上述碳化物有类似的优良特性，突出的是VC颗粒增强铁基复合材料优异的耐磨性。文献[45]研究表明，在相对重载干滑动磨损条件下，VC颗粒增强铁基复合材料的耐磨性比淬火45#钢提高了近53倍，比激冷铸铁提高了约6倍，其主要磨损机制为轻微的磨粒磨损。

文献[46]利用SiC颗粒改善铁基石墨复合材料耐磨性，采用粉末冶金法制备SiC颗粒增强铁基石墨复合材料，发现SiC质量分数为5%～10%时可获得较理想的综合性能，与不含SiC相比，铁基粉末冶金材料的耐磨性可以提高10～20倍。

为寻求合适的热处理工艺改善铁基石墨复合材料摩擦磨损等性能，文献[47]研究了配方Fe-2%Ni-0.3%C在不同热处理工艺前后的摩擦磨损特性，发现在临界区790 ℃退火且水淬处理后材料的摩擦学特性较好；文献[48]探究了含镍铁基石墨材料受热处理工艺的性能影响，发现经淬火和回火后的磨损组织变形较小，表面材料出现细小的滑痕犁沟和轻微剥离。回火硬度为40 HRC时磨损率达到最小，性能明显优于对照组；文献[49]验证了合适的热处理工艺对铁基合金材料的磨损和疲劳等特性有很大改良作用：选定铁基复合材料为Fe-1.75 %Ni-1.5%Cu-0.5%Mo-0.6%C，在可控气氛中进行奥氏体化，温度800～850 ℃，保温30 min，油中淬火后在300～350 ℃内回火1 h，测得疲劳强度和硬度等性能参数明显优于热处理前对照组。

2 Fe-Cu-C系轴承材料

20世纪60年代初，随着工业的不断发展，滑动轴承使用工况复杂程度加大，对滑动轴承材料性能提出了更高要求，单纯添加Al2O3或TiC等一些颗粒增强体对铁基材料性能有一定局限性，如添加增强颗粒不能有效改善铁基滑动轴承材料的顺应性、嵌入性、自润滑性及长时间抗疲劳等问题，为满足不同工况下滑动轴承特殊需求，探索新的滑动轴承材料势在必行。实践证明，铜具有减磨性好、抗疲劳特性强、嵌入性以及顺应性优良等特性，较适于工作周期较长和对抗疲劳性要求较高的工况，此时出现了有代表性的Fe-Cu-C系轴承材料，研究发现，含铜铁基石墨材料抗拉强度高达400 MPa,与可锻铸铁相当,已经远超铸铁的强度，因此，在Cu对Fe-Cu-C系轴承材料自润滑性和力学性能影响方面展开了大量研究。

文献[50]为提升铁基石墨轴承材料的力学性能以及摩擦学性能，在铁基石墨轴承材料中加入一定剂量的铜粉，采用粉末冶金法进行烧结制备，发现适量Cu可明显提升材料硬度、压溃强度、抗压强度及摩擦学性能，从微观组织上发现Cu固溶于铁基组织表面，产生的金属间化合物Fe4Cu3和Cu均匀分布在铁基复合材料表面，起到弥散强化作用，此外Cu还能够抑制V-Fe晶粒长大，进而细化晶体，间接提高了材料的强度、塑性以及韧性等。

普通碳素钢含有铁素体和珠光体，导致在摩擦过程中碳素钢表面材料脱落严重，极大损耗了基体材料，文献[51]向铁基石墨材料中添加Cu作为第二增强相以改善材料摩擦学特性，发现Cu有利于提升铁碳基体材料的耐磨性，在保证摩擦因数达标情况下，适量的Cu可明显降低材料在高速状态下的磨损率，这是由于Cu可以增强材料表面硬度等性能，在高速环境下磨损机制由原来严重的分层磨损向轻微的氧化磨损机制转变。

文献[52]从微观角度解释了Cu对Fe-Cu-C复合材料性能的作用机理，发现不含铜的铁基复合材料组织含有马氏体、贝氏体以及较大的孔隙，含Cu的铁基材料组织孔隙率明显降低，这是由于铜在烧结过程中形成的液相很好填补了合金颗粒之间的孔隙，形成液相的张力作用导致Cu在组织中分布均匀，这也很好地解释了Fe-Cu-C复合材料的高度致密性和优异的韧性。文献[53-54]也指出Cu在Fe-Cu-C复合材料中起到提高材料强度和耐磨性，延长疲劳寿命等作用。

摩擦学[55]性能作为铁基粉末冶金材料的重要性能指标,也是衡量铁基滑动轴承性能的重要指标，为进一步优化铁铜基滑动轴承摩擦学性能，添加自润滑特性较好的合金元素后研究发现，合金元素可以通过固溶强化组织提升材料力学性能、耐磨性及自润滑性。如V元素对铁基材料在高温环境下的粘着磨损有着明显改善作用，Ni，B，MoS2等[56-57]能促进碳原子扩散，使材料微观组织得到细化并变得更均匀，对铁铜基复合材料摩擦学特性有明显优化作用。

文献[58]从微观角度解释了Ni改善铁铜基合金材料在干摩擦时的润滑机理，发现改善材料润滑性的关键点是Ni可以和原材料中的奥氏体形成富Ni奥氏体，这种富Ni奥氏体组织比贝氏体和马氏体更软，具备更优异的润滑特性。

有学者尝试用稀土元素的氧化物改善铁基滑动轴承材料摩擦学性能，文献[59]研究了不同含量CeO2对Fe-C-Cu-CeO2轴承材料自润滑等性能的作用机理，发现适量CeO2可活化烧结、改善组织、增大材料的径向压溃强度和表观硬度、降低摩擦因数及磨损量。

文献[60]在铁铜基复合材料中添加铬来改善复合材料整体摩擦学特性，采用冷压烧结法制备Fe-Ni-Mo-Cu-xCr复合材料，发现铬质量分数为0.6%时,材料具有高烧结密度、高硬度及低磨损率；通过SEM观察磨损后的形貌表面，发现磨损形态以细小犁沟、塑性变形和微裂纹为主；在摩擦过程中,接触面的温升加快了氧化膜的形成,氧化膜在磨损过程中不断破坏后又形成,磨损机制为粘着磨损和氧化磨损。

国内外许多学者通过向铁铜基滑动轴承材料中添加MoS2来改善材料的自润滑性。文献[61]探讨了不同含量MoS2对Fe-0.6%C-2.5%Cu-x%MoS2烧结块体的摩擦磨损性能影响，发现当其质量分数为3%时润滑情况达到最优，原因是磨损掉落的带有润滑性颗粒填补了接触表面上的孔隙，随着MoS2含量的增加，过多的颗粒出现在接触表面，导致磨损情况开始恶化。文献[62]对MoS2在粉末材料摩擦磨损等性能作用机理方面做了进一步分析，发现在制备烧结过程中，MoS2分解生成Mo和S，Mo元素提高了表面硬度和抗弯性，S元素易和表面材料形成各种硫化物并以光滑润滑膜的形式滞留在材料表面，该润滑膜对于降低材料的摩擦因数起着至关重要的作用。

对于文献[62]研究中的光亮润滑膜，国外相关学者也有类似研究。文献[63]对金属的高温滑动摩擦进行了研究，给出了金属材料摩擦机理的一般规律：随着摩擦反复进行，接触表面磨损趋缓，这是由于温度升高使得摩擦接触表面不断生成氧化物，氧化物不断脱落并部分粘结滞留在接触表面，形成一层坚硬光亮的润滑层，该氧化物润滑层使材质具有了一系列优异性能，如高硬度及优异的润滑性等。该摩擦过程对应的磨损形式为：轴承起步到跑合过程为磨粒磨损，随着温度逐渐升高，接触表面不断被氧化，此时摩擦为氧化磨损，载荷较大、温度较高时为粘着磨损。

文献[64]对MoS2强化铁基复合材料性能的作用机理作了深入分析，研究发现MoS2在烧结过程中分解成S和Mo，S与基体铁发生反应生成了FeS，Mo固溶于基体α-Fe相中。烧结温度超过989 ℃时，FeS与基体Fe发生溶晶反应:Y-Fe+FeS→L，烧结过程中出现的液相促进烧结的进行，硫化物对材料的润滑有明显改善作用，固溶于基体铁中的Mo提高了材料的强度和硬度，MoS2质量分数为4%时表现出良好的综合性能和摩擦磨损性能。文献[65]研究了不同含量的MoS2对铁基滑动轴承材料摩擦磨损的性能影响，将MoS2粉末和基体316L(铁粉的一种型号)粉末进行烧结，研究发现MoS2有助于材料硬度和抗拉强度的提升，MoS2质量分数为10%时复合材料的综合性能相对最佳(摩擦因数最低，润滑效果优异，硬度和抗拉强度均较高)。

3 Fe-Mo-C系轴承材料

20世纪60年代，继Fe-Cu-C系轴承材料之后，为大幅度提升铁基石墨轴承材料的摩擦磨损和力学性能，添加各种硬质合金元素成为研究热点，Mo由于其硬且坚韧的特点而作为颗粒增强相广泛应用于铁基石墨轴承材料中，研究表明[21]：添加Mo的铁基石墨滑动轴承材料抗拉强度可增至600 MPa，经热处理等后续工艺强化后可达1 000～1 100 MPa。

为探究Fe-Mo-C系材料的最佳烧结温度，文献[66]研究了烧结温度对Fe-Mo-C合金组织和性能的影响，利用机械合金化和粉末冶金的方法制备Fe-Cu-Mo-C合金，发现烧结温度升高到1 100 ℃时，合金组织孔隙数量减少，孔隙尺寸极小；材料表现出高硬度、高密度及高抗拉强度等优异力学性能。

文献[67]通过添加Mo来提高铁基石墨摩擦学性能和力学性能，采用粉末冶金的工艺制备Fe-Mo-石墨复合材料，考察了Mo含量对该铁基材料的力学性能、以及在室温和高温320 ℃摩擦磨损性能的影响，试验结果表明:当Mo的质量分数为10%时表现出优异的高温润滑性，材料的力学性能有明显提升。文献[68]也研究了Mo对铁基石墨自润滑材料力学及摩擦学性能的影响,发现Mo可以在合金中形成硬质点，使材料的耐磨性能得到大幅度的提升。

文献[69]在铁基石墨轴承材料中添加了Mo作为第二增强相来改善材料强度以及摩擦磨损等性能，发现加入质量分数为1.5%的Mo可以有效改善材料整体硬度以及润滑性，在扫描电镜下可看出划痕表面质量明显优于对比材料；随着载荷的不断增加，磨损情况由轻微的氧化磨损逐渐加剧为分层磨损机制；改变烧结压力和烧结温度可以改变气孔数目及气孔形状等，气孔越圆，材料的润滑性越好;气孔边缘的毛刺越多,润滑性越差。研究表明[70-71]，气孔对材料的力学性能和摩擦磨损性能有明显作用：气孔产生局部应力和裂纹体，加速裂纹扩展；气孔属性可通过调节生胚密度、烧结温度和烧结时间及原始粉体的颗粒度等参数，显著改善材料的润滑状况。在材料力学性能满足要求的前提下，适当调整气孔参数可提升材料摩擦学性能。

为改善含铁钼基复合材料在高温条件下的自润滑性能，在铁钼基复合材料中添加MoS2,Al2O3,Cu,Ni等进行性能改进。文献[72]在铁钼基复合材料中添加适量MoS2和Al2O3，分别讨论了在室温和600 ℃下材料的摩擦学性能，研究发现，在600 ℃下材料表现出优异的摩擦学性能，原因是摩擦表面形成了复合润滑膜，其由PbMoO4，Fe3O4，Fe2O3和少量的Pb组成，其中PbMoO4对润滑起决定性作用。文献[73]通过同时向铁钼基复合材料中添加Cu和Ni，考察其在室温，320，450 ℃下的摩擦学性能。研究发现，添加Cu和Ni后复合材料的力学性能增强，摩擦学性能明显得到改善，在高温摩擦过程中，铁基自润滑复合材料摩擦表面生成的由石墨,CuFe5O8，Fe3O4和Fe2.6Ni0.4O4组成的复合润滑膜是导致其具有良好高温润滑性的主要原因。

4 结束语

随着材料科学研究的不断深入，滑动轴承材料性能越来越完善，但滑动轴承应用工况复杂，继续研发高强度及高度自润滑铁基滑动轴承材料将成为该领域研发的新常态。强度方面应着重探索更硬、更稳定的优质硬质颗粒，尝试更多的合金元素或氧化物等；在高温重载及高速场合，铁基滑动轴承的磨损及润滑情况受到严峻挑战，经常导致卡死等失效现象，寻求更优质的自润滑材料已成为急需解决的问题。另外，对材料摩擦磨损理论方面的研究应继续深入，为未来开发更优质的自润滑材料提供更明确的理论指导。