Ag、Co、Cr元素对锡基巴氏合金显微组织及结合性能的影响

程战，董显，张远海，王蒙，龙伟民，，朱挺，张雷，周吉发，王鑫华

1.中国机械总院集团 宁波智能机床研究院有限公司，浙江 宁波 315700

2.郑州机械研究所有限公司 新型钎焊材料与技术国家重点实验室，河南 郑州 450001

3.浙江申科滑动轴承科技有限公司，浙江 绍兴 311800

0 前言

巴氏合金是一种软基体上分布着硬质颗粒相的低熔点轴承合金，以其优异的嵌藏性、顺应性及抗咬合性能广泛应用于汽轮机、汽车、电力、航空航天等领域的关键轴承部件及钢制轴承衬套中。近年来随着航空航天、轨道交通、海洋航运等领域向着高速、重载、大型化等方向飞速发展，对滑动轴承的可靠性能及承载能力提出了更高的要求，而巴氏合金承载能力低、粘合强度差的特点势必造成轴瓦过早失效［1］。

为改善上述问题，研究人员对其进行了更为深入的研究工作。一方面是探索新型巴氏合金的制备技术。如在静态浇注过程中调节浇注溶液温度、改善挂锡质量、改进冷却措施等以避免巴氏合金晶粒过于粗大，界面结合层脆性化合物FeSn及FeSn2过厚［2-3］；或是采用喷涂法如电弧喷涂、液体喷涂及火焰喷涂等工艺将巴氏合金堆积在轴瓦基体表面，但该方式对设备要求高，制备的涂层厚度及结合强度偏低［4-7］；或是采用镀膜法、磁控溅射等工艺将巴氏合金薄层镀覆至基体表面，但此工艺成本较高，制备的涂层厚度也有限制［8-9］。也有研究人员采用焊接方式对损坏的巴氏合金轴瓦进行修复，此种方式需要严格控制施焊温度，否则会造成基体温度过高，导致界面结合力降低［10-11］。另一方面是对巴氏合金进行改性强化。陈永红［12］研究了微量元素Cd对巴氏合金SnSb11Cu6的微观组织及力学性能的作用规律，发现Cd元素能够起到细晶强化及固溶强化的作用，当Cd含量为0.5%左右时合金强度、塑性及硬度同时增加。Abioye等［13］通过粉末冶金工艺将3%～9%SiC加入Sn-Sb-Cu巴氏合金中，发现添加9%SiC时性能优异，与Sn-Sb-Cu巴氏合金相比硬度提高约43%，抗压强度提高约55%，耐磨性提高约80%。陈润霖［14］等在ZSnSb11Cu6巴氏合金中加入0～4% Cu粉以研究提高Cu含量对其力学性能的影响，发现添加Cu含量至7%～8%时可有效提高材料的高温硬度和软化温度。

现有研究通过改进制备工艺或是添加元素及硬质颗粒等改善合金性能，鉴于Ag、Co、Cr元素与Sn元素具有较强的亲和力，在组织凝固过程中可调控基体微观结构［15-16］。本文通过感应熔炼工艺分别将1%的Ag、Co、Cr加入SnSb12Cu7.5Ni0.9巴氏合金中研究掺杂微量Ag、Co、Cr对Sn-Sb-Cu巴氏合金微观组织、界面形貌及粘接强度的影响。本文得到了工信部产业基础再造和制造业高质量发展专项的支持。

1 试验方法

试验以SnSb12Cu7.5Ni0.9巴氏合金作为基体，通过调控纯度为99.9%的钴块、银块、Cr颗粒的添加比例制备出SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag、Co、Cr）合金，其化学成分如表1所示。采用感应熔炼工艺将纯锡熔化，随后加入铜块、锑块、镍丝、银块、钴块及Cr颗粒调节熔炼温度至550 ℃，保温1 h，熔炼过程中加入适量木碳作为覆盖剂。保温结束后降低温度至480 ℃，随后加入适量的氯化铵作为精炼剂，精炼结束后使用纯石墨棒搅拌5 min，浇注至预热后的模具中，空冷至室温获得铸锭组织。

表1 SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag、Co、Cr）巴氏合金名义成分（质量分数，%）Table 1 Nominal composition of SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag、Co、Cr）（wt.%）

采用线切割截取相同部位的铸锭及重力浇铸的巴氏合金/钢界面试样，用SiC砂纸进行粗磨，选用粒度为2 μm的金刚石抛光膏进行精磨，采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀至变色，通过蔡司显微镜观察其微观组织及界面形貌。将巴氏合金/钢界面试样机加工成内径24 mm、外径38 mm的钢基体，如图1所示。巴氏合金层外径28.82 mm、厚度5 mm，符合国标GB/T 12948—1991《滑动轴承 双金属结合强度破坏性试验方法》的标准结合试样，随后通过万能拉伸试验机进行测试，横梁位移速率为2 mm/min。

图1 巴氏合金/钢结合试样Fig.1 Babbitt alloy/steel bonding specimen

2 试验结果与分析

2.1 微观组织

加入Ag、Co、Cr改性的锡基巴氏合金组织如图2所示。由图2a可知，巴氏合金基体组织主要由黑色的锡基α固溶体组织（Sb溶于锡的固溶体）、白色方块状β相（SnSb）相及细长条状或棒状的η相（Cu6Sn5）相组成。加入1%Ag元素后，如图2b所示，白色方块状β相（SnSb）尺寸略有减小，颗粒状的η相（Cu6Sn5）相含量降低。如图2c所示，加入1%Co元素后，组织中的颗粒状η相（Cu6Sn5）明显聚集，相互连接成星状，方块状的β相（SnSb）尺寸也略有减小。加入1%Cr元素后，如图2d所示，组织中的方块状β相（SnSb）尺寸显著减小，边角明显钝化，颗粒状的η相（Cu6Sn5）由细长条状转变为蠕虫状均匀分布在整个组织中。

图2 SnSb12Cu7.5Ni0.9-X（Ag、Co、Cr）巴氏合金显微组织Fig.2 Microstructure of SnSb12Cu7.5Ni0.9-X（Ag，Co，Cr）Babbitt alloy

巴氏合金力学性能与微观组织息息相关。凝固过程中，掺杂的高熔点Ag、Co、Cr元素能够作为结晶核心，降低形核驱动力，促进形核。Ag元素与Cr元素的加入与基体中的Sn元素形成尺寸类似Cu6Sn5相的Ag3Sn、CrSn2化合物［16-17］，Co元素与Sn元素形成花朵状的CoSn2化合物［18］，而这些化合物的出现一方面会消耗巴氏合金中的Sn元素，组织中的硬质相相比于软基体α固溶体比例相对增多，另一方面率先于β相（SnSb）析出，与随后生成的Cu6Sn5相形成网状，抑制密度较轻的方块状β相（SnSb）上浮，凝固后的合金组织更加细小均匀。

2.2 界面形貌

界面属于两种材料间的连接过渡区，是双金属复合材料特有且极为重要的组成部分。在巴氏合金/钢基体双金属复合材料制备过程中，由于固相钢基体对液相巴氏合金溶体的冷作用与液相巴氏合金溶体对固相钢基体的热作用，在钢基体界面处形成了一层过渡层，该过渡层性能的优劣影响结合性能的高低，直接关系到工件服役过程中机组的安全与稳定性。SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag、Co、Cr）合金界面形貌如图3所示。由图3a可知，巴氏合金/钢界面处存在一薄层过渡组织，白色方块状β相（SnSb）相依托于过渡层组织形核生长。加入1%Ag后，过渡层明显增厚，巴氏合金侧组织中的条状η相（Cu6Sn5）相逐渐圆润，如图3b所示。加入1%Co元素后，界面处存在部分依托于过渡层生长的脆性化何物，并向巴氏合金侧延伸。而加入Cr元素后，界面处巴氏合金侧组织较为均匀，组织中的条状η相（Cu6Sn5）相转变为圆润的蠕虫状颗粒均匀分布在组织中，部分白色化合物依托于过渡层向巴氏合金中延伸。在巴氏合金溶体与钢基体复合过程中，结合界面处发生了复杂的物化反应，导致了界面区域原子键结合与原子结构的化学成分与界面两侧的基体成分有差异，此外添加的高熔点元素Ag、Co、Cr在凝固过程中依托于固相钢基体界面形核生长，且Ag、Co、Cr元素自身与巴氏合金基体中Sn元素的原子亲和力存在差异，故而结合区域性质明显区别于界面两侧合金。

图3 SnSb12Cu7.5Ni0.9-X（Ag、Co、Cr）合金界面形貌Fig.3 Interface morphology of SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag，Co，Cr）alloy

2.3 结合强度

采用万能拉伸试验机测试巴氏合金/钢基体结合强度，结果如图4所示，断口形貌如图5所示。可以发现，未掺杂元素改性时结合强度为45.7 MPa，加入1%Ag、Co、Cr后结合强度均有所提高，其中加入1%Co时，抗拉强度取得最大值为51.9 MPa。结合图5中的断口形貌可以发现，基体的断口中粘接在钢侧的巴氏合金较少，断裂于界面处，如图5a所示；加入1%Ag后钢侧界面粘接的组织明显增多，但仍有约1/3处断裂于钢基体，如图5b所示；加入1%Co、Cr后，巴氏合金/钢结合试样断裂于巴氏合金处，如图5c、5d所示。

图4 SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag、Co、Cr）合金/钢基体结合强度Fig.4 Bond Strength of SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag，Co，Cr） Alloy/Steel Matrix

图5 SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag、Co、Cr）合金/钢基体断口形貌Fig.5 Fracture morphology of SnSb12Cu7.5Ni0.9-x（Ag，Co，Cr） alloy/steel matrix

界面是双金属复合结构两者之间的连接过渡区，在浇注过程中液态巴氏合金对固相钢基体的热作用及固态钢基体对巴氏合金溶体的冷作用，将在巴氏合金/钢界面处形成与溶体内部不同的界面结合过渡区，该结合过渡区的结构包括界面处析出相、界面处元素相互扩散情况、界面微区结构、结合状态、是否有新的化合物形成及是否存在缺陷等，其结构的状态关乎于结钢基体结合强度。

3 结论

（1）SnSb12Cu7.5Ni0.9合金中添加1wt.% Ag、Co、Cr元素能过改善合金组织。Ag、Co、Cr元素以Ag3Sn、CoSn2、CrSn2化合物的形式存在于组织中，方块状SnSb相细化且尖角略有钝化，颗粒状η相（Cu6Sn5）相由细长条状逐渐转变为蠕虫状。

（2）巴氏合金/钢基体界面处存在一层相互连接的过渡层，分别添加1%Ag、Co、Cr后界面处过渡层厚度增加，组织均匀性改善，巴氏合金/钢基体结合强度提高，其中添加1%Co元素的结合强度最高为51.9 MPa，较基体提高了13%。

（3）对比三种改性成分巴氏合金的微观组织及界面结合强度，加入1%Co元素获得的力学性性能最佳，更适用于高速、重载的轴瓦材料。