国内外汽车滑动轴承材料发展现状及趋势

　　滑动轴承是汽车（特别是发动机）中非常重要的摩擦易损件，与发动机曲轴、活塞销、凸轮轴及汽车底盘上的某些轴类零件组成重要的摩擦副。滑动轴承材料的性能在一定程度上影响或决定着汽车和发动机的寿命、可靠性及某些主要经济技术指标。因此，随着汽车及发动机性能的不断提高，滑动轴承材料的发展也相当的迅速。
　　1　国外汽车滑动轴承材料
　　目前，国外常用的滑动轴承材料有锡基合金、铅基合金、铜基合金及铝基合金等。按用途可分为轴瓦用滑动轴承材料及衬套用滑动轴承材料。
　　锡基及铅基合金（统称为巴氏合金）是Z早应用于发动机滑动轴承的材料之一。虽然该合金具有良好的抗咬粘性、顺应性、嵌入性耐腐蚀性、线膨胀系数小及工艺性能好等优点，但由于其抗疲劳强度较低、合金层易出现疲劳裂纹和剥落，因此只能应用于小型、轻载的汽车发动机轴瓦或作为衬套材料使用。其中，锡基合金由于锡的价格较贵，故其生产量正在逐渐减少并由铅基合金轴承材料来代替。标准ISO4383：2000《滑动轴承——薄壁滑动轴承用多层材料》中规定的锡基和铅基合金的牌号见表1。 　　铜基合金轴承材料由于其具有较高的疲劳强度目前乃是国外重载发动机滑动轴承的主要材料。常用的铜基合金主要由铜、铅、锡元素组成。其中，作为轴瓦用铜铅合金的平均含铅量高达24%~30%，而衬套用铜基合金的铅、锡含量均在10%左右。由于铜铅合金的耐腐蚀性、嵌入性、顺应性和抗咬粘性均较其他合金差，所以在用做发动机轴瓦时，其合金表面需要电镀一层较薄的软合金（称为镀层材料）来提高轴承合金的表面性能。目前，较普遍使用的镀层材料有二元电镀（PbSn10，PbIn7）和三元电镀（PbSn10Cu2）。上述镀层材料均以铅为主要元素（含铅约90%）。已列入标准ISO4383：2000《滑动轴承——薄壁滑动轴承用多层材料》中的铜基合金牌号见表2，镀层材料牌号见表3。 　　长期以来，由于铅在生产、电镀过程中的污染以及轴瓦废弃后的二次污染问题，对环境造成了巨大的危害，这一问题已越来越引起国外滑动轴承行业的关注；特别是标准ISO4383：2000增加了一条重要的注释——“将来由于环保要求将限制某些铅类材料的使用”，使得国外一些滑动轴承制造厂商已开始积极开发用于滑动轴承的低铅或不含铅的铜（铝）基合金以及不含铅的镀层材料。目前，国外重载发动机已开发出无铅或低铅铜基轴承材料（如日本的HS100、HS210）；对于轴套类滑动轴承，国外（特别是日本）正逐步用磷青铜（CuSn8P）取代传统的双10铜铅合金（CuPb10Sn10）；镀层材料已采用阴极溅镀铝锡合金、电镀锡基合金（如SnCu6及SnSb7）来代替铅基镀层材料。
　　铝基合金由于其较高的力学性能、热传导性和良好的耐腐蚀性，且资源丰富、价格低廉，而成为国外中、轻载发动机（包括轿车发动机）滑动轴承的主要材料之一。铝基滑动轴承材料的种类较多，按其所含元素及含量不同可分为高锡铝合金（Sn≥20%）、低锡铝合金（Sn≤6%）、中锡铝合金（6%<Sn<20%）、铝（锡）硅合金、铝铅合金及铝锌合金等。标准ISO4383：2000《滑动轴承——薄壁滑动轴承用多层材料》中规定的铝基合金的牌号见表4。 　　随着汽车工业的发展、汽车发动机性能的不断强化和提高，承载能力高、轴承性能适中的中锡铝合金、铝（锡）硅合金的应用在日本及欧洲等国家越来越普遍，在发动机轴瓦领域正在逐步取代高锡铝合金；而低锡铝合金由于嵌入性和顺应性稍差，则需在其合金层表面电镀一层较软的镀层材料来提高其表面性能。铝铅合金曾经是美国、日本等国家为节约价格较贵的锡所开发出来的滑动轴承材料，该合金在耐磨性、承载能力和抗咬合性方面都优于高锡铝合金，所以在轴承材料领域曾风靡一时。但是由于其生产工艺复杂、且含有铅元素而不能满足环保要求，其应用领域越来越小，有逐渐被淘汰的趋势。铝锌合金（如SAE785、AlZn4SiPb及AlZn4.5Mg等）的应用还不太普遍，只有德国、奥地利及日本等国的几个公司生产，这类轴承材料的硬度较高，其顺应性和嵌入性较差，故需要在合金表面电镀一层较薄的软合金以改善其表面性能。该材料适用于高承载能力的发动机轴瓦。随着世界各国家对环境保护的日益重视和严格执行汽车排放法规，铝锌合金的应用将越来越广泛。
　　世界各国在标准ISO4383：2000基础上开发出了许多铝基滑动轴承材料，其牌号详见表5。 　　上面所述的滑动轴承材料确切地说应该是双金属滑动轴承材料，金属整体滑动轴承材料及非金属-金属复合材料在滑动轴承领域的用量也很大，但由于其自身的特点，这两种材料仅用来生产滑动轴承衬套。金属整体滑动轴承材料基本上由青铜材料组成，而世界上广泛使用的非金属-金属复合材料有两种。一种用于完全干摩擦状态即无润滑条件下，其表面敷有聚四氟乙烯；另一种适用于不完全干摩擦状态即边界润滑条件下，其表面敷有聚甲醛。随着汽车及发动机性能的不断提高，各国滑动轴承材料厂商在非金属材料中添加适量的金属元素，如铝、铅等，用以提高这种复合材料的承载能力，从而满足汽车及发动机的需要。国外部分厂家开发的非金属-金属复合材料牌号见表6。 　　综上所述可以看出，近年来国外在巴氏合金及铜基合金领域发展变化较小，而铝基合金的发展相当迅速，合金牌号不断增加，实际应用越来越广，充分显示出铝基合金是目前Z有前途的滑动轴承材料，开发、研究铝基合金是汽车滑动轴承材料领域的发展方向之一。而铜铅合金由于本身含有有毒金属铅，且表面还需要电镀铅基合金镀层，使得铜铅合金的扩大应用受到了限，即在未来的滑动轴承材料领域，铜铅合金将逐步让位于铝基合金。
　　2　国内滑动轴承材料的技术状况及发展趋势
　　国内滑动轴承的材料在种类上基本与国外相同，国家标准规定的滑动轴承材料牌号已列入GB/T 18326—2001《滑动轴承——薄壁滑动轴承用多层材料》中，该标准在基本技术内容上等效采用标准ISO4383：2000，根据我国目前滑动轴承技术和生产发展的现状，只是在铝基合金中增加了中锡铝合金lSn12Si2.5Pb1.7。其他牌号与表1~4基本相同，在此不再赘述。
　　为了解我国滑动轴承材料行业的生产情况，对国内部分主要滑动轴承材料生产厂商的生产现状、生产能力及发展规划等进行了调查。调查结果是国内滑动轴承的主要材料基本上以传统的铜基合金、20高锡铝合金为主，已经淘汰了铝铅合金。与国外相比，我国在铝基滑动轴承材料的应用、开发及研制方面进展也比较快。传统的高锡铝合金（AlSn20Cu）的疲劳极限已达到83~97MPa，基本达到了国外同类产品的水平；对于中锡及低锡铝合金来说，其疲劳强度均达到111MPa，个别的甚至超过了120MPa。在中锡铝合金轴承材料中，含锡10%~12%的铝合金在国内已形成规模性生产，而含锡更低（8%以下）的铝合金在国内只处于研制阶段，其性能还需进一步稳定及提高。目前，国内已有材料厂家注意到了安全环保及排放要求这一信息，开始开发、生产铝锌合金材料。
　　从国内滑动轴承的生产现状来看，铜基合金的生产以连续带式粉末烧结为主，部分采用块状粉末烧结。而国外采用的连续带式浇注，其初期投资大、开发新品种时生产线调整周期长，在我国还无此生产线。铝基合金的生产一般采用连续带式或块状固-固复合轧制工艺，在国外已成功应用液-固复合轧制工艺，而在国内已有科研院所正在进行研制与开发。
　　国内汽车发动机滑动轴承的应用情况与国外相比有一定的差距。目前，国内重载发动机的轴承材料基本以铜铅合金为主，表面镀以三元铅基软合金，而国外采用的带镀层铝锌合金滑动轴承随着国外机型的引进也已应用在国产发动机上，但基本依赖进口。因此，对于重载发动机来说，要想在短期内淘汰含铅的铜基滑动轴承材料而采用环保型的铝基轴承材料，仍需要进行大量的研究工作。中、轻载发动机（包括轿车发动机）除采用带镀层的铜铅合金及不带镀层的20高锡铝合金作为滑动轴承材料外，中锡铝合金的应用也占有一定的比例，而且已有不断扩大的趋势。
　　从调查结果来看，我国滑动轴承的镀层材料已普遍采用三元电镀，基本淘汰了二元电镀，已有滑动轴承生产厂家开发出四元镀层材料（PbSn10CuIn）应用于铜铅合金的表面电镀。但与国外同行业相比，国内轴承电镀层的质量与国外相比有一定的差距，环保型电镀材料及工艺还有待于相关专业的厂商开发、研究与应用。
　　国内轴套类滑动轴承基本采用传统的双10铜合金（CuPb10Sn10），环保型轴套的推广及应用还未广泛引起各大汽车厂商的重视。只有个别汽车及发动机厂开始研制不含铅衬套材料。在这方面，二汽及玉柴已先行一步。一汽随着日产轿车的引进，已在几种衬套上采用了环保型的磷青铜材料。
　　目前，我国现在约有铜基滑动轴承合金材料及铝基滑动轴承合金材料生产厂商30余个，大多具有独立自主的研发能力。
　　3　国家政策应该优先支持发展的汽车环保材料与技术
　　自从研制出滑动轴承材料以来，铅以其资源丰富、价格便宜及极好的润滑性能和表面嵌入性能一直是构成滑动轴承材料的主要元素之一，如铅基巴氏合金、铜铅合金（平均含铅量高达24%~30%）及铅基镀层材料（含铅约90%）等。但近几年来，随着上汽车排放及环保标准的出台，对汽车材料的环保性能提出了越来越高的要求。
　　随着改革开放的不断深入，我国的滑动轴承材料厂商已经意识到了国外汽车环保要求这一信息的重要性，同时部分国外厂商也开始对于我国出口及返销的滑动轴承提出了不允许含铅的要求，这些都必然促进国内的科技人员在滑动轴承材料的开发、研究及应用方面开始投入一定的精力。从对我国滑动轴承材料厂商在滑动轴承材料的技术状况及发展趋势调查结果中已经看到了初步的成果。可以看到，无论是铜基滑动轴承合金材料还是铝基滑动轴承合金材料的生产厂商，已经把研制、开发、推广环保型的滑动轴承材料，即铝锌合金系列、铝锡硅合金系列、铜基低铅、铜基无铅系列滑动轴承材料作为未来几年的发展方向之一。
　　从2005年起，欧洲市场已经对轴承材料提出了禁止使用含铅材料的规定。而国内由于还没有禁止使用含铅轴瓦材料的要求，则导致传统的含铅轴承材料在短期时间内仍然在滑动轴承领域起着主导作用，这就给环保型滑动轴承材料的推广及应用带来一定的困难。因此，要使我国的滑动轴承材料能跟上环保发展趋势及要求，重要的是国家政策应及时与接轨，建立强制性的环保法规，优先并积极支持环保型滑动轴承材料的应用。也就是说，应用环保型滑动轴承材料看来只是时间问题。