车用滑动轴承及常用的合金材料
发布时间：2013-09-10朱俊
（湖北武汉市风神汽车修理厂）
关键词：车用滑动轴承；合金材料；特点
1 承受径向载荷的滑动轴承性能特点和结构
径向滑动轴承有剖分式、整体式、凸缘式和自位式等几种型式。径向滑动轴承的宽径比，一般取0.4-1.5，为减小轴向尺寸（如在内燃机中）也可取至0.25。宽径比对轴承性能有很大影响。
滑动轴承中轴瓦与内衬直接与轴颈配合使用，相互间有摩擦，而且还要承受交变载荷和冲击载荷的作用。由于轴是机器上的重要零件，其制造工艺复杂，成本高，更换困难，为确保轴受到Z小的磨损，轴瓦的硬度应比轴颈低得多，必要时可更换被磨损的轴瓦而继续使用轴。
滑动轴承应有足够的抗压强度和抗疲劳性能，同时具有良好的减摩性摩擦系数要小、磨合性、导热性、耐蚀性、公益性以及良好的储备润滑油的功能，使之制造容易，价格便宜。但一种材料无法同时满足上述性能要求，因此可将滑动轴承合金用铸造的方法镶铸在08钢的轴瓦上，制成双金属轴承。
滑动轴承合金应具备软硬兼备的理想组织，即软基体和均匀分布的硬质点硬基体上分布着软质点。轴承在工作时，软的组织首先被磨损下凹，可储存润滑油，形成连续分布的油膜，硬的组成部分则起着支承轴颈的作用。这样，轴承与轴颈的实际接触面积大大减少，使轴承的摩擦减少，如图1所示。
滑动轴承工作时，轴瓦与转轴之间要求有一层很薄的油膜起润滑作用。如果润滑不良，轴瓦与转轴之间就存在直接的摩擦，摩擦会产生很高的温度，虽然轴瓦是由特殊的耐高温合金材料制成，但发生直接摩擦产生的高温仍然足以将其烧坏。轴瓦还可能由于负荷过大、温度过高、润滑油存在杂质或豁度异常等因素造成烧瓦，烧瓦后滑动轴承就损坏了。
2 内燃机滑动轴承的常用材料
内燃机滑动轴承材料是制造轴瓦和轴套等零件的材料，这些零件是直接与轴或轴颈配合的摩擦偶件，滑动轴承材料必须具有良好的减摩性、耐磨性、嵌藏性、顺应性、耐腐蚀性及足够的承载能力，以减小摩擦磨损，延长轴承的使用寿命。
轴瓦用减摩性良好的滑动轴承材料制造，包括金属材料（如铜合金、铝合金和巴氏合金等）和非金属材料（如塑料、石墨、橡胶和木材等）。有些减摩性较好的金属材料强度低（如巴氏合金），只在材料强度较高的轴瓦表面上浇铸一层，称为轴承衬。支撑轴承衬的部分称为轴承衬背，常用软钢、铸铁或青铜制造。为进一步改善轴承衬表面性能，可在其表面镀上减摩性更好的薄层金属（如铟）。这样由多层不同金属材料制造的轴瓦称为多层金属轴瓦。内孔形状基本不受轴承座孔形状影响的轴瓦称为厚壁轴瓦内孔形状主要取决于轴承座孔形状的轴瓦称为薄壁轴瓦。在内燃机和空气压缩机等大批量生产的机器中广泛采用薄壁轴瓦。
由于金属材料越软，其顺应性和嵌入性越好，但强度越低，所以软金属材料只能作轴承衬用反之硬度高的材料强度高，但顺应性和嵌入性差，因此用这种材料制成的轴瓦要求轴与轴承的对中误差小。滑动轴承材料应根据载荷、速度、温度、润滑条件和寿命等因素进行选择。常用的滑动轴承材料有巴氏合金、铜基和铝基合金、耐磨铸铁、塑料、橡胶、木材和碳石墨等。
随着现代内燃机向高速与大型化方向发展，对滑动轴承的承载能力及可靠性提出了更高的要求。传统的巴氏合金轴承材料的承载能力特别是高温承载能力较低，随温度的上升，会出现严重的粘着磨损而引起烧瓦事故。铜基轴承合金的承载能力和疲劳强度很高，但其表面顺应性、嵌藏性及磨合性较差，容易伤轴，故其表面需要1层铅锡2元合金或3元合金材料。
3 锡基轴承合金（锡基巴氏合金）的滑动轴承
锡基巴氏合金价格较高，主要用于高速重载的重要轴承和大型轴承。铅基巴氏合金的性能不如锡基合金，但价廉，应用较广，适用于中速、中载且载荷比较稳定的轴承。加入微量元素（如铬和铍等）制造高强度巴氏合金，是新的发展方向。
锡基轴承合金是一种软基体硬质点类型的低熔点轴承合金。它是以锡和锑为基础，并加入少量其它元素的合金。其牌号为“ZCh”（即“铸承”的汉语拼音字首）其后附以基本元素与主加元素的化学符号并标明主加元素与辅加元素的含量（%）表示。例如：ZChSnSb11-6是锡基轴承合金，表示含有约11%Sb（锑）和6Cu（铜），余为Sn（锡）。常用的牌号有ZChSnSb11-6、ZChSnSb8-4和ZChSnSb4-4等。
当轴在轴承中转动时，轴瓦的软基体被磨损，使轴与轴承的形状吻合起来，而硬质点则呈显微突出，轴颈就架在这些硬质点上，减少轴颈与轴承的接触面积，从而减少磨损。在轴颈与软基体间空隙中，可以储存润滑油，进一步减少摩擦。如果遇到偶然落入的铁屑或砂粒以及其他硬杂质，则可被压入软基体中，不致划伤轴颈。
锡基轴承合金具有良好的磨合性、抗咬合性、嵌藏性和耐蚀性，浇注性能也很好摩擦系数和膨胀系数小，具有良好的导热性、塑性和耐蚀性，适于制造高速重负荷条件的轴承。因而普遍用于浇注汽车发动机、气体压缩机、冷冻机和船用低速柴油机的轴承和轴瓦。锡基轴承合金的缺点是疲劳强度低，允许温度也较低（不高于150℃），一旦润滑条件不正常，轴承极易烧损，同时它的抗压强度也不够高，承受高转速重负荷时易于损坏。由于锡较贵，条件允许的情况下，采用铅基轴承代替锡基轴承合金。
4 铅基轴承合金（铅基巴氏合金）的滑动轴承
铅基轴承合金也是一种软基体硬质点类型的轴承合金，加入锑、锡和铜等合金元素组成的合金。铅基轴承合金的强度、硬度、导热性和耐蚀性均比锡基轴承合金低，而且摩擦系数较大，但价格便宜。适合于制造中，低载荷的轴瓦，如汽车、拖拉机曲轴轴承及铁路车辆轴承等。
铅基轴承合金常用牌号为ZChPbSb16-16-2，含16%Sb、16%Sn和2%Cu。加入约16%Sn的作用是溶入Pb中强化基体，并能形成硬质点。加入约2%Cu，能防止比重偏析，同时形成硬质点，提高合金的Cu2Sb耐磨性。铅基和锡基巴氏合金的强度都较低，需要把它镶铸在钢的轴瓦（一般用08钢冲压成型）上，形成薄而均匀的内衬，才能发挥作用。
5 铝基轴承合金的滑动轴承
随着汽车发动机向高速、重载和增压强化方向发展，轴承的工作条件更加恶化，因此，对轴承材料提出了更高的要求。铝基轴承合金基本上具备了上述轴承合金的优点，并弥补了它们的不足之处，因此，在汽车发动机上应用日益增多。铝基合金有铝锑镁合金、铝锡合金和铝硅合金。它们的抗压强度和抗疲劳强度较高，导热性和耐蚀性好，价廉，但其摩擦相容性、嵌入性和顺应性较差，广泛用于内燃机和压缩机轴承。
铝基轴承合金是以铝为基体加入锑和锡等合金元素所组成的合金，密度小，导热性和耐蚀性好、疲劳强度高。铝基轴承合金是一种新型减摩材料，原料丰富，价格便宜，广泛应用于高速和重载下工作的汽车、拖拉机及柴油机轴承等。但它的线膨胀系数大，运转时容易与轴咬合使轴磨损，可通过提高轴颈硬度，加大轴承间隙和降低轴承和轴颈表面粗糙度值等办法来解决。
常用的铝基轴承合金有以下2类。
1）铝锑镁轴承合金：该合金与钢板一起热轧成双金属轴承，生产工艺简单，成本低廉，并具有良好的疲劳强度和耐磨性，但承载能力不大。适于制造负荷小于2000N/mm2，滑动速度低于10m/s的轴承。
2）铝锡轴承合金：这种合金以08钢为衬背，轧制成双合金带。它具有较高的疲劳强度和良好的耐热性、耐磨性及耐蚀性。生产工艺简单，成本低。可制造负荷高达3022N/m2，滑动速度低于13m/s的轴承。目前它代替其他轴承合金，广泛应用于汽车、拖拉机和内燃机车等。铝基轴承合金当前存在的主要缺点是线膨胀系数大，因此，在使用中要有大的配合间隙，同时制造工艺较为复杂，与锡基轴承合金相比，硬度较高，修复中刮削较为困难。
6 铜基轴承合金的滑动轴承
铜基轴承合金具有高的疲劳强度和承载能力，优良的耐磨性，良好的导热性，摩擦系数低，能在250℃以下正常工作。适合于制造高速和重载下工作的轴承，如高速柴油机和航空发动机轴承等。
几种滑动轴承常用合金材料的代号、成分、性能及用途，如表1所示。
多层轴承合金是一种复合减磨材料。它是综合了各种减磨材料的优点，弥补其单一合金的不足，从而组成2层或3层减磨合金材料，以满足现代机器高速、重载和大批量生产的要求。例如：将锡锑合金、铅锑合金、铜铅合金及铝基合金等之一与低碳钢带一起轧制，复合而成双金属。为了进一步改善顺应性、嵌镶性及耐蚀性，可在双层减磨合金表面上再镀上一层软而薄的镀层，这就构成了具有更好减磨性及耐磨性的3层减磨材料。这种多层合金的特点都是利用增加钢背和减少减摩合金层的厚度以提高疲劳强度，采用镀层来提高表面性能。
来源：《汽车工程师》2009年01期