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四元合金涂层轴瓦在高负荷发动机上应用 14内燃机配件2008年第6期 四元合金涂层轴瓦在高负荷发动机上应用 FourElementAlloyCoatBearingApplicationforHighLoadEngine 王振国 (烟台大丰轴瓦有限责任公司) 1刖置 随着我国高速,高载荷增压强化的柴油机的生 产,要求轴瓦镀层抗疲劳能力,耐磨性和耐腐蚀性越 来越高.随之而来的我国轴瓦电镀生产也从原来的 二元电镀,发展到三元电镀,进而发展成四元电镀. 现在四元电镀轴瓦已大量应用在300马力以上的高 速重载柴油机上,表现出极优的性能,详见表1,电 镀性能的相对比较值. 表1电镀性能的相对比较值 注:数字1最好 2四元合金涂层材料 2.1就现有涂层材料来讲,铅一铟涂层的疲劳强度 高于铅一锡或铅一锡一铜涂层,国内外大量的疲劳 实验显示,铅铟合金涂层具有较高的抗疲劳强度,在 某些具有特殊要求的柴油机上应用着,但它的耐磨 性能较差.英国格雷西尔公司生产的CUMMINSB 连杆瓦就是铅一铟二元电镀,1000小时台试后发现 在轴瓦冲击区有大面积涂层被磨去而漏铜现象,而 铅一锡一铜三元电镀在轴瓦冲击区出现疲劳龟裂, 而没有漏铜现象,就是这个问题的典型例子. 通过磨损试验看,试验结果可以很容易地看出, 其耐磨性与镀层合金的相对硬度有关,这些硬度可 以用扫描或电子显微镜的超微硬度计测出.铅一铟 硬度约为8HV,铅一锡硬度约为10HV,铅一锡一铜 硬度约为12HV,铅一锡一铜一铟硬度约为14HV. 每种材料的硬度值取决于正确的化学成份和热处理 过程. 疲劳强度好坏与硬度无关.可以认为铅一铟甚 至在室温时都能再结晶,至少恢复原状,这样一来便 可减弱或减轻疲劳初裂而不致于发展成实际裂纹. 铅一锡和铅一锡一铜不具备这种特性,会发生预计 的疲劳损坏. 2.2研究目标 由于铅一铟的再结晶特性,以及疲劳强度比预 期的高,可以认为它应成为涂层研究的基础.采用 在三元镀层合金中加入第四种元素的方法,可达到 增加硬度来提高耐磨性而同时保持已有的极佳耐疲 劳性能的目的. 三元镀层中的锡和铜对镀层的影响也非常大, 既增加强度,提高耐磨性,锡又有很好的耐腐蚀作 用.将其与铅一起涂在轴承表面,然后镀上铟,使铟 扩散到三元电镀合金中形成均匀的四元合金. 2.3四元合金涂层材料规格和金相 表2化学成份和合金硬度 表2中列出了Pbln,PbSn,PbSnCu,PbSnCuIn 合金的化学成份和硬度,由此可以看到其硬度值越 来越高,说明它们耐磨性也越来越好;图1,图2是 PbSnCu,PbSnCuln金相图片,可以看出其致密度越 来越好,其疲劳强度也是越来越高. 2.4耐疲劳性 自2001年5月戚墅堰机车辆工艺研究所从英 国格雷西尔(Glacier)公司引进一台”蓝宝石”试验 机,对各种成分的涂层材料进行了”蓝宝石”疲劳试 验,详见图3.试验采用增载法,即确定起始荷运转 20小时停机检查,未破坏就增加一级载荷继续试 验,每级载荷运转20小时直至轴瓦材料疲劳破坏, 四元合金涂层轴瓦在高负荷发动机上应用15 图1PbSnCu金相 图2PbSnCuln四元合金金相图片 试验载荷MPa镀层材料 4lJ48I55}62I6976I8398 Ph—Sn, Pb-lrl 硒, Ph—Sn—Cu n卜S卜(卜In 图3涂层疲劳强度比较 此时的载荷定为该轴瓦材料在”蓝宝石”试验机上的 疲劳强度.起始载荷低于疲劳破坏载荷21MPa. 如果起始载荷出现破坏,试验无效. 含铟合金镀层都具有较高的抗疲劳强度,但是 向铅铟合金添加一定量的铜和锡元素,可以提高其 疲劳强度,在一定载荷下含3%铜的铅铟合金的疲 劳寿命为不含铜的5倍.含铜达到2～4%时,铅铟 合金镀层有最高的疲劳强度见图4. 涂层的金相组织含有近乎纯锡颗粒的铅一铟～ 锡合金.使用时软锡颗粒被抹在表面上,因而可降 低总磨损速率.由于颗粒为球形,不会影响合金的 疲劳强度,因而材料保持着铅一铟的良好疲劳性能. 目前,西欧各国在一些高速,大功率柴油机铜铅合金 ,—\ }\\ |\ |\\ {\\ 246810 含铜分数(%) 图4含铜量对对镀层疲劳强度的影响 轴承上电镀了含锡量l8%和含铜量高达8%左右的 铅锡铜合金层,镀层有很高的抗疲劳能力和耐磨性 能.可是,由于镀层中铜和锡含量都较高,使镀层合 金变脆.所以一旦发生疲劳开裂,因其硬脆的疲劳 裂纹发展得很快,而引起轴承层大面积的疲劳剥落. 2.5耐磨性与减磨性 众所周知,轴承工作表面上电镀层大大地改善 了轴承的摩擦状况,不仅提高了轴承的表面性能,耐 磨损性和抗疲劳能力,还减少了轴承与轴颈的磨损, 提高了内燃机的可靠性和耐久性.使用过程中,轴 承的载荷对镀层的磨损有重要影响.随着我国高负 荷发动机的生产,对镀层的