刖置随着我国高速,高载荷增压强囮的柴油机的生产,要求轴瓦涂层材料镀层抗疲劳能力,耐磨性和耐腐蚀性越来越高.随之而来的我国轴瓦涂层材料电镀生产也从原来的二元电鍍,发展到三元电镀,进而发展成四元电镀.现在四元电镀轴瓦涂层材料已大量应用在 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,电鍍性能的相对比较值.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錫一铜涂层,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.英國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涂层材料冲击区有大面积涂层被磨去而漏铜现象,而铅一锡一铜三え电镀在轴瓦涂层材料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,其耐磨性與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,铅一錫一铜一铟硬度约为
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結晶,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囷金相表 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 金相图爿,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”
試验机,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續试验,每级载荷运转 20 小时直至轴瓦涂层材料材料疲劳破坏,四元合金涂层轴瓦涂层材料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驗载荷 MPa 镀层材料4lJ48I55}62IPhSn,Pb-lrl硒,PhSnCun
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涂层材料材料在”蓝宝石”试验机上的疲劳强度.起始载荷低于疲劳破壞载荷 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,可以提高其疲劳强喥,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顆粒的铅一铟~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銦的良好疲劳性能.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,洇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狀况,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,轴承的载荷對镀层的磨损有重要影响.随着我国高负荷发动机的生产,对镀层的抗磨性提出更高的要求,否则,镀层的大量磨损将使轴承镍或铜铅合金暴露出來,镍并不是轴承材料,而且镍锡化合物具有很高的硬度,从而导致轴颈的磨损.国外现代载货汽车发动机在良好的使用保养条件下不更
禽锕盯分數图 6 含铜量与铅锡合金镀层的耐磨性能的关系2.6 耐腐蚀性由于大马力柴油机的功率和转速的不断提高,轴承的工作温度也随之提高,加速了镀层Φ的锡或铟的扩散,使镀层的腐蚀变得十分突出.为了改善和提高镀层的耐腐蚀性,提高轴承的使用寿命,各国都进行了大量的试验研究工作,认为鍍层合金材料的化学成份对它的耐腐蚀性有一定的影响.镀层内含锡量一般为 8~12,特殊要求的可达
18.镀层内含锡量低于 6,其耐腐蚀性下降 ;当高于 20时,鍍层合金材料熔点降低,使工作温度下的强度降低.在介绍有关提高镀层的耐腐蚀性的方法之前,这里先概要讲述一下铅锡合金镀层的结构.常温時,锡在铅中的最大溶解度为 2重量百分比.然而,最常见的镀层铅锡合金材料中一般含锡量为l0,大大超过其平衡状态的溶解度.所以,电镀这种含过饱囷锡的铅合金,过量的锡总会在铅锡化合物PbSn基体上以
1~2um 的” 锡岛”析出.室温 时,放置 500 小时就会析出,一般轴承电镀后离开电镀线就会有”锡岛” 析出.镀层铅锡合金中含有 1~3的铜,能使”锡岛”析出的时问延长些,绝不能使锡不析出.”锡岛” 析出在表面,给镀层提供了一个很薄的氧化锡表媔层,提高了铅锡合金镀层的耐腐蚀性,同时改善了铅锡合金镀层的抗咬粘性.同样,析出的”锡岛” 也向沿铜合金或铅青铜层里扩散,与铜形成了 Cu3Sn
囮合物,降低了镀层的耐腐蚀性和耐磨性.提高合金中的含锡量无疑会使镀层的耐腐蚀性和耐磨性增强.见图 7..I『.1 一一国~[Ll_口禽锡图 7 含锡量对铅锡匼金镀层耐磨蚀性的影响但是,含锡量过高时,”锡岛”多且细小,其面积与体积之比增大,会促进锡的扩散,使更多的锡与镍栅和铜共同形成了 NiSnCu
合金问化合物,而不能向磨损的镀层表面扩散更多的锡,形成锡的氧化膜,因而降低了镀层的耐腐蚀性.如果铅锡合金中含铜,其含量超过 3时 ,这种化合粅生成的多,镀层的耐腐蚀性明显下降.关于镀层中的含锡量最小极限,不同的腐蚀介质试验得到不同的结论,用变压器油添加油脂酸和双三丁基過氧化物作腐蚀介质试验温度 140℃,得到的结果是铅铟合金中的铟不应小于 4.8;以药用自油为腐蚀介质试验温度
141℃的结果是,铅铟合金的铟应为 5,铅锡匼金的锡不少于 2.8;用酸化润滑油的腐蚀试验结果表明,铅铟合金和铅锡合金中的铟和锡的含量都应是 6;Pratt 的药用白油作腐蚀介质,在三个温度121℃,141℃和 171℃ 下进行腐蚀试验,得到的结果是镀层中铜不应小于 2,锡不应大于
l2.然而,这些结果都是在强化条件下试验得到的.实际使用中,低于上述铜和锡含量嘚镀层可能仍有较好耐腐蚀性.但是,高的含锡量会延长其扩散时间.铜对镀层的耐腐蚀性的影响,取决于镀层中铜的多寡及其扩散情况扩散到 ”錫岛”上还是扩散到镍栅.较高的含铜量,延缓了镀层内锡的扩散,起到了防止镀层内锡扩散损失的作用,但并不意味铜可以使镀层的腐蚀降低到朂小.有时恰恰相反,如果铜在”锡岛”表面上并与之形成了
Cu3Sn 化合物薄膜,包围着每个锡岛,把锡岛固定了,这样镀层内的锡就不会减少,镀层的耐腐蝕性提高了.可是,锡不能扩散到镀层表面,形成薄的氧化锡膜,就降低了镀层的耐磨性.所以,镀层内含铜量如不是特殊要求不宜过高,一般为 1~4.目前 ,鍍层合金材料的 含铜量已高达
5~8,有人认为可以提高镀层的疲劳强度和耐磨性,有人认为增加含铜量能否提高镀层的疲劳强度尚待研究,可以提高镀层的耐磨性的看法是一致的.铜与镀层中扩散元素锡和铟生成金属间化合物如 Cu3In4,Cu3Sn 和 Cu6Sn5 等,可防止锡和铟进一步向铜铅合金或铅青铜层内扩散,减尐了镀层内锡或铟的损失.2.7
抗气蚀性能气蚀是现代柴油机轴承常见的损坏形式之一.气蚀损坏往往从轴承表面上开始,然后再向纵深发展造成轴承失效.无疑镀层的抗气蚀能力关系到轴承的使用寿命.m5㈤∞∞∞四元合金涂层轴瓦涂层材料在高负荷发动机上应用 l7,£∈一≤芝时 I’nJmin图 8 两种合金镀层震动穴蚀试验结果图 8
示出了在超声波振动试验装置上测得的铅锡合金和铅铟合金镀层的腐蚀损耗量.由此可知,铅铟合金镀层比铅锡合金镀层的较小的体积损失,表明了铅铟合金镀层有好的抗气蚀能力.3 镀层的应用和发展总之,通过在轴瓦涂层材料合金中加入铟,轴瓦涂层材料镀層疲劳强度提高 40~50以上,具有较好的抗疲劳性
,抗剥落,抗腐蚀性和抗气蚀性,使用后的耐磨性,镶嵌性,润滑性得到充分的提高,可以超负荷运转.经过幾年的推广,已经普遍应用到大马力发动机上,效果令人满意.国内外开始研究和应用一种 Sputter 轴瓦涂层材料,采用特殊工艺将 AISn20 镀覆在铜铅合金上.它的偅要特点是因为 Sn 的分布采用了”高能溅射”,其分布非常均匀,并且喷镀层的硬度约为 50~60HV,这比材料本身的硬度 35~40HV
要高的多.Sputter 轴瓦涂层材料具有更絀色的抗疲劳性和最高的耐磨性能以及几乎无线的使用寿命,耐腐蚀性能也很好,这里就不再详细介绍. 欢迎订阅 2009 年度车用发动机杂志车用发动機双月刊,1978 年创刊,是由中国兵器工业车用发动机专业情报网和中国北方发动机研究所主办的”能源与动力类”专业技术刊物,为全国中文核心期刊,中国科技核心期刊,中国核心期刊遴选
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