无铅铜铋滑动轴承材料摩擦学特性研究

摘要

铅作为铜基滑动轴承材料中重要的减摩、抗粘着组元而得到普遍使用。然而,铅是一种有害元素,随着环保化的发展趋势,产品无铅化势在必行。本文选用无毒低熔点金属元素铋作为软质相、石墨作为固体润滑剂,以期利用石墨的减摩特性与铋的抗粘着特性的协同作用取代铜铅轴承材料中铅的作用,实现铜基轴承材料无铅化。采用常规的粉末冶金方法制备了无铅铜铋、铜铋石墨双金属轴承材料,并开展了不同工况条件下的摩擦学特性研究,利用扫描电子显微镜、光学显微镜、表面形貌轮廓仪等微观分析手段对材料的显微组织结构、磨痕表面形貌、表面轮廓以及磨痕表面的化学组分进行了系统的分析,探讨了无铅铜铋轴承材料的摩擦磨损机理。
　　 在HDM-20端面摩擦磨损试验机上进行了边界润滑条件下的摩擦磨损试验,探讨了铋的含量对无铅铜铋轴承材料减摩、抗粘着性能及其承载能力的影响,并与典型铜铅轴承材料的性能进行了对比分析。研究表明,铋含量为3.0wt％的无铅铜铋轴承材料具有较好的减摩耐磨与抗粘着特性,与典型铜铅轴承材料基本相当。在固定铋含量为3.0wt％基础上,开展了铜铋石墨轴承材料的摩擦磨损特性研究,探讨了石墨对铜铋石墨轴承材料摩擦磨损性能的影响,含有镀铜石墨的铜铋轴承材料减摩耐磨性能明显优于含有未镀铜的铜铋轴承材料,其中添加2.5wt％镀铜石墨的铜铋轴承材料摩擦磨损特性较好,石墨与铋体现出了一定的协同作用效果。然而,由于受到烧结工艺的影响,本文研究的含石墨铜铋轴承材料烧结不充分,其摩擦磨损性能受到较大影响,含石墨铜铋轴承材料烧结工艺有待进一步优化。
　　 无毒低熔点组元铋与铅相似,因局部区域直接接触与剪切变形导致温度升高时,低熔点组元铋的熔化、渗出而降低接触区域的剪切强度,避免粘着撕裂的发生,摩擦副摩擦系数低运行较为稳定。由于铋较脆、延展性差,摩擦磨损过程中更容易从磨痕表面脱落,磨痕表面难以发现铋元素的存在。铋从磨痕表面脱落后,保留了材料表面原有的较多孔隙,即孔隙仍可起着存储润滑油改善摩擦副润滑状态的作用。这可能是在油润滑摩擦磨损试验条件下,CuSn10Bi3.0材料摩擦副稳定阶段的摩擦系数比CuSn10Pb10材料摩擦副摩擦系数低的根本因为。

目录

文摘

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致谢

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 国内外滑动轴承材料的发展现状

1.2.1 巴氏合金

1.2.2 铜合金轴承材料

1.3 铝合金轴承材料

1.4 非金属轴承材料

1.5 滑动轴承材料无铅化

1.6 本课题研究意义及主要内容

第二章 材料的制备与试验方法

2.1 材料的配方设计

2.1.1 滑动轴承材料中铅的作用

2.1.2 滑动轴承材料的无铅化设计

2.2 材料的制各工艺

2.2.1 工艺流程

2.2.2 钢板的选择与准备

2.2.3 铜粉的选择与准备

2.2.4 铺粉厚度的确定

2.2.5 初烧及初轧

2.2.6 二次烧结及二次轧制

2.3 典型无铅铜铋合金显微组织

2.4 摩擦磨损试验分析

第三章 无铅铜铋轴承材料的摩擦磨损性能分析

3.1 铋对无铅铜铋轴承材料摩擦学性能的影响

3.1.1 定载荷条件下无铅铜铋轴承材料摩擦学性能

3.1.2 变载荷条件下无铅铜铋轴承材料摩擦学性能

3.2 速度、载荷对铜基轴承材料摩擦磨损性能的影响

3.2.1 速度对铜基轴承材料摩擦磨损性的影响

3.2.2 载荷对铜基轴承材料摩擦磨损性能的影响

3.3 含石墨铜铋轴承材料摩擦磨损性能分析

3.3.1 定载荷条件下含石墨铜铋轴承材料摩擦磨损性能研究

3.3.2 变载荷条件下含石墨铜铋轴承材料摩擦磨损性能研究

3.3.3 烧结工艺改进后含石墨铜铋轴承材料摩擦学性能研究

3.4 本章小结

第四章 无铅铜铋轴承材料的摩擦磨损机理分析

4.1 摩擦磨损理论

4.1.1 流体润滑原理

4.1.2 边界润滑理论

4.2 铜基轴承材料摩擦磨损机理分析

4.2.1 典型铜铅轴承材料的摩擦磨损机理分析

4.2.2 无铅铜铋轴承材料磨痕表面分析

4.2.3 无铅铜铋轴承材料减摩、抗粘着机理分析

4.3 本章小结

第五章 总结和展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文