涡轮增压器用无铅止推轴承材料摩擦学性能研究

涡轮增压器用无铅止推轴承材料摩擦学性能研究
凌攀;姚萍屏;赵林;贡太敏;周海滨;杨志华;罗丰华
【摘要】针对涡轮增压器用止推轴承材料的无铅化,采用粉末冶金工艺分别制备CuSn6.5P0.1无铅和CuSn10Pb10含铅止推轴承材料,并对比研究2种材料的微观组织结构及油润滑和乏油条件下材料的摩擦学性能.结果表明:微观组织结构上,CuSn6.5P0.1区别于CuSn10Pb10的硬基体(Cu合金基体)+软相(Pb)“两相”组织,呈“单相”组织;CuSn6.5P0.1的力学性能要优于CuSn10Pb10;在油润滑条件下,CuSn6.5P0.1和CuSn10Pb10的摩擦学性能基本一致,在乏油润滑条件下,CuSn6.5P0.1的摩擦因数更加平稳;乏油润滑条件下CuSn 10Pb 10形成了富Pb和Fe的润滑膜使摩擦因数保持平稳,CuSn6.5P0.1则形成Fe氧化物膜保证材料稳定的摩擦因数.CuSn6.5P0.1材料各项性能相当或优于CuSn10Pb10,满足涡轮增压器用止推轴承材料的无铅化要求.
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2018(043)009
【总页数】9页(P19-27)
【关键词】无铅;CuSn6.5P0.1;止推轴承;粉末冶金;摩擦学
【作者】凌攀;姚萍屏;赵林;贡太敏;周海滨;杨志华;罗丰华
【作者单位】中南大学粉末冶金国家重点实验室湖南长沙410083;中南大学粉末冶金国家重点实验室湖南长沙410083;中南大学粉末冶金国家重点实验室湖南长沙410083;中南大学粉末冶金国家重点实验室湖南长沙410083;中南大学粉末冶
金国家重点实验室湖南长沙410083;中南大学粉末冶金国家重点实验室湖南长沙410083;中南大学粉末冶金国家重点实验室湖南长沙410083
【正文语种】中文
【中图分类】TH117.1
涡轮增压器因其具有提高发动机效率，降低油耗等优点，在汽车、卡车和船舶中得到广泛应用[1]。

中国发动机尾气实行国IV排放标准，使发动机涡轮增压技术得到快速发展，预计到2020年，国内涡轮增压器的市场需求将达到1 150万台[2]。

止推轴承作为涡轮增压器的重要组成部件之一，主要承受涡轮增压器转子高速旋转交变产生的轴向载荷，当涡轮增压器转速为70 000 r/min时，实际轴向力已达到
1 700 N[3]，而止推轴承材料的摩擦学性能直接影响涡轮增压器的使用寿命和机
械效率，因此，涡轮增压器用止推轴承材料应具有良好的力学性能和摩擦学性能。

市场上广泛应用的止推轴承材料多为粉末冶金含铅锡青铜基材料，如
CuSn10Pb10、CuSn6Zn6Pb3等含铅材料，Pb为有毒元素，会对环境和人体造成严重危害，人体内Pb质量浓度超过100 μg/L就会造成Pb中毒。

因而，各国
都相继出台了限铅的法律法规，明令禁止汽车零部件中含有铅、镉等有毒金属元素[4]，因此，作为汽车发动机核心部件涡轮增压器用止推轴承材料的无铅化成为目
前研究热点之一[5-6]。

目前科研工作者已开展大量铜基材料的无铅化研究工作，研制出如铜-磷、铜-石墨、铜-铋、铜-MoS2、铜-WS2等无铅材料。

磷青铜材料是其中重要的组成部分，然
而已有磷青铜研究工作主要是针对结构件用铸造磷青铜力学性能等方面开展的 [7-9]。

本文作者针对汽车发动机涡轮增压器用止推轴承的无铅化需求，采用粉末冶金工艺分别制备了CuSn6.5P0.1无铅和CuSn10Pb10含铅止推轴承材料，对比研究
了2种材料的微观组织结构、力学性能和摩擦学性能，为涡轮增压器用止推轴承
材料无铅化的研究和应用提供参考。

1 试验部分
1.1 试样制备
试验用原材料：CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1合金粉，平均粒度小于74 μm。

其具体成分如表1所示。

中间钢背经表面镀铜处理，镀铜厚度为10～12 μm。

2
种止推轴承材料均采用粉末冶金复压复烧工艺制备，具体工艺路线如下：钢背面进行清洁处理，将CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1合金粉均匀铺展在钢背上，厚度约为0.8 mm，在高温网带式烧结炉中烧结，烧结温度为805～835 ℃，保温时间为30～45 min；初烧后进行多道次轧制，轧制后厚度约为0.5 mm，获得单侧铜合
金板材。

在单侧铜合金板材无合金一侧按同样的工艺进行粉末冶金复合工艺成三层复合材料，结构如图1所示，精加工后获得止推轴承成品，便于后续检测分析。

表1 CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1的组成成分Table 1 Composition of
CuSn10Pb10 and
CuSn6.5P0.1 %SamplesCuSnPbPCuSn10Pb10Balanced9～119～11-
CuSn6.5P0.1Balanced5.5～7.5-0.05～0.15
图1 三层双金属止推轴承结构示意图Fig 1 Structure schematic of triple metal thrust bearing
1.2 摩擦试验及检测分析
涡轮增压器用止推轴承材料正常工作条件为有油润滑，在充分的油润滑条件下材料磨损较小，但在供油不足或供油滞后时会出现乏油状态，即存在边界润滑甚至干摩擦状态，而此状态下材料的损伤远高于充分油润滑条件，将加速材料的失效。

因此，对比研究有油及乏油状态下材料的摩擦学性能，对提高材料的综合性能及使用寿命具有重要的研究意义。

文中采用MM-W1B型立式万能摩擦磨损试验机模拟涡轮增压器用止推轴承的工
作方式，摩擦接触方式为环-块式摩擦，对偶材料为淬火45#钢，硬度为
HRC44～46，环内径为25 mm，外径为28 mm，选用2种试验条件，分别为加载压力50 N、转速50 r/min和加载压力200 N、转速200 r/min，并在
CD15W-40油润滑和乏油2种条件下进行摩擦试验，时间为1 h。

摩擦试验前需
对止推轴承材料进行真空预浸油处理，对止推轴承材料和对偶材料表面用砂纸打磨及抛光处理，表面粗糙度分别达到1.2 和0.6 μm。

依据GB/T 4340.1-2009，采用Buehler HVS-1000和310HBS-3000硬度计测
量材料的硬度。

依据国标GB 5163-2006采用排水法测量材料的密度。

利用QUANTA FEG 250型扫描电子显微镜(SEM)观察材料的微观组织和试验后材料的摩擦表面形貌。

2 结果与讨论
2.1 微观组织
图2所示为CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1材料的扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)图，由图2(a)、(b)可知，由于Pb与Cu不固溶，高温烧结后Pb元素发生重熔再结晶，均匀分布在Cu合金基体中，形成硬质基体(Cu合金基体)+软相(Pb)的“两相”镶嵌的组织形态。

而由图2(c)、(d)可知，CuSn6.5P0.1没有明显的多相组织结构，
主要由Cu合金基体组成。

结合EDS分析，可发现P元素在CuSn6.5P0.1中分布较为均匀，没有明显的聚集现象。

图3为Cu-Sn-P三元系统在室温下相图的恒温截面图[10]，可知当P质量分数低
于0.2%时，Cu-Sn-P室温下组织形式为α相，当P质量分数高于0.2%时，会出现Cu3P等化合物，结合SEM和相图分析可知，CuSn6.5P0.1以“单相”组织形态存在。

图2 CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1的SEM和EDS图Fig 2 SEM and EDS
micrograph of subsurface of CuSn10Pb10 and CuSn6.5P0.1 (a)
CuSn10Pb10；(b) Pb distribution in CuSn10Pb10； (c) CuSn6.5P0.1；(d) P distribution in CuSn6.5P0.1
图3 铜-锡-磷室温截面图Fig 3 Cross-sectional view of Cu-Sn-P at room temperature
2.2 力学性能
表2所示为 CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1的各项力学性能参数，可知，2种材料的密度值接近，且相对密度基本相同，约为95%，表明CuSn10Pb10和
CuSn6.5P0.1致密化程度一致。

由2种材料硬度值可知，CuSn6.5P0.1的显微硬度和宏观硬度高于CuSn10Pb10，而由2种材料的强度值可知，CuSn6.5P0.1的抗拉强度和压溃强度也高于CuSn10Pb10，表明CuSn6.5P0.1力学性能要优于CuSn10Pb10，可进一步提高止推轴承材料的承载特性。

表2 CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1的力学性能参数Table 2 Mechanical performance parameters of CuSn10Pb10 and CuSn6.5P0.1SamplesTrue density ρ/(g·cm-3)Relative densityMatrixLubricantMacro-hardnessTensile strengthσb/MPaCrushing
strengthσb0/MPaCuSn10Pb108.4394.95%HV145.9HV18.9HB118422813Cu Sn6.5P0.18.3395.0%HV164.8-HB1374461 047
2.3 摩擦学性能
2.3.1 油润滑条件下材料的摩擦学性能对比
图4所示为油润滑条件下CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1摩擦因数随时间变化曲线图，由图4(a)可知，在加载压力50 N和转速50 r/min的试验条件下，2种止推轴承材料10 min后摩擦因数逐渐趋于平稳。

由图4(b)可知，在加载压力200 N和转速200 r/min的试验条件下，经过摩擦试验初期的磨合之后，2种止推轴
承材料摩擦因数保持在0.15左右，随摩擦试验的进行摩擦曲线几乎没有发生波动，在摩擦试验过程中CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1的摩擦因数基本保持一致，表明油润滑条件下CuSn6.5P0.1具有和CuSn10Pb10相当的摩擦学性能。

图4 油润滑条件下CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1的摩擦曲线Fig 4 Friction coefficient of CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1 under oil lubrication(a) 50 N,50
r/min;(b) 200 N,200 r/min
图5所示为油润滑条件下，摩擦试验后CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1表面SEM 图。

可知，在50 N和50 r/min或200 N和200 r/min下，摩擦试验后2种材
料表面均有犁沟存在，同时也能观察到少量磨屑依附于材料表面，未见明显的黏着特征，两者具有相似的摩擦表面形貌。

图5 油润滑条件下CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1摩擦后表面SEM图Fig 5 SEM images of worn surface of CuSn10Pb10 and CuSn6.5P0.1 under oil lubrication (a) 50 N,50 r/min CuSn10Pb10; (b) 50 N,50 r/min CuSn6.5P0.1;(c) 200 N,200 r/min CuSn10Pb10;(d) 200 N,200 r/min CuSn6.5P0.1
对摩擦表面进一步进行EDS分析，表3给出了图5中A、B、C、D点各元素分布情况。

由 A、B两点元素分析可知，其Fe、O元素含量较低，表明 CuSn10Pb10材料在摩擦过程中对偶材料未发生大量的转移，形成的磨屑对基体形成犁削作用，产生一定的犁沟。

由C点元素分析可知，未发现其他特征元素，而由D点元素分
析可知，出现了微量的Fe、O元素，表明CuSn6.5P0.1摩擦试验后表面光滑区域主要为材料的基本元素，在局部有对偶材料的少量转移。

表3 油润滑条件下CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1摩擦
表面元素EDS分析
Table 3 Friction surface elements EDS analysis of
CuSn10Pb10 and CuSn6.5P0.1 underoil
lubrication %PositionCOFeCuSnPbPA4.535.604.5467.448.519.38-
B4.954.773.4972.339.045.41-C---91.478.03-0.5D4.406.356.8276.375.8-0.26 有油润滑条件下，止推轴承材料与对偶材料以油膜润滑为主，Pb起协同润滑作用,降低了材料之间的磨损，但止推轴承材料和对偶材料表面均有大量的微凸体存在，在摩擦力的反复作用下形成细小的磨屑，这是摩擦表面存在细小磨屑的主要成因。

由图5(a)、(b)可知，细小的磨屑在摩擦过程中会起到第三体磨损的作用，在材料表面形成细小的犁沟。

在加载压力50 N和转速50 r/min试验条件下，
CuSn6.5P0.1材料体系中的微凸体强度高于CuSn10Pb10，且剪切滑移特性明显低于CuSn10Pb10，更容易引起摩擦试验过程中油膜的破裂。

在加载压力200 N 和转速200 r/min试验条件下，随加载压力和转速的增加，摩擦过程中产生的摩擦热大量增加，导致润滑油温度升高，黏度下降，有利于油膜的形成[11]，且由图5(c)、(d)可知，摩擦表面比加载压力50 N和转速50 r/min条件下更加平整，犁沟数量减少，因此，随压力和转速的增加其油润滑效果更加明显，摩擦因数更加稳定。

2.3.2 乏油条件下材料的摩擦学性能对比
图6所示为乏油条件下CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1摩擦因数随时间变化曲线图，由图6(a)可知，在加载压力50 N和转速50 r/min的试验条件下，
CuSn10Pb10摩擦因数曲线波动较大，其摩擦因数在0.15～0.27范围内变化，而CuSn6.5P0.1摩擦因数曲线较为平稳，其摩擦因数在0.15～0.17范围内变化，波动幅度远小于CuSn10Pb10。

由图6(b)可知，在加载压力200 N和转速200
r/min的试验条件下，CuSn10Pb10摩擦试验初期摩擦因数呈现较小的波动，在0.13～0.17范围内波动，其波动幅度小于50 N和50 r/min；40 min后，摩擦因数呈逐渐下降的趋势。

而CuSn6.5P0.1摩擦试验初期摩擦因数呈缓慢下降，由0.15降低至0.11，且摩擦因数要低于CuSn10Pb10；40 min后，其摩擦因数在
0.13左右波动，在200 N和200 r/min试验条件下2种材料的平均摩擦因数均要低于50 N和50 r/min试验条件。

图6 乏油条件下CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1的摩擦曲线Fig 6 Friction coefficient of CuSn10Pb10 and CuSn6.5P0.1 under lack of oil condition (a) 50 N,50 r/min； (b) 200 N,200 r/min
图7所示为不同乏油条件下，摩擦试验后CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1表面SEM图。

由图7(a)、(b)可知，在50 N和50 r/min条件下，CuSn10Pb10摩擦
后表面存在明显的塑形变形和黏着磨损特征以及细小的磨屑，而CuSn6.5P0.1表
面较为光滑平整，也存在细小磨屑粘附于材料表面，但未见明显的黏着特征。

由图7(c)、(d)可知，在200 N和200 r/min条件下，CuSn10Pb10摩擦表面相对平整，表面分布着网络状的“灰色”物质，CuSn6.5P0.1表面则形成了大量的“深灰色”相。

表4所示为图7中A、B、C、D各点EDS元素分布情况。

由A点可知，其Pb元素含量较高，而B点Fe、O元素含量较高，表明CuSn10Pb10摩擦试验后表面“灰色”相主要由Pb和Fe的氧化物共同组成；由C点可知“深灰色”物质未覆盖区域为材料的基本元素组成，而D点Fe、O元素含量较高，表明CuSn6.5P0.1表面的“深灰色”物质主要由Fe的氧化物组成。

在乏油条件下，材料表面Fe、O 元素含量明显高于油润滑状态下，表明乏油工况条件下材料的转移现象高于有油润滑状态。

图7 乏油条件下CuSn10Pb10和CuSn6.5P0.1摩擦后表面SEM图Fig 7 SEM images of worn surface of CuSn10Pb10 and CuSn6.5P0.1 under lack of oil condition (a) 50 N,50 r/min CuSn10Pb10； (b) 50 N,50 r/min CuSn6.5P0.1；
(c) 200 N,200 r/min CuSn10Pb10；(d) 200 N,200 r/min CuSn6.5P0.1表4 乏油条件下止推轴承材料摩擦表面元素EDS分析Table 4 Friction surface
elements EDS analysis of thrust bearing materials under lack of oil condition %
PositionCOPbFeCuSnPA7.0515.1140.5217.7319.59--
B7.3415.7711.9447.7014.772.48-C4.437.45-10.8270.426.720.16D5.4614.54-71.098.92--
乏油条件试验过程中，止推轴承材料与对偶材料的接触为微凸体的相互接触，随摩擦的进行，材料表面微凸体呈现反复地磨平及再生过程。

在加载压力50 N和转速50 r/min的试验条件下，在CuSn10Pb10材料体系中，由于材料“两相”组织特征，材料表面与对偶的接触是硬质铜合金基体和软相铅凸体的共同作用；随着摩擦的进行，Cu合金基体与Pb相的承载性能存在较大差别，摩擦过程中的真实接触
面积会随摩擦的进行不断变化，结合图7(a)分析可知，发生了明显的黏着现象和
对偶材料在局部形成富集，导致CuSn10Pb10摩擦表面接触不稳定，因此，摩擦因数呈现较大的波动特征。

而在CuSn6.5P0.1材料中，在经历初期的磨合过程后，单相组织与对偶材料接触稳定，对偶材料转移物在表面均匀分布，由图7(b)可知，CuSn6.5P0.1在摩擦过程中表面较为平整，同时由于材料的均质特性，不会引起
其承载特性的变化，因此，摩擦因数曲线波动较小。

加载压力200 N和转速200 r/min的试验条件属于较为苛刻的使用工况，摩擦过程中产生的摩擦热远大于50 N和50 r/min的工况条件。

在CuSn10Pb10材料体系中，Pb的熔点低，在摩擦力和摩擦热的共同作用下逐渐往表面迁移，迁移速率
远高于50 N和50 r/min的工况条件。

由图7(c)可知，CuSn10Pb10摩擦过程中表面会形成较完整的固体润滑膜，起到减摩润滑的效果[12]，因此，在固体润滑膜的作用下，摩擦因数逐渐下降。

在CuSn6.5P0.1材料体系中，止推轴承材料与对
偶材料直接接触，会产生大量的磨屑，磨屑在摩擦中再次被碾压、涂覆，由于单相组织形态存在，不存在材料内部物质迁移过程，在摩擦表面形成氧化物层，因此，
摩擦因数表现平稳，且CuSn6.5P0.1的平均摩擦因数要低于CuSn10Pb10。

2.4 摩擦磨损机制
2.4.1 油润滑条件下的摩擦机制
图8为油润滑条件下CuSn10Pb10的摩擦机制图。

如图8(a)所示，摩擦试验初期润滑油会迅速填充摩擦副材料之间的间隙，并在止推轴承材料表面形成油吸附膜[13]，此时摩擦副接触方式主要为金属与润滑油的接触，辅以微凸体的接触。

因此，摩擦因数保持平稳。

随摩擦过程的进行如图8(b)所示，随着某些微凸体的脱落和
油膜会发生瞬时破裂，止推轴承材料与对偶材料之间直接接触概率增大，止推轴承材料的磨损增大，产生的磨屑会进入润滑油中对止推轴承材料表面产生犁削作用。

在摩擦试验末期如图8(c)所示，在油润滑条件下，由于摩擦过程中表面摩擦力和
摩擦热减少，Pb在表面的富集速率要低于乏油条件，因此在表面难以形成完整的
减摩层，Pb只起到协同润滑的作用。

图8 油润滑条件下CuSn10Pb10的摩擦机制图Fig 8 The friction mechanism
of CuSn10Pb10 under oil lubrication(a) beginning of the friction test;(b) middle of the friction test;(c) end of the friction test
图9为油润滑条件下CuSn6.5P0.1的摩擦机制图，摩擦试验初期如图9(a)所示，初始状态和CuSn10Pb10相同，不同的是CuSn6.5P0.1为均质组织结构。

而随摩擦的进行如图9(b)所示， CuSn6.5P0.1基体硬度高，油膜瞬时破裂后由于表面没有软相Pb的减摩作用，形成的磨屑数量要多于CuSn10Pb10，且不同于乏油条件，在表面未能形成较完整的氧化物膜。

摩擦末期如图9(c)所示，产生的磨屑对
止推轴承材料产生一定的犁削作用，导致轻微的犁沟现象。

图9 油润滑条件下CuSn6.5P0.1的摩擦机制图Fig 9 The friction mechanism of CuSn6.5P0.1 under oil lubrication (a) beginning of the friction test;(b) middle of the friction test;(c) end of the friction test
2.4.2 乏油条件下的摩擦机制
图10所示为乏油条件下CuSn10Pb10的摩擦机制图。

摩擦试验初期如图10(a)所示，材料之间存在一定的间隙。

随摩擦的进行如图10(b)所示，摩擦副材料之间的微凸体先优先接触，止推轴承材料表面会产生少量的磨屑，Pb会逐渐往摩擦表面
迁移。

由图7分析可知，摩擦过程中表面摩擦力和摩擦热是影响表面润滑膜形成
的重要因素。

摩擦试验末期如图10(c)所示，摩擦表面产生的磨屑增加，同时产生大量的摩擦热；一方面Pb在摩擦热的作用下逐渐软化，向摩擦表面迁移并涂覆；另一方面磨屑被氧化成为第三体后，会被再次碾压成膜，最终如图10(c)所示，形成富Pb相、对偶转移物共同组成的减摩层。

图10 乏油条件下CuSn10Pb10的摩擦机制图Fig 10 The friction mechanism
of CuSn10Pb10 under lack of oil condition (a) beginning of the friction test；
(b) middle of the friction test；(c) end of the friction test
图11所示为乏油条件下CuSn6.5P0.1的摩擦机制图。

摩擦试验初期如图11(a)所示，初始状态都是材料与对偶的微凸体接触，由于CuSn6.5P0.1为“单相”组织
形态，没有软相分布，在摩擦过程中止推轴承材料与对偶材料直接接触。

在摩擦试验中期如图11(b)所示，摩擦过程中产生的磨屑和摩擦热要多于CuSn10Pb10，
最终在摩擦表面主要形成氧化物膜。

在摩擦试验末期如图11(c)所示，止推轴承材料表面会形成具有一定厚度的氧化物膜，在摩擦力作用下容易形成裂纹导致氧化物膜的剥落，形成“成膜—脱落—再成膜”的动态平衡过程。

图11 乏油条件下CuSn6.5P0.1的摩擦机制图Fig 11 The friction mechanism
of the material under lack of oil condition (a) beginning of the friction test;(b) middle of the friction test;(c) end of the friction test
3 结论
(1)采用粉末冶金工艺制备的CuSn6.5P0.1无铅止推轴承材料呈“单相”组织形态，
其力学性能要优于CuSn10Pb10。

(2)油润滑条件下CuSn6.5P0.1具有和CuSn10Pb10相当的摩擦学性能，而在乏油条件下，CuSn6.5P0.1具有更加稳定的摩擦因数。

在乏油条件下，
CuSn10Pb10表面主要形成富Pb和Fe的氧化物膜，Pb能起到一定的固体润滑效果，但会引起摩擦过程中的轻微波动，而CuSn6.5P0.1表面会形成Fe的氧化物膜来保证材料平稳的摩擦磨损状态。

(3)粉末冶金工艺制备的涡轮增压器用CuSn6.5P0.1无铅止推轴承材料与现有含铅CuSn10Pb10材料工艺相似，油润滑状态下摩擦学性能基本一致，而乏油条件下摩擦学性能优于含铅材料，可满足涡轮增压器用止推轴承材料的无铅化要求。

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