铜基滑动轴承材料无铅化设计及减摩、抗粘着机制研究

针对环保无铅化的发展趋势，以及发展无铅铜基轴承材料的需要，本课题以无铅铜-铋/石墨轴承材料替代铜铅轴承材料；采用石墨表面镍镀层改善铜合金基体与石墨之间的界面结合，提高复合材料的力学及摩擦学性能，利用低熔点组元铋弥补石墨抗粘着性能的不足，由石墨的减摩特性与铋的抗粘着特性的组合使无铅铜-铋/石墨轴承材料保持良好的减摩、抗粘着等特性，实现铜基轴承材料无铅化；重点开展边界润滑及干摩擦条件下的摩擦磨损性能试验研究，通过红外热成像及智能测控技术检测摩擦温度与摩擦系数的实时动态变化规律，对复合材料的减摩、抗粘着效应进行检测和判断，结合微观分析测试，系统地探讨无铅铜-铋/石墨轴承材料的摩擦磨损特性及规律，明晰铋与石墨的协同作用机制以及无铅铜-铋/石墨轴承材料的减摩、抗粘着机理，为研制开发新型无铅铜基轴承材料提供理论基础。

针对无铅化环保发展趋势，本课题以金属元素Bi与石墨复合添加取代铜铅轴承材料中的Pb。采用粉末冶金方法制作无铅铜基轴承材料，通过摩擦磨损性能试验研究以及相关检测分析，系统地探讨了无铅铜铋/石墨轴承材料的摩擦磨损特性及规律，明晰了Bi与石墨在减摩、抗粘着方面的协同作用及机理，为研制开发新型无铅铜基轴承材料提供理论基础。. 研究表明：(1) Bi易分布于铜合金基体晶界处，对铜基材料的力学性能有不利影响，添加石墨使铜铋/石墨轴承材料的强度、硬度进一步下降，石墨表面铜、镍镀层有利于改善石墨与合金基体的界面结合和材料性能提高。(2) 干摩擦条件下，铜铋轴承材料有一定减摩作用，但其耐磨性较差；铜铋/石墨轴承材料有较好的减摩耐磨作用。(3) 边界润滑条件下，Bi起到了较好的减摩、抗粘着作用，3wt%左右Bi含量的铜铋轴承材料摩擦磨损性能最佳，镀铜、镀镍石墨和Bi在减摩、抗粘着特性方面体现了较好的协同作用。(4) 渗出摩擦表面的Bi降低接触区域的剪切强度，避免粘着撕裂的发生，是改善减摩、抗粘着作用的根本原因；由于Bi的脆性特征而易于从磨痕表面脱落，随摩擦过程的进行，铜铋轴承材料中的Bi不断循环“析出-剪切-脱落”的过程，使摩擦副运行保持较好的稳定性。(5) 石墨润滑膜可减缓Bi组元的脆性脱落，同时Bi又可改善石墨润滑膜的附着性与完整性，Bi与石墨在减摩、抗粘着方面有相互协同作用。(6) 利用反推热流的方法，对铜基轴承材料端面摩擦温度场进行模拟分析，进一步揭示典型铜铋轴承材料与典型铜铅轴承材料在摩擦温度场以及摩擦学特性方面的相似性。(7) 改善Bi在摩擦表面的附着性以及减缓其脆性脱落的方法并揭示其机理是无铅铜铋轴承材料亟待研究的关键科学问题。