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轴承合金

又称轴瓦合金。用于制造滑动轴承的材料。轴承合金的组织是在软相基体上均匀分布着硬相质点,或硬相基体上均匀分布着软相质点。轴承合金应具有如下性能:良好的耐磨性能和减磨性能;有一定的抗压强度和硬度,有足够的疲劳强度和承载能力;塑性和冲击韧性良好;具有良好的抗咬合性;良好的顺应性;好的嵌镶性;要有良好的导热性、耐蚀性和小的热膨胀系数。用于各类轴承材料。

制造轴承用的合金的总称。对轴承材料,要求与轴表面的摩擦系数小,轴颈的磨损少,而能承受足够大的比压。常用的有巴比合金、青铜、铸铁等。 [1]

用于制造滑动轴承(轴瓦)的材料,通常附着于轴承座壳内,起减摩作用,又称轴瓦合金。最早的轴承合金是1839年美国人巴比特 (I.Babbitt)发明的锡基轴承合金(Sn-7.4Sb-3.7Cu),以及随后研制成的铅基合金,因此称锡基和铅基轴承合金为巴比特合金(或巴氏合金)。巴比特合金呈白色,又常称“白合金” (white metal)。巴比特合金已发展到几十个牌号,是各国广为使用的轴承材料,相应合金牌号的成分十分相近。中国的锡基轴承合金牌号用“Ch”符号表示。牌号前冠以“Z”,表示是铸造合金。如含有Sbll%和 Cu6%的锡基轴承合金牌号为“ZChSnSb11-6”。 [1]

轴承合金应具有如下性能:①良好的减摩性能。要求由轴承合金制成的轴瓦与轴之间的摩擦系数要小,并有良好的可润滑性能②有一定的抗压强度和硬度能承受转动着的轴施于的压力;但硬度不宜过高,以免磨损轴颈。③塑性和冲击韧性良好。以便能承受振动和冲击载荷,使轴和轴承配合良好。④表面性能好。即有良好的抗咬合性、顺应性和嵌藏性。⑤有良好的导热性、耐腐蚀性和小的热胀系数。 [1]

巴氏合金具有软相基体和均匀分布的硬相质点组成的组织。典型锡基轴承合金中,软相基体为 固溶体,硬相质点是锡锑金属间化合物(SnSb)。合金元素铜和锡形成星状和条状的金属间化合物(CuSn),可防止凝固过程中因最先结晶的硬相上浮而造成的比重偏析。巴氏合金具有较好的减摩性能。这是因为在机器最初的运转阶段,旋转着的轴磨去轴承内极薄的一层软相基体以后,未被磨损的硬相质点仍起着支承轴的作用。继续运转时轴与轴承之间形成连通的微缝隙 [1]

可作轴承材料的还有铜基合金、铝基合金、银基合金、镍基合金、镁基合金和铁基合金等。在这些轴承材料中,铜基合金、铝基合金使用最多。使用铝基轴承合金时,通常是将铝锡合金和钢背轧在一起,制成双金属应用。即通常所说的钢背轻金属三层轴承。其他合金只在特殊情况下使用,如为减轻重量,有些航空发动机用镁基合金作轴承;要求耐高温,用镍基合金作轴承;要求高度可靠性的机器,用银基合金作轴承。用粉末冶金方法制成的烧结减摩材料,也越来越多地用来制作轴承。 [1]

轴承合金是摩擦系数小的合金材料。人们习惯于把用于制造滑动轴承(轴瓦)的有色合金材料称为减摩合金或滑动轴承合金。 [1]

锡青铜是人类应用最早的合金,已有约4000年的历史。它具有耐腐蚀、耐磨损,有较好的力学性能和工艺性能,具有焊接和钎焊冲击时不产生火花的特性;人类对锡青铜用作减摩零件和滑动轴承使用,可以追溯到18世纪中叶的工业革命时期。最早提出轴承合金概念的是美国人巴比特 (I.Babbitt),1839年巴比特发明了锡基合金和铅基合金用于制造滑动轴承,称锡基减摩合金和铅基减摩合金为巴氏合金。后来业内人士通常称用于制造滑动轴承的铜基减摩合金和巴氏合金为轴承合金。铜基减摩合金、锡基减摩合金和铅基减摩合金等滑动轴承合金也被当今业内称为传统减摩合金。 [1]

1930年“二战”前夕,德国为了解决铜资源紧缺和高成本的问题,开始寻找锡青铜、铅黄铜及巴氏合金的替代品,启动了新一代滑动轴承合金的研究。1935年,德国经过近五年的研究,发现铸造锌基合金和铸造铝基合金的力学性能和减摩性能均可以超过铜基合金和巴氏合金。1938年德国成功地使用铸造锌基合金替代锡青铜、铝青铜和使用铸造铝基合金替代了巴氏合金等用来制造轴瓦(套)产品,而且装备到军事坦克和汽车中并取得良好的效果。1939-1943年“二战”期间,德国铸造锌基合金和铸造铝基合金的年使用总量由7800吨猛增到49000吨,这一变化引起了国际铅锌组织的高度关注和重视。1959年,国际铅锌组织成员单位联合启动了一项科研计划,命名为“LONG-S PLAN”,其宗旨是研发一种比铜基合金和巴氏合金的性能更高、使用寿命更长的新一代减摩合金,在该计划中将此研发中的减摩合金称之为long-s metal。1961-1963年间,国际铅锌组织成员单位率先研制出铝基long-s metal减摩合金,牌号分别为AS7、AS12、AS20等。铝基合金AS7、AS12首先被应用在汽车上替代了传统的铜基合金轴瓦,使汽车的高速性能得到了很大提高,促进了汽车工业快速发展;在此之后铝基合金AS20又在大、中型电动机、汽轮机、水轮机、工业泵、鼓风机、压缩机等高速、中低载荷的工况下得到了应用,替代了传统的巴氏合金,促进了装备制造业的快速发展。上世纪70年代初期,加拿大Norand Mines Limied研究中心与美国Zastern公司合作,研制出锌基long-s metal减摩合金ZA8、ZA12、ZA27等,并将ZA27减摩合金应用在轧钢机、压力机、齿轮箱、磨煤机、空调、精密机床等低速、重载的工作场合,全面替代了传统的铜基合金减摩材料。新一代long-s metal减摩合金的问世受到国际上广大用户的极大关注,许多工业发达国家都在long-s metal研发上投入更多的人力、物力,仅美国就有数十家公司开发long-s metal铝基、锌基等系列减摩合金。由于long-s metal具有优良的减摩性、较好的经济性,在制造业领域迅速得到推广并全面替代铜基合金、巴氏合金等传统减摩合金,具有很强的市场竞争力。后来人们称long-s metal轴承合金为新型减摩合金。美国Zastern公司技术顾问Mr.Bess在其介绍“LONG-S PLAN”文章中指出:研制经济型long-s metal减摩合金的目的,不仅仅是要在传统轴承合金能够胜任的场合替代它们,更重要的是通过long-s技术,使long-s metal应用于铜基合金和巴氏合金在强度、耐磨性不能满足要求的场合。据Mr.Bess当时的预测:“long-s metal减摩合金在近期会有一个很大的发展,其生产规模和销售市场将迅速扩大,二十一世纪将是long-s metal的全盛时期。” [1]

缘于新型long-s metal与传统的巴氏合金皆可用于制造滑动轴承,而且制造成本远远低于巴氏合金,故long-s metal被国内音译为“龙氏合金”,业内称long-s metal为新型减摩合金,更多人习惯称之为新型轴承合金。1982年,国家铸造技术的归口单位沈阳铸造研究所,引进了美国ASTM B791-1979标准中long-s metal ZA27锌基合金,经过近二年的消化吸收,开发出了国产锌基ZA27新型轴承合金,国家标准代号为ZA27-2,标志了我国新型减摩合金的发展拉开了序幕。1985年,由时任辽宁省副省长陈淑芝女士的倡导和沈阳铸造研究所有关领导的大力支持下,成立了由沈阳铸造研究所的技术组成的沈阳轴瓦材料研究所,专门从事引进的long-s metal技术,以推动国内“龙氏合金”技术的发展及推广。1991年,沈阳轴瓦材料研究所首先在锌基ZA27-2合金的基础上,研究开发了高铝锌基ZA303合金材料,解决了ZA27-2低温脆性等缺点,并与当年通过了沈阳市科学技术委员会科学技术成果鉴定,自此“龙氏合金”技术在国内各大高等院校和科研单位进行大范围的扩散和技术交流,推动了我国“龙氏合金”的快速发展。 [1]

1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办,标志着纳米科学技术的正式诞生,该会议正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。 [1]

1999年,纳米技术走向市场,基于纳米技术的产品全球年总营业额高达到500亿美元;一些国家纷纷制定相关战略或者计划,投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心,把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点;德国专门建立纳米技术研究网;美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心;中国也将纳米科技列为中国的“973计划”。 [1]

2001年,源自纳米技术所衍生出来的一个技术分支---微纳米应用技术。发达国家的微纳米应用技术在基础材料领域已经得到应用并取得了惊人的成果,尤其是应用微纳米技术制造出的许多微晶合金材料,正在对人类产生深远影响,已彻底改变了人们的思维方式。微晶合金是一种合金晶粒细化至微米级的合金材料,具有这种超微晶粒的合金可以实某一特殊方面表现出极其优异的综合机械性能、超强的尺寸稳定性和耐磨性。 [1]

2005年,中国微米纳米技术学会正式成立,标志着我国的微纳米应用技术起步。中国微米纳米技术学会会员单位的科研人员将微纳米技术应用在特种减摩合金材料领域,先后开发出了为满足某些单项性能有特殊需求的微晶合金材料,如航空发动机用轻体镁基微晶合金、耐高温的镍基微晶合金、要求高度可靠性的银基微晶合金等。特种微晶轴承材料不仅填补了减摩材料国内的空白,而且从材料的单项性能方面保持了与世界微晶合金技术的同步发展。 [1]

2009年,中科院沈阳金属研究所、中科院沈阳铸造研究所、东北大学、沈阳理工大学等微纳米技术应用研究领域的专家们,开展产学研联合攻关;研发出一整套微合金化处理及低温急冷等联合熔铸工艺技术(俗称三次熔炼工艺法),实现了经济型微晶合金的制备;已有四种经济型微晶合金材料在国内已经实现了批量生产,其中包括具有超低减摩系数的微晶合金LZA3805,具有较大PV值特性的微晶合金LZA4008,具有超耐磨特性的微晶合金LZA4205,具有良好抗冲击特性的微晶合金LZA4510等。微晶合金可以满足单项性能特殊要求的特性,是区别于传统普通减摩合金的重要标志,为装备制造业实现减摩材料的定制化生产,满足了设备制造的个性化需求,为实现装备制造的高效率、高精度、高可靠性、低成本等方面提供了有力的保障。 [1]

2010年,采用微晶合金制造的轴瓦、轴套、蜗轮、滑板、丝母等系列减摩产品,已经成功地在锻压设备制造行业、数控机床制造行业、减变速机制造行业、重型矿山设备制造行业、工程机械制造行业中得到了应用。 [1]

微晶合金产品以其高可靠性及稳定性成功替代传统减摩合金和新型减摩合金产品,取得了良好的社会效益和巨大的经济效益,标志我国轴承合金进入了微晶合金时代! [1]


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