自润滑轴承材料-铸造青铜

自润滑轴承材料--铸造青铜

铜是一种古老的金属,铜的发现与使用技术是我国古代文明的重要组成部分.出土最早的铸造铜刀,是中国4800年以前生产的.龙山文化时期,已能人工冶炼红铜和铜合金,并掌握了铸造、锻造和退火工艺。本文主要介绍自润滑轴承基体材质中几种常用青铜的类型、成分和物理性能。

青铜是以Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr、Ag、Fe、Mg、Te等为主要合金元素的铜合金，可以分为加工青铜与铸造青铜两大类。按合金元素名称可将青铜细分问锡青铜、铝青铜等。在滑动轴承中既有用作主要基体材料的，也有作为减磨层覆盖在轴承摩擦面的。

一、基本类型

1、 锡青铜

工业锡青铜除主要合金元素外，还含有一定量的P、Zn、Pb、Ni等。锡青铜抗腐蚀与耐磨性强，力学性能与工艺性能相当好。

特点：

1）、在液态时，Sn易与O形成SnO2，这是一种硬脆的化合物，因此因充分脱氧，以免形成SnO2，降低合金的力学性能。

2）、锡青铜在凝固时会产生严重的枝晶偏析，在压力加工之前须进行均匀化退火，但由于Sn在Cu中扩散缓慢，需经过多次的均匀化退火与交给你个才能完全消除这种偏析。3）、锡青铜对过热气体不敏感，可焊接性能良好

4）、锡青铜无磁性，无低温脆性，耐磨性和抗蚀性高，冲击时不产生火花。

合金元素及杂质对锡青铜的性能影响：

在锡青铜中的Pb、P既可能是合金元素也可能是杂质元素，Zn则是一种合金元素，Sb、Si、Al、S、Fe、Bi等则是杂质元素。

磷的影响：磷是铜合金的有效脱氧剂，提高锡青铜的流动性，缺点是加大铸锭的逆偏析。加工锡磷青铜是的磷含量一般不超过0.45%，因为磷含量大于0.5%时在637℃左右会发生共晶-包晶反应，易引起热脆。合金的磷含量大于0.3%时，组织中会出现铜与铜的磷化物（Cu3P）组成的共晶体。（例如：GB/T 2040中QSn6.5-0.1，）。

鋅的影响：鋅在锡青铜α相固溶体重的溶解难度大。因此，Cu-Sn-Zn加工其它为单相α固溶体，Zn提高合金的流动性，缩小结晶温度区间，减轻逆偏析，而对起组织与性能无大的影响。Zn在加工锡青铜中的含量一般不大于5%(例如：GB/T 1176中ZCuSn5Pb5Zn5)。

铅的影响：Pb在锡青铜中的含量不超过5%，它不固溶与α相，以游离状态存在，呈黑色质点分布于枝晶之间，但分布不均匀。Pb作为一种软的相，能降低锡青铜的摩擦系数改善耐磨性能（双金属轴承的减磨层一般都采用含铅的锡青铜层），提高可切削性能，但会使合金的力学性能下降。

铁的影响：Fe是青铜的杂质，其最大含量为0.05%，有细化晶粒，延缓再结晶的过程，提高强度与硬度作用。但含量不得超过极限值，否则会形成过多的富铁相，降低合金的抗蚀性与工艺性能

锰的影响：锰与硅是锡青铜中的有害杂质之一，对其含量应该十分严格的控制，不得大于0.002%。锰易氧化生成氧化物，降低合金的熔体流动性，而在凝固后又分布于晶界上，削弱晶间结合，使其强度下降。

化学性能：锡青铜在海水与大气环境中很稳定，对海水的抗蚀性比紫铜、黄铜要强很多。含7%~9%Sn、0.7%~1.3%Al和0.1%~0.2%Si的锡青铜可在被污染的海水中应用。Sn能明显提高锡青铜的还是的抗蚀性，Ni也有提高的效果，但Pb则有负作用。

2、 铝青铜

铝青铜的主要合金元素为Al，可以分为简单铝青铜（既二元合金）和复杂铝青铜（三元以上合金）。铝青铜的特点是力学性能高，抗蚀性与抗磨性强。铝青铜中的铝含量一般不超过13%。

铁的影响：少量Fe可以固溶与Cu-Al的α固溶体中，若过量则会形成针状FeAl3，使合金的力学性能与抗蚀性降低。因此，合金只能够的Fe含量不应超过5%。若合金中的Ni、Mn、Al含量增加会进一步降低Fe在固溶体中的溶解度。（如：ZCuAl10Fe3Mn2）

镍的影响：Ni能显著提高铝青铜的强度、硬度与热稳定性及抗蚀性，含有一定量的NI的Cu-Al-Ni-Fe合金在热加工后不需要另行固溶处理与淬火，即可直接时效。Ni与Fe的最佳含量比为0.9~1.1，如：ZCuAl8Mn13Fe3Ni2

锰的影响：锰有非常的稳定性能，含有锰的铝青铜具有良好的加工形成性能，热轧是的开裂倾向能显著减少。

锡与铬的影响：这两种元素能提高合金在蒸汽和微酸性气氛中抵抗应力腐蚀开裂的功能。铬能提高二元合金的力学性能，抑制合金退火是的晶粒长大，提高退火材料的硬度。

需要注意的是磷、硫、砷、锑、铋都是铝青铜中有害杂质，会降低合金的力学性能、工艺性能及其它性能。

3、 铅青铜

铅青铜是以Pb、Zn、Sn为基本合金成分，一般铅含量在8%以上。青铜中Pb的成分能增强机体的抗疲劳强度、导热性和耐磨性，以及在有冲击载荷作用的工作条件下也不会产生裂纹的优良品质。铅青铜的承载性能比铝青铜的低，但是减磨性，抗疲劳性要高很多，一般用在高速运转的部位。由于铅和铜的熔点相差较大，

鋅的影响：青铜中铅、鋅、铜三类成分的熔点差别较大，所以铅实际不固溶于铜锡合金中，它以单相、呈黑色夹杂物分布在枝晶间。Zn提高合金的流动性，缩小结晶温度区间，减轻逆偏析。

锡的影响：Sn在常温下很有延展性，化学性质非常稳定。能增加产品散热性能，使产品易于加工。含Sn的青铜硬度也比较高。

二、力学性能

1、铸造锡青铜化-学成分

合金牌号 合金名称 化学成分（%）基本元素

锡 锌 铅 磷 镍 铜

ZCuSn3Zn8Pb6Ni1 3—8—6—1锡青铜 2.0~4.0 6.0~9.0 4.0~7.0 0.5~1.5 其余

ZCuSn3Zn11Pb4 3—11—4锡青铜 2.0~4.0 9.0~13.0 3.0~6.0 其余

ZCuSn5Pb5Zn5 3—5—5锡青铜 4.0~6.0 4.0~6.0 4.0~6.0 其余

ZCuSn10Pb1 10—1锡青铜 9.0~11.5 0.5~1.0 其余

ZCuSn10Pb5 10—5锡青铜 9.0~11.0 4.0~6.0 其余

ZCuSn10Zn2 10—2锡青铜 9.0~11.0 1.0~3.0 其余

铸造锡青铜-力学性能

合金牌号 铸造方法 力学性能，不低于

σb/MPa(kgf/mm2) σ0.2/MPa(kgf/mm2) δ5(%) 硬度HBW

ZCuSn3Zn8Pb6Ni1 S 175(17.8) 8 590

J 215(21.9) 10 685

ZCuSn3Zn11Pb4 S 175(17.8) 8 590

J 215(21.9) 10 590

ZCuSn5Pb5Zn5 S、J 200(20.4) 90(9.2) 13

590

Li、La 250(25.5) 100(10.2) 13 635

ZCuSn10Pb1 S 220(22.4) 130(13.3) 3 785

J 310(31.6) 170(17.3) 2 885

Li 330(33.6) 170(17.3) 4 885

La 360(36.7) 170(17.3) 6 885

ZCuSn10Pb5 S 195(19.9) 10 685

J 245(25.0) 10 685

ZCuSn10Zn2 S 240(24.5) 120(12.2) 12 685

J 245(25.0) 140(14.3) 6 785

Li、La 270(27.5) 140(14.3) 7 785

铸造锡青铜-应用参考

合金牌号 主要特性 应用举例

ZCuSn3Zn8Pb6Ni1 耐磨性较好，易加工，铸造性能好，气密性较好、耐腐蚀，可在流动海水下工作 在各种液体燃料以及海水、淡水和蒸汽（≤225℃）中工作的零件，压力不大于2.5MPa的阀门和管配件

ZCuSn3Zn11Pb4 铸造性能好，易加工，耐腐蚀 海水、淡水、蒸汽中，压力不大于2.5MPa的管配件

ZCuSn5Pb5Zn5 耐磨性和耐蚀性好，易加工，铸造性能和气密性较好 在较高负荷，中等滑动速度下工作的耐磨耐腐蚀零件，如轴瓦、衬套、缸套、活塞离合器、泵件压盖以及蜗轮等

ZCuSn10Pb1 硬度高，耐磨性极好，不易产生咬死现象，有较好的铸造性能和切削加工性能，在大气和淡水中有良好的耐蚀性 可用于高负荷（20MPa以下）和高滑动速度（8m/s）下工作的耐磨零件，如连杆、衬套、轴瓦、齿轮、蜗轮等

ZCuSn10Pb5 耐腐蚀，特别对稀硫酸、盐酸和脂肪酸 结构材料，耐蚀、耐酸的配件以及破碎机衬套、轴瓦

ZCuSn10Zn2 耐蚀性、耐磨性和切削加工性能好，铸造性能好，铸件致密性较高，气密性较好 在中等及较高负荷和小滑动速度下工作的重要管配件，以及阀、旋塞、泵体、齿轮、叶轮和蜗轮等

2、铸造铝青铜化-学成分

合金牌号 合金名称 化学成分（%）基本元素

镍 铝 铁 锰 铜

ZCuAl8Mn13Fe3 8—13—3铝青铜 7.0~9.0 2.0~4.0 12.0~14.5 其余

ZCuAl8Mn13Fe3Ni2 8—13—3—2铝青铜 1.8~2.5 7.0~8.5 2.5~4.0 11.5~14.0 其余

ZCuAl9Mn2 9—2铝青铜 8.0~10.0 1.5~2.5 其余

ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 9—4—4—2铝青铜 4.0~5.0 8.5~10.0 4.0~5.0 0.8~2.5 其余

ZCuAl10Fe3 10—3铝青铜 8.5~11.0 2.0~4.0 其余

ZCuAl10Fe3Mn2 10—3—2铝青铜 9.0~11.0 2.0~4.0 1.0~2.0 其余

铸造铝青铜-力学性能

合金牌号 铸造方法 力学性能，不低于

σb/MPa(kgf/mm2) σ0.2/MPa(kgf/mm2) δ5(%) 硬度HBW

ZCuAl8Mn13Fe3 S 600(61.2) 270(27.5) 15

1570

J 650(66.3) 280(28.6) 10 1665

ZCuAl8Mn13Fe3Ni2 S 645(65.8) 280(28.6) 20 1570

J 670(68.3) 310(31.6) 18 1665

ZCuAl9Mn2 S 390(39.8) 20 835

J 440(44.9) 20 930

ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 S 630(64.3) 250(25.5) 16 1570

ZCuAl10Fe3 S 490(50.0) 180(18.4) 13 980

J 540(55.1) 200(20.4) 15 1080

Li、La 540(55.1) 200(20.4) 15 1080

ZCuAl10Fe3Mn2 S 490(50.0) 15 1080

J 540(55.1) 20 1175

铸造铝青铜-应用参考

合金牌号 主要特性 应用举例

ZCuAl8Mn13Fe3 具有很高的强度和硬度，良好的耐磨性能和铸造性能，合金致密性高，耐蚀好，作为耐磨件工作温度不大于400℃，可以焊接，不易钎焊 适用于制造重型机械用轴套，以及要求强度高、耐磨、耐压零件，如法兰、阀体、泵体等