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自润滑轴承材料-铸造青铜

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作者:嘉善安驰轴承制造有限公司来源:《铜合金及其加工手册》,GB/T1176,JB/T7924,GBT/2889

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

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

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

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

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(%)

参考硬度HBW

ZCuSn3Zn8Pb6Ni1

S

175(17.8)


8

59

J

215(21.9)


10

68

ZCuSn3Zn11Pb4

S

175(17.8)


8

59

J

215(21.9)


10

59

ZCuSn5Pb5Zn5

SJ

200(20.4)

90(9.2)

13

59

LiLa

250(25.5)

100(10.2)

13

63

ZCuSn10Pb1

S

220(22.4)

130(13.3)

3

78

J

310(31.6)

170(17.3)

2

88

Li

330(33.6)

170(17.3)

4

88

La

360(36.7)

170(17.3)

6

88

ZCuSn10Pb5

S

195(19.9)


10

68

J

245(25.0)


10

68

ZCuSn10Zn2

S

240(24.5)

120(12.2)

12

68

J

245(25.0)

140(14.3)

6

78

LiLa

270(27.5)

140(14.3)

7

78


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

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(%)

参考硬度HBW

ZCuAl8Mn13Fe3

S

600(61.2)

270(27.5)

15

157

J

650(66.3)

280(28.6)

10

166

ZCuAl8Mn13Fe3Ni2

S

645(65.8)

280(28.6)

20

157

J

670(68.3)

310(31.6)

18

166

ZCuAl9Mn2

S

390(39.8)


20

83

J

440(44.9)


20

93

ZCuAl9Fe4Ni4Mn2

S

630(64.3)

250(25.5)

16

157

ZCuAl10Fe3

S

490(50.0)

180(18.4)

13

98

J

540(55.1)

200(20.4)

15

108

LiLa

540(55.1)

200(20.4)

15

108

ZCuAl10Fe3Mn2

S

490(50.0)


15

120

J

540(55.1)


20

150

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

ZCuAl8Mn13Fe3Ni2

有很高的化学性能,在大气、淡水和海水中均有良好的耐蚀性,腐蚀疲劳强度高,铸造性能好,合金组织致密,气密性好,可以焊接,不易钎焊

要求强度高耐腐蚀的重要铸件,如船舶螺旋桨,高压阀体,泵体,以及耐压、耐磨零件,如蜗轮、齿轮、法兰、衬套等

ZCuAl9Mn2

有高的力学性能,在大气、淡水和海水中耐蚀性好,铸造性能好,组织致密,气密性高,耐磨性好,可以焊接,不易钎焊

耐蚀、耐磨零件,形状简单的大型铸件,,如衬套、齿轮、蜗轮,以及在250以下工作的管配件和要求气密性高的铸件,如增压器内气封

ZCuAl9Fe4Ni4Mn2

有很高的力学性能,在大气、淡水和海水中耐磨性好,铸造性能好,组织致密,气密性高,耐磨性好,不易钎焊,铸造性能尚好

要求强度高,耐蚀性好的重要铸件,是制造船舶螺旋桨的主要材料之一,也可用做耐磨和400以下工作的零件,如轴承、齿轮、蜗轮,螺帽、法兰、阀体,导向套管

ZCuAl10Fe3

具有高的力学性能,耐磨性和耐蚀性能好,可以焊接,不易钎焊,大型铸件自700空冷可以防止变脆

要求强度高,、耐磨、耐蚀的重要铸件,,如轴套、螺母、蜗轮以及250以下工作的管配件

ZCuAl10Fe3Mn2

具有高的力学性能和耐磨性,可热处理,高温下耐蚀性和抗氧化性能好,在大气、淡水和海水中耐蚀性好,可以焊接,不易钎焊,大型铸件自700空冷可以防止变脆

要求强度高,耐磨,耐蚀的零件,如,齿轮,轴承、衬套、管嘴、以及耐热管配件等


3、铸造铅青铜-化学成分:

合金牌号

合金名称

化学成分(%)基本元素

ZCuPb10Sn10

10-10铅青铜

9.0~11.0

8.0~11.0

其余

ZCuPb15Sn8

15-8铅青铜

7.0~9.0

13.0~17.0

ZCuPb17Sn4Zn4

17-4-4铅青铜

3.5~5.0

2.0~6.0

14.0~20.0

ZCuPb20Sn5

20-5铅青铜

4.0~6.0

18.0~23.0

ZCuPb30

30铅青铜

27.0~33.0

铸造铅青铜化-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(%)

参考硬度HBW

ZCuPb10Sn10

S

180(18.4)

80(8.2)

7

63

J

220(22.4)

140(14.3)

5

68

LiLa

220(22.4)

110(11.2)

6

68

ZCuPb15Sn8

S

170(17.3)

80(8.2)

5

59

J

220(20.4)

100(10.2)

6

63

LiLa

220(20.4)

100(10.2)

8

63

ZCuPb17Sn4Zn4

S

150(15.3)


5

54

J

175(17.5)


7

59

ZCuPb20Sn5

S

150(15.3)

60(6.1)

5

44

J

150(15.3)

70(7.1)

6

54

La

180(18.4)

80(8.1)

7

54

ZCuPb30

J

45

铸造铅青铜-应用参考:

合金牌号

主要特性

应用举例

ZCuPb10Sn10

润滑性能、耐磨性能和耐蚀性能好,适合用作双金属铸造材料

表面压力高,又存在侧压力的滑动轴承,如轧辗、车辆用轴承、负荷峰值60MPa的受冲击的零件,以及最高峰值达100MPa的内燃机双金属轴瓦,以及活塞销套、摩擦片等

ZCuPb15Sn8

在缺乏润滑剂和用水质润滑剂条件下,滑动性和自润滑性能好,易切削,铸造性能差,对稀硫酸耐蚀性能好

表面压力高,又有侧压力的轴承,可用来制造冷轧机的铜冷却管,耐冲击负荷达50MPa的零件,内燃机的双金属轴瓦,主要用于最大负荷达70MPa的活塞销套,耐酸配件

ZCuPb17Sn4Zn4

耐磨性和自润滑性能好,易切削,铸造性能差

一般耐磨件,高滑动速度的轴承等

ZCuPb20Sn5

在较高的滑动性能,在缺乏润滑介质和以水为介质时有特别好的自润滑性能适用于双金属铸造材料,耐硫酸腐蚀,易切削,铸造性能差

高滑动速度的轴承,及破碎机、水泵、冷轧机轴承,负荷达70MPa的活塞销套

ZCuPb30

有良好的自润滑性,易切削,铸造性能差,易产生比重偏析

要求高滑动速度的双金属轴瓦,减磨零件等


以上资料由嘉善安驰轴承制造有限公司整理,转载请注明出处!

参考文献及资料:

1、《铜合金及其加工手册》,

2、GB/T1176铸造铜合金技术条件,

3、JB/T7924 滑动轴承薄壁轴承用金属多层材料


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