用于制造滑動軸承(軸瓦)的材料,通常附著于軸承座殼內,起減摩作用,又稱軸瓦合金。最早的軸承合金是1839年美國人巴比特 (I.Babbitt)發明的錫基軸承合金(Sn-7.4Sb-3.7Cu),以及隨后研制成的鉛基合金,因此稱錫基和鉛基軸承合金為巴比特合金(或巴氏合金)。巴比特合金呈白色,又常稱"白合金" (white metal)。巴比特合金已發展到幾十個牌號,是各國廣為使用的軸承材料,相應合金牌號的成分十分相近。中國的錫基軸承合金牌號用"Ch"符號表示。牌號前冠以"Z",表示是鑄造合金。如含有Sbll%和 Cu6%的錫基軸承合金牌號為"ZChSnSb11-6"。

巴氏合金具有軟相基體和均勻分布的硬相質點組成的組織。典型錫基軸承合金中,軟相基體為 固溶體,硬相質點是錫銻金屬間化合物(SnSb)。合金元素銅和錫形成星狀和條狀的金屬間化合物(CuSn),可防止凝固過程中因最先結晶的硬相上浮而造成的比重偏析。巴氏合金具有較好的減摩性能。這是因為在機器最初的運轉階段,旋轉著的軸磨去軸承內極薄的一層軟相基體以后,未被磨損的硬相質點仍起著支承軸的作用。繼續運轉時軸與軸承之間形成連通的微縫隙

一、軸承合金的起源

錫青銅是人類應用最早的合金,至今已有約4000年的歷史。它具有耐腐蝕、耐磨損,有較好的力學性能和工藝性能,具有焊接和釬焊沖擊時不產生火花的特性;人類對錫青銅用作減摩零件和滑動軸承使用,可以追溯到18世紀中葉的工業革命時期。

最早提出軸承合金概念的是美國人巴比特 (I.Babbitt),1839年巴比特發明了錫基合金和鉛基合金用于制造滑動軸承,稱錫基減摩合金和鉛基減摩合金為巴氏合金。后來業內人士通常稱用于制造滑動軸承的銅基減摩合金和巴氏合金為軸承合金。

銅基減摩合金、錫基減摩合金和鉛基減摩合金等滑動軸承合金也被當今業內稱為傳統減摩合金。

二、新型軸承合金的發展

1930年"二戰"前夕,德國為了解決銅資源緊缺和高成本的問題,開始尋找錫青銅、鉛黃銅及巴氏合金的替代品,啟動了新一代滑動軸承合金的研究。

1935年,德國經過近五年的研究,發現鑄造鋅基合金和鑄造鋁基合金的力學性能和減摩性能均可以超過銅基合金和巴氏合金。

1938年德國成功地使用鑄造鋅基合金替代錫青銅、鋁青銅和使用鑄造鋁基合金替代了巴氏合金等用來制造軸瓦(套)產品,而且裝備到軍事坦克和汽車中并取得良好的效果。

1939-1943年"二戰"期間,德國鑄造鋅基合金和鑄造鋁基合金的年使用總量由7800噸猛增到49000噸,這一變化引起了國際鉛鋅組織的高度關注和重視。

1959年,國際鉛鋅組織成員單位聯合啟動了一項科研計劃,命名為"LONG-S PLAN",其宗旨是研發一種比銅基合金和巴氏合金的性能更高、使用壽命更長的新一代減摩合金,在該計劃中將此研發中的減摩合金稱之為long-s metal。

1961-1963年間,國際鉛鋅組織成員單位率先研制出鋁基long-s metal減摩合金,牌號分別為AS7、AS12、AS20等。鋁基合金AS7、AS12首先被應用在汽車上替代了傳統的銅基合金軸瓦,使汽車的高速性能得到了很大提高,促進了汽車工業快速發展;在此之后鋁基合金AS20又在大、中型電動機、汽輪機、水輪機、工業泵、鼓風機、壓縮機等高速、中低載荷的工況下得到了應用,替代了傳統的巴氏合金,促進了裝備制造業的快速發展。

上世紀70年代初期,加拿大Norand Mines Limied研究中心與美國Zastern公司合作,研制出鋅基long-s metal減摩合金ZA8、ZA12、ZA27等,并將ZA27減摩合金應用在軋鋼機、壓力機、齒輪箱、磨煤機、空調、精密機床等低速、重載的工作場合,全面替代了傳統的銅基合金減摩材料。

新一代long-s metal減摩合金的問世受到國際上廣大用戶的極大關注,許多工業發達國家都在long-s metal研發上投入更多的人力、物力,僅美國就有數十家公司開發long-s metal鋁基、鋅基等系列減摩合金。

由于long-s metal具有優良的減摩性、較好的經濟性,在制造業領域迅速得到推廣并全面替代銅基合金、巴氏合金等傳統減摩合金,具有很強的市場競爭力。

后來人們稱long-s metal軸承合金為新型減摩合金。

美國Zastern公司技術顧問Mr.Bess在其介紹"LONG-S PLAN"文章中指出:研制經濟型long-s metal減摩合金的目的,不僅僅是要在傳統軸承合金能夠勝任的場合替代它們,更重要的是通過long-s技術,使long-s metal應用于銅基合金和巴氏合金在強度、耐磨性不能滿足要求的場合。

據Mr.Bess當時的預測:"long-s metal減摩合金在近期會有一個很大的發展,其生產規模和銷售市場將迅速擴大,二十一世紀將是long-s metal的全盛時期。"

三、國內新型軸承合金的發展

緣于新型long-s metal與傳統的巴氏合金皆可用于制造滑動軸承,而且制造成本遠遠低于巴氏合金,故long-s metal被國內音譯為"龍氏合金",業內稱long-s metal為新型減摩合金,更多人習慣稱之為新型軸承合金。

1982年,國家鑄造技術的歸口單位沈陽鑄造研究所,引進了美國ASTM B791-1979標準中long-s metal ZA27鋅基合金,經過近二年的消化吸收,開發出了國產鋅基ZA27新型軸承合金,國家標準代號為ZA27-2,標志了我國新型減摩合金的發展拉開了序幕。

1985年,由時任遼寧省副省長陳淑芝女士的倡導和沈陽鑄造研究所有關領導的大力支持下,成立了由沈陽鑄造研究所的技術精英組成的沈陽軸瓦材料研究所,專門從事引進國外先進的long-s metal技術,以推動國內"龍氏合金"技術的發展及推廣。

1991年,沈陽軸瓦材料研究所首先在鋅基ZA27-2合金的基礎上,研究開發了高鋁鋅基ZA303合金材料,解決了ZA27-2低溫脆性等缺點,并與當年通過了沈陽市科學技術委員會科學技術成果鑒定,自此"龍氏合金"技術在國內各大高等院校和科研單位進行大范圍的擴散和技術交流,推動了我國"龍氏合金"的快速發展。

四、軸承合金進入了"微晶合金"時代

1990年7月,第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦,標志著納米科學技術的正式誕生,該會議正式宣布納米材料科學為材料科學的一個新分支。

1999年,納米技術走向市場,基于納米技術的產品全球年總營業額高達到500億美元;一些國家紛紛制定相關戰略或者計劃,投入巨資搶占納米技術戰略高地。日本設立納米材料研究中心,把納米技術列入新5年科技基本計劃的研發重點;德國專門建立納米技術研究網;美國將納米計劃視為下一次工業革命的核心;中國也將納米科技列為中國的"973計劃"。

2001年,源自納米技術所衍生出來的一個技術分支——-微納米應用技術。發達國家的微納米應用技術在基礎材料領域已經得到應用并取得了驚人的成果,尤其是應用微納米技術制造出的許多微晶合金材料,正在對人類產生深遠影響,已徹底改變了人們的思維方式。

微晶合金是一種合金晶粒細化至微米級的合金材料,具有這種超微晶粒的合金可以實現在某一特殊方面表現出極其優異的綜合機械性能、超強的尺寸穩定性和耐磨性。

2005年,中國微米納米技術學會正式成立,標志著我國的微納米應用技術起步。

中國微米納米技術學會會員單位的科研人員將微納米技術應用在特種減摩合金材料領域,先后開發出了為滿足某些單項性能有特殊需求的微晶合金材料,如航空發動機用輕體鎂基微晶合金、耐高溫的鎳基微晶合金、要求高度可靠性的銀基微晶合金等。特種微晶軸承材料不僅填補了減摩材料國內的空白,而且從材料的單項性能方面保持了與世界微晶合金技術的同步發展。

2009年,中科院沈陽金屬研究所、中科院沈陽鑄造研究所、東北大學、沈陽理工大學等微納米技術應用研究領域的專家們,開展產學研聯合攻關;研發出一整套微合金化處理及低溫急冷等聯合熔鑄工藝技術(俗稱三次熔煉工藝法),實現了經濟型微晶合金的制備;目前已有四種經濟型微晶合金材料在國內已經實現了批量生產,其中包括具有超低減摩系數的微晶合金LZA3805,具有較大PV值特性的微晶合金LZA4008,具有超耐磨特性的微晶合金LZA4205,具有良好抗沖擊特性的微晶合金LZA4510等。微晶合金可以滿足單項性能特殊要求的特性,是區別于傳統普通減摩合金的重要標志,為裝備制造業實現減摩材料的定制化生產,滿足了設備制造的個性化需求,為實現裝備制造的高效率、高精度、高可靠性、低成本等方面提供了有力的保障。

2010年,采用微晶合金制造的軸瓦、軸套、蝸輪、滑板、絲母等系列減摩產品,已經成功地在鍛壓設備制造行業、數控機床制造行業、減變速機制造行業、重型礦山設備制造行業、工程機械制造行業中得到了應用。

微晶合金產品以其高可靠性及穩定性成功替代傳統減摩合金和新型減摩合金產品,取得了良好的社會效益和巨大的經濟效益,標志我國軸承合金進入了微晶合金時代!