锡基巴氏合金B83是一种常见的滑动轴承减摩层材料，被很多重要设备如汽轮发电机组、核主泵及燃气轮机等采用^[1~3].B83具有较低的摩擦系数和线膨胀系数以及良好的延展性和嵌入性，特别适合在高速及冲击载荷工况使用，其重要地位尚难以被其他材料取代^[4~5].旋转机械目前正朝着高速、重载及高精密化的方向发展，这对B83使用性能提出了更高的要求^[6~8].此外，有研究者将弹性金属塑料材料作为B83的替代品进行了一定程度的推广，但塑料材料自身抗拉伸能力低及耐磨性差等缺陷制约了其应用于重要领域^[9~10].因此，在原有配方的基础上进行性能改进，以提高B83的使用性能是一种较佳的方案.

衡量轴承合金使用性能的物理量有硬度、抗压强度及磨损量等.硬度决定了轴承承载能力的强弱，抗压强度决定了轴承的抗交变应力及剪切变形的能力，磨损量则决定了轴承的寿命及轴系的运转精度.而决定以上几个物理量特性的是巴氏合金的微观金相组织，因此，提高巴氏合金的使用性能首先要从对其金相的研究入手^[11].Leszczyńska等对经热处理前后锡基巴氏合金的微观组织进行了对比分析，并研究了热处理对巴氏合金摩擦学性能的影响^[12].Cempura等利用电子断层扫描观察和分析了两种巴氏合金的显微组织特点，指出了造成其物理学和摩擦学性能差异的原因^[13].Kalashnikov等从配方入手，在B83液相情况下，采用混合粉末的热压工艺制备了引入纳米填充剂的复合材料，并研究了其微观组成及摩擦学性能^[14].陈大治从金相成分和尺寸入手，分析了影响巴氏合金服役性能的因素，并提出了增强巴氏合金层结合强度的轴承浇铸新工艺^[15].Valeeva等研究了巴氏合金B83的结构和磨损过程中结晶条件的影响，指出液态锻造生产的巴氏合金具有最高的耐磨性^[16].

进行摩擦磨损试验是一种能快速评定巴氏合金材料摩擦学性能的方法，广泛用于对巴氏合金材料的改进、制备工艺的优化及服役性能的评价.郭正兴等以巴氏合金ZSnSb₈Cu₄与45^#钢为摩擦副，研究了不同试验参数下的摩擦磨损行为，获得了适当提高载荷和速度能优化其摩擦磨损性能的结论^[17].Zhang等通过销盘式摩擦磨损试验研究了不同转速下多层织构巴氏合金的摩擦学性能，研究结果表明多层织构巴氏合金拥有更小的摩擦系数^[18].付艳超等以巴氏合金(B83)和45^#钢为摩擦副，在SST-ST型销盘式摩擦试验机上进行干摩擦试验，并采用超景深三维显微镜、SEM及XRD对巴氏合金试样的摩擦表面进行表征，探讨了其磨损机制^[19].

本文针对提高滑动轴承减摩层的使用可靠性，从调控巴氏合金的金相组织出发，根据金相特征和力学及摩擦学特性之间的特殊联系，进行锡基巴氏合金B83力学及摩擦学性能改进，并采用力学及摩擦学试验对改进前后的B83进行性能对比，评价改进效果.

1 基于金相调控的B83性能改进方案

滑动轴承的工作表面需具有良好的磨合性和嵌入性，为良好发挥轴承合金材料的使用性能，滑动轴承多采用在钢质轴瓦表面涂覆过渡层并浇铸轴承合金材料的多层结构.针对高速旋转机械轴承，巴氏合金材料的总体技术要求有3个方面：1)具有较好的力学性能；2)具有良好的摩擦学特性；3)具有较好的运行可靠性及较长的寿命.研究巴氏合金材料改进路线及实现工艺，主要针对3个问题：1)如何获得对材料改进的要求；2)怎样选取材料改进方法及实现工艺；3)如何评价新材料的改进效果.

1.1 锡基巴氏合金B83的典型金相组织模型

巴氏合金属软基体硬质点类合金，分为锡基和铅基两类.锡基巴氏合金是在锡锑合金的基础上添加铜而制得.B83属于锡基巴氏合金，根据国标《GB/T 1174-92铸造轴承合金》中的规定，B83的配方如表 1所示.从表 1中可以看出，在B83中Sn元素占质量分数的绝大多数，Sb元素和Cu元素则占少数，Sb、Cu二者的质量分数之和约在16%左右.另外，在B83中还存在有微量的Pb及其他元素，它们所占的总的质量分数约为1.2%.

图 1给出了巴氏合金轴承的典型双金属结构及锡基巴氏合金B83的典型金相组织模型.由图 1可以看出，金相中占大部分面积的是黑色部分，这部分是Sn的固溶体(α固溶体)，它是B83的软基体.具有不规则形状的块状和点状物质是Sn分别与Sb、Cu形成的化合物SnSb(β相)和Cu₆Sn₅(ε相)，它们都属于硬质相，其中β相比重小易上浮形成偏析，而ε相可阻止β相的偏析.

1.2 B83金相组织与性能的联系

巴氏合金是根据使用工况而人为发明的一种合金，其金相组织与力学及摩擦学性能有比较紧密的联系.在力学性能方面，B83的硬度主要由其微观结构中的β相的尺寸和密度所决定，β相密度越大，分布越均匀，其硬度就越高，因此，提高β相的密度可以增加B83的硬度；抗压强度主要与B83中各相的尺寸相关，晶粒尺寸越大，B83强度就越低，塑性和韧性也越差.因此，减小β相尺寸就成为提高巴氏合金压缩屈服强度的重要手段.在摩擦学性能方面，摩擦系数f主要与β相、ε相的密度有关，它们的密度越大，f值越稳定；磨损量主要与β相尺寸及分布有关，β相尺寸过大或分布不均匀均易导致其在干摩擦时脱落，从而加快轴承的失效.

1.3 基于金相调控的性能改进路线

如前所述，巴氏合金的微观组织性能与力学和摩擦学性能有着密切联系.为了获得巴氏合金B83在性能方面的提升，本文从添加其他元素入手，促使B83金相发生改变，进而改善其力学及摩擦学性能.

本文选取添加微量金属Ag及非金属石墨两套方案.添加Ag可在巴氏合金中形成Ag和Sn的化合物Ag₃Sn，Ag₃Sn的形状与巴氏合金中的(ε相)相似，Ag₃Sn的出现既可以消耗B83中Sn，减少软基体α固溶体，又可以形成骨架使得SnSb(β相)分布均匀，并阻止β相的合并增大.另外，Ag的加入还可以增加B83的延展性，使之更适合于高速工况.本文选择Ag的添加量占原B83的1%和3%两种配比，具体添加过程为：1)将B83与Ag用超声波清洗10 min，其中B83为块状，Ag为200目的颗粒状；2)对B83与Ag进行称量，Ag的质量为B83的1%和3%；3)将B83置于电阻炉中加热熔化，待温度为480 ℃时加入Ag，充分搅拌后升温至1 100 ℃并搅拌30 min，而后降温至400 ℃；4)将合金从电阻炉中取出，倒入模具后在保温箱缓慢降温至室温.使用的设备及工作流程如图 2所示.

在B83中添加非金属石墨粉末可起到颗粒增强的作用，离散分布的石墨颗粒可以有效阻止SnSb(β相)的合并增大.另外，石墨的加入还可以增加B83的自润滑性.石墨粉末在B83中的添加过程为：1)将B83与石墨用超声波清洗10 min，而后将烘干的石墨制成400目的粉末；2)对B83与石墨进行称量，取石墨的质量为B83的1%；3)将B83置于电阻炉中加热熔化，待温度为480 ℃时加入石墨，并充分搅拌30 min；4)将合金从电阻炉中取出，倒入模具后在保温箱中缓慢降温至室温.使用设备与添加Ag时使用的设备相同.

添加微量Ag和石墨前后的B83金相组织如图 3所示，可以看出，B83金相图中可清晰看到α固溶体、β相和ε相，但β相尺寸不一且分布不均匀；添加1%Ag后，B83中β相尺寸明显减小且分布的更加均匀，并且ε相也明显增多(这时的ε相包括Cu₆Sn₅和Ag₃Sn)；添加3%Ag后β相和ε相同样得到改善，但发现有白色片状不规则物体，其尺寸比β相略大，推测为Ag的析出物.对疑似析出物进行了能谱扫描，获知为Ag元素，并采用维氏显微硬度计对其进行了显微硬度测试，显微硬度值为HV43.62，由此可以判定析出物为单质银；添加1%石墨后，β相尺寸也明显减小且分布更加均匀.

为准确将巴氏合金组织结构特征与外在特性紧密联系，首先需准确表征结构特征.本文选用两个指标来表征，分别是平均对角线长度(L)和硬质相二维密度(ρ).在巴氏合金金相组织质量评定中，通常通过立方形晶体即SnSb结晶在放大100倍下的对角线长度为评定依据^[20].本文采用测定改进前后B83金相组织中β相在放大100倍下的平均对角线长度，并通过金相图中硬质相的二维密度来评定硬质相占整个合金的体积分数，表 2为对B83改进前后金相组织中结晶分布质量的定量评定.

2 B83改进材料的性能试验

与锡基巴氏合金使用性能相关的参数主要有两类，分别是力学性能参数和摩擦学性能参数.力学性能参数主要包括布氏硬度HBW和抗压强度σ_bc；摩擦学性能参数主要包括摩擦系数f和磨损量Δm.本文将分别对进行金相调控前后的巴氏合金B83展开力学性能和摩擦学性能的评价测试.

2.1 力学性能试验

布氏硬度是评价巴氏合金耐温性能的重要指标，本文测试不同温度下布氏硬度，评价B83在高温工况下的使用可靠性.测量装置由布氏硬度计和恒温加热平台两部分组成，如图 4(a)所示.布氏硬度计为HB-3000，测试标准为《GB231.1-2002金属布氏硬度试验》，试验中钢球直径为5 mm，负载P为250 kgf，负载保持时间30 s.测量温度范围为30~120 ℃，每隔10 ℃进行3次硬度采样，取平均值作为此温度下的布氏硬度，图 4(b)为布氏硬度的测量结果.

由图 4(b)可以看出，改进前后B83的布氏硬度变化规律相差不大，但在同一测量温度下四者相差较为明显.B83在加入Ag或石墨后的布氏硬度值在30~120 ℃范围内均得到了提高，这是由于Ag和石墨的加入均影响了β相的尺寸及分布.由表 2可知，加入石墨后，β相尺寸缩小了41.6%，加入1%Ag后β相尺寸缩小了45.8%，且加入1%Ag后的硬度值略高于加石墨后的值，在105 ℃(轴承报警温度)时，加1%Ag后的布氏硬度值平均提高了8.6%，这是由于Ag的加入生成了新的点状硬质相(Ag₃Sn)，使得金相中硬质相密度变大，由原来的42.1%变为46.5%，B83组织更加均匀，进而提高了其高温硬度.加入3%Ag后的布氏硬度略微高于B83，但却低于其他二者，由金相图中观测到的Ag偏析，可知其原因为Ag单质的抱团和偏析，使得金相中硬质点局部尺寸增大，组织不均匀.

抗压强度也是评价巴氏合金使用性能的一项重要的指标，本文中抗压强度在Instron 5500R电子拉伸压缩试验机上测定，测试依据标准《GB/T 7314-2005金属材料室温压缩试验方法》.在测试中试验上下卡具之间的距离为26 mm，试验加载速度为1 mm/min.

表 3给出了抗压强度的测试结果，可以看出，加入Ag(1%、3%)后B83的抗压强度略有增加，分别增加了1.4%和1.9%；加石墨(1%)后B83的抗压强度减小，比原有B83减小了8.1%，其原因是石墨的加入未与其他材料生成新相，且石墨材质抵抗应力的能力差于金属，因此，使B83的强度减弱.

图 5为压缩试验后的试样照片，从试样压缩后的形状可以看出，加入Ag后B83的延展性获得了增强，而加入石墨后B83的延展性变差.

综上分析可知，巴氏合金力学性能与其金相组织存在密切联系，金相中β相和ε相组织尺寸越细小，分布越均匀，其力学性能越好.

2.2 摩擦学性能试验

本文使用的摩擦学性能测试设备是UMT-2型多功能摩擦磨损试验机，测试的参数包括摩擦系数f和磨损量Δm.试验采用销-盘对磨形式，试验在干摩擦下进行.销的材料为待测的巴氏合金，尺寸为Φ6 mm×15 mm；盘材料为45^#钢，尺寸为Φ30 mm×5 mm.销和盘表面的粗糙度均为R_a0.8.摩擦系数测试时间为10 min，磨损量的测试时间为30 min，磨损量通过试验前后销的质量损失获得，测量设备为精度0.1 mg的电子天平.试验参数选择参考了高速机床及微型燃气轮机的使用工况，试验的pv值(其中，p为单位面积载荷；v为线速度)为20 MPa·m·s^-1，试验参数的设定如表 4所示.

金属产生磨损现象的机理通常包括粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损等，图 6所示为改进前后B83磨损后的扫描电子图像.

由图 6可以看到，磨损表面存在大量凹坑，这是由于巴氏合金磨损表面发生熔融磨损，摩擦过程中产生的大量热难以通过传导和辐射消失，摩擦热聚积使得表面温度升高，当温度接近α固溶体熔点时，在摩擦力的作用下使得表面能流动，于是硬质点一部分脱离摩擦面，一部分破碎成小颗粒留在系统表面.其中图 6(a)中凹坑数量最多，这是由于原B83中硬质点组织粗大且分布不均匀，造成热量集中，导致磨损严重；图 6(b)、(c)、(d)中凹坑较少，是由于加入Ag和石墨后，B83的β相和ε相的组织均细小且分布均匀，因此，热量分布均匀，同时加入的石墨填补了部分凹坑，故图 6(d)中凹坑最少.

在对磨件(45^#钢)硬表面微凸体与巴氏合金软表面摩擦时，软表面受到循环载荷作用，表面切向力的作用使软表面发生塑性剪切，使得表面存在位错映象力，故最大剪切发生在亚表面.巴氏合金磨损面位错模型如图 7所示，可以看到，随着45^#钢与巴氏合金的不断对磨，巴氏合金的软基体变形不断积累，导致亚表层的位错堆积，又由于粗大硬质颗粒相的存在，使得裂纹逐渐形成并扩展.

为了更清晰地观察巴氏合金表面的组织形貌，本文对改进前后B83进行了透射电镜分析，用线切割机切取0.3 mm的薄片，处理后进行透射电镜观察.图 8为改进前后B83的透射电镜图片，其中图 8(a)为原B83的透射电镜图像，可以观测到β相的微观形态，边沿锋利，轮廓不规则，这样的轮廓形态如前面图 7中位错模型所述，容易与对磨的摩擦副产生锯齿效应产生脱落.

试验获得的摩擦系数曲线如图 9所示，可以看出4条曲线的走势差别较大.加3%Ag后的摩擦系数随时间跳动最为剧烈，由于加入3%Ag发生了单质Ag偏析现象，且Ag的硬度比较小，增大了B83中软基体的面积，使得组织不够致密，因此，摩擦系数变化剧烈原因应该是Ag的析出物所致；加石墨1%后的摩擦系数曲线随时间变化最为平稳，这是因为石墨具有自润滑性，可降低摩擦副在摩擦时的表面阻力.

表 5列出了试验获得的平均摩擦系数和磨损量，可以看出，加入Ag和石墨后B83的摩擦系数降低，由合金相图分析结果可知，其原因是Ag和石墨的加入均阻止了β相的不断增大，使得B83大尺寸的硬质相减小，且Ag的加入使ε相增多，材料组织更加均匀致密.从磨损量大小上来看，4种材料的磨损量差别不大，加1%Ag后的磨损量最小，造成这种现象的原因是加1%Ag后使得B83的ε相数量最多，起到了一定的抗磨作用，同时，Ag具有良好的延展性，Ag的加入使得B83延展性得到增强，降低了磨损量；加入1%石墨后的磨损量最大，原因应该是石墨具有层片状结构，石墨的加入使得B83易于磨损脱落.

综合以上力学和摩擦学性能测试结果，3种方案对比：1)加1%Ag可使B83力学及摩擦学性能明显提升；2)加3%Ag可提高硬度和抗压强度并减小摩擦系数，但会增大磨损量；3)加1%石墨可提高硬度并减小摩擦系数，但会降低抗压强度并增加磨损量.因此，加1%Ag后的B83可以作为本文推荐的轴承选材.

3 结论

1) 添加微量Ag和石墨可以促进B83中硬质点的细化和均布，具体表现为β相数量的增加和尺寸的减小.加入Ag后可形成了一种新的ε相(Ag₃Sn)，但过多Ag的加入会导致单质Ag的偏析.

2) 力学性能方面，金相调控提高了B83的布氏硬度，使其可以在更高温度下安全使用.特别是加入1%Ag后，B83在105 ℃(轴承报警温度)的硬度平均提升了8.6%，提高了机组报警后的反应时间.加入1%Ag和3%Ag后B83的抗压强度分别增加了1.4%和1.9%，加入1%石墨后B83的抗压强度减小了8.1%.

3) 摩擦学性能方面，金相调控降低了B83在干摩擦工况下的摩擦系数.由于石墨具有自润滑性，加石墨后B83摩擦系数随时间变化更加稳定.加入3%Ag后，由于有Ag析出，此时的摩擦系数较加入1%Ag和加入石墨后大，且随时间变化剧烈.金相调控前后B83磨损量变化不大，从数值上看加入3%Ag和加入石墨1%后略大.

4) 从3种方案的效果比较，加入1%Ag后巴氏合金B83获得力学及摩擦学性能的明显提升，使之更适用于高速电主轴及微型燃气轮机轴承.