影响轴瓦三元(Pb-Sn-Cu)镀层质量的因素及分析

孟 超， 张 润

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

引 言

轴瓦也叫滑动轴承，它在轴与座孔之间主要起支承载荷和传递运动的作用。轴瓦有整体式和剖分式两种，整体式轴瓦通常称为轴套。轴瓦在工作时，与转轴之间应有一层很薄的油膜起润滑作用，否则轴瓦与转轴就存在摩擦，会出现烧瓦的现象。

轴瓦的结构型式有：整体铜合金、整体铝合金、钢背+减摩合金层、钢背+减摩合金层+镀层。目前世界各国多采用后两种，其中又都把主要精力集中在减摩层和镀层的选材上，因为它们直接决定了轴瓦的工作稳定性和使用寿命[1-2]。轴承采用的减摩材料主要有：锡基或铅基巴氏合金、铜基合金、铝基合金和其他轴承合金等。

目前，国内主要生产铜基合金和铝基合金的轴瓦。铜基轴瓦具有承载能力强、疲劳强度高、耐热性好等优点，迄今仍是内燃机中应用最广的轴承减磨材料。但铜基合金轴瓦也存在着磨合性差、嵌藏性差等缺点，容易伤轴。铝基轴瓦是二十世纪二三十年代发展起来的，具有质量轻、价格低廉、耐腐蚀性好等特点，作为滑动轴承的减磨材料引起了人们的广泛关注。

1 轴瓦镀层的发展

随着发动机转速的提高及负载的加重，对轴瓦的要求也越来越高。为了使轴瓦满足工作要求，通常在轴瓦的内表面电镀一层合金以提高性能。

减摩镀层在国外的研究起步较早。1920 年由格罗奥夫(J.Grooff)提出了电镀铅锡合金的第一个专利，并用于海军鱼雷储气瓶的内表面电镀，到二十世纪四十年代开始用于轴瓦的电镀[3]。减摩镀层在国内的研究及应用起步比较晚。在电镀镀层轴瓦方面，20 世纪70年代，上海合金轴瓦厂及上海沪东造船厂详细研究了轴瓦电镀合金工艺[4]。

镀层按合金元素分类：有二元电镀、三元电镀、四元电镀等。多元减摩合金镀层主要有铅基合金和锡基合金两大类，近几十年来，最广泛应用的 Pb-Sn-Cu 铅基三元合金电镀，是一般车用发动机轴瓦表面处理的首选[5]。镀层不仅可以改善轴承的耐腐蚀性、嵌藏性和顺应性,而且还能提高轴瓦的承载能力和疲劳强度。

2 影响轴瓦镀层质量的因素及分析

2.1 前处理对轴瓦镀层质量的影响及分析

要想在轴瓦上得到优良的镀层，前处理是非常主要的一环。轴瓦的表面不干净，镀层的结合力会受到很大的影响。轴瓦的前处理工艺主要有化学除油、电解、酸洗等。

化学除油的目的主要用来去除轴瓦表面的油污，包括防锈油、加工时的油污等。溶液为弱碱性，同时含有少量的润湿剂。电解是利用电极的极化作用，产生大量气体使轴瓦表面的油膜迅速脱离,转变为细小油珠被除去。酸洗的目的是为了出去轴瓦表面的氧化膜及其它杂质，否则得不到合格的镀层。

2.2 镀层组分对轴瓦镀层质量的影响及分析

三元镀层中的锡可以提高镀层的耐腐蚀性，还能增强镀层的硬度和强度。镀层中含锡量通常为：8%～12%，要保证镀层有足够的耐腐蚀性，锡的最低含量为3%。三元镀层中的铜可以提高镀层的耐磨性和疲劳强度。但如果含铜量过多,则镀层的脆性会增加,疲劳强度会降低。综合考虑疲劳强度和耐磨性减摩,应该将含铜量控制在适当的范围为1%～3%。

若在减摩合金上直接电镀，那么镀层中的锡会向减摩合金扩散。锡与减摩合金中的铜发生反应，生成Cu3Sn，使轴瓦的脆性增大，镀层的机械性能下降。为了解决此问题，常见的做法是在减摩合金和镀层之间，镀一层镍或镍基合金阻挡层(又称栅层或阻挡层)，抑制锡的扩散。轴瓦结构，如图1所示。

图1 轴瓦结构图

轴瓦在镀三元之后，会在双侧表面镀锡，主要目的是防锈、减摩、防腐蚀。

2.3 镀液对轴瓦镀层质量的影响及分析

镀液和镀层质量是密切相关的。由于氟硼酸盐体系溶液稳定性好，分散能力较高，常被选取为轴瓦镀三元的溶液。镀液中的亚锡离子、铜离子和铅离子是电镀铅锡铜合金镀层的主要成份,也是控制合金组成的主要因素。其中Sn2+、Cu2+的含量对镀层的组成影响最为明显[6]。镀液组成，如表1所示。

表1 镀液组成

游离氟硼酸对镀层的影响不大，主要作用是溶解合金阳极，补充镀液中消耗的金属离子，维持溶液的酸度,有效防止Sn2+的水解,提高镀液稳定性。

镀液在使用过程中会出现沉积的现象，会造成镀液中离子分布不均匀，从而影响镀层质量，而且长期的生产中也会出现一些杂质。在生产中，给镀液配置循环过滤系统，使镀液循环起来，可以保证镀液的均匀性，滤除生产中产生的沉淀和杂质。

2.4 挂具对轴瓦镀层的影响及分析

为了避免钢背外表面镀上镀层，影响轴瓦的尺寸精度，并造成金属离子的浪费，对轴瓦采取了保护措施。方法是制作不锈钢罩(内壁安装磁铁)作为辅助阴极,轴瓦安装后，将不锈钢罩吸附在轴瓦上。辅助阴极与挂具的导电部分采用快接式接头能够方便接插，当在自动线上运行时随着挂具的下落，辅助阴极导电，改变了电力线的方向，提高镀层了的均匀度[7]。

挂具采用板式挂具，能适应大批量生产，效率高，操作简单,减轻了工人的劳动强度，挂具选用耐酸碱腐蚀的PP板。轴瓦一列列放置在挂具上，与轴瓦内表面相对的背板上开条缝，以不断补充镀液。条缝的宽度与轴瓦的尺寸相关，条缝太宽或太窄都会影响电力线的不规则分布，从而影响镀层质量。为了适应不同尺寸的轴瓦，采用的做法是在挂具的背板上加工一宽的条缝，并制作外形一致、条缝宽度不同的的插板，根据轴瓦的尺寸大小，将对应的插板插入挂具，如图2所示。插板的外形，如图3所示。插板条缝的两侧做一台阶，目的是为了得到均匀的电力向。

图2 挂具示意图

图3 插板示意图

3 结语

1)三元镀层可以提高轴瓦的耐腐蚀性、硬度、嵌藏性等，满足使用需求，但是镀层中的铅是有毒金属，在生产中会污染环境，影响人的身体健康。含铅的轴瓦在以后的使用中会越来越少。

2)随着科技的快速发展，轴瓦材料的范围也在不断的扩大，塑料轴瓦、陶瓷轴瓦等的应用也再增加。

3)轴瓦也可以经过磁控溅射的方式制作涂层，这种方式无污染、安全性高、沉积速率快。目前，磁控溅射在轴瓦行业用的很少，将来会得到广泛的应用。