DOI：10.19476/j.ysxb.1004.0609.2019.06.11

微量元素Cd对锡基轴承合金SnSb11Cu6组织与力学性能的影响

陈永红¹，钟  宁¹，尹忠慰²，李虎林²，董  琴²

(1. 重庆跃进机械厂有限公司，重庆 402169；

2. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

摘  要：为了改善锡基轴承合金的承载能力，采用X射线衍射分析、光学显微分析、硬度分析和材料拉伸和压缩试验等分析技术研究微量元素Cd对锡基轴承合金SnSb11Cu6的微观组织和力学性能的影响。结果表明：Cd加入合金后，并未改变合金的物相组成。合金中硬质相SnSb尺寸减小，数目增多，说明Cd能起到细化SnSb相的作用，增强合金的硬度、强度和塑性；同时，Cd溶于Sn形成固溶体能提高合金的硬度和强度，但降低合金的塑性。Cd加入到合金SnSb11Cu6中，起到细晶强化和固溶强化的作用。当Cd的含量在0.5%(质量分数)左右时，合金的硬度、强度和塑性同时增加，考虑合金的综合性能，推荐优选的Cd含量为0.5%~1.0%。

关键词：Cd；SnSb11Cu6；显微组织；力学性能；强化机理

文章编号：1004-0609(2019)-06-1226-07　　     中图分类号：TH142.2　　     文献标志码：A

锡基轴承合金是巴氏合金(又称白合金)的系列之一，是一种软基体上分布着硬质相的低熔点轴承合金^[1]。由于其具有非常好的嵌藏性、顺应性和抗咬合性，所以锡基轴承合金一直以来都是船用低速机轴瓦的首选材料^[2-4]。轴瓦作为低速机高技术、高风险、高附加值的关键核心零部件，在设备运转过程中起着支撑和传递动力的作用，其性能直接决定着低速机运行的可靠性和安全性。而锡基轴承合金的承载能力以及耐热、耐疲劳性能较差，极大限制了其在工程上的应用^[5-6]。随着我国建设海洋强国战略目标的提出，有必要对锡基轴承合金做更系统、全面的研究，致力于改善其特性、改进传统工艺及开发新的制备技术，使其具备更加良好的减摩性、耐磨性、嵌藏性、顺应性、耐腐蚀性及足够的承载能力，以满足当前的工业需求^[7-8]。

锡基轴承合金以Sn为主，加入少量Sb和Cu，同时，为了细化晶粒、改善合金延展性及提高其耐高温性等，合金中常会添加微量Cd、Ni、As、Ag、Zn、Ti、Co等合金元素^{[2, 9]}。目前，对锡基轴承合金的研究主要集中在微观结构、力学性能、结合强度、承载能力、抗咬合能力和摩擦学特性^[10-16]等。微量元素对合金组织和力学性能的影响方面，已有不少的研究报道。其中，HAEDICKE等^[2]在锡基合金中加入0.5%~ 0.9%Co、0.3%~0.6%Ni以及0.1~0.4%Zn(质量分数)形成新的合金SnSb11Cu4CoNiZn，并分析了合金的硬度、疲劳强度、抗咬合能力以及摩擦磨损特性。ISHIHARA等^[17]分析了Sb含量在5%~23%时白合金的耐磨性能。EL-BEDIWI^[18]研究了Ag、Cu、Zn和Pb对Sn-10%Sb合金的结构、电阻率、硬度、弹性模量等的影响。LESZCZYNSKAMADEJ等^[19]在锡基合金SnSb12Cu6中添加了1.5%Pb，分析了合金的硬度、显微组织和摩擦学特性。翁炳奎等^[20]对比研究了研究传统锡基合金ZSnSb11Cu6和添加1.17%~1.22%镉、0.22%~0.23%镍等元素的锡基轴承合金ZSnSb11Cu6CdNi的各项性能，包括金相组织、相成分、显微硬度以及合金的各项物理、力学性能。

研究发现，轴承合金的耐磨性、嵌藏性、顺应性和抗咬合性与其化学成分、金相组织、弹性模量、屈服强度和硬度等有关^[21-22]，为了制备具有高承载力的锡基轴承合金，本文在原材料SnSb11Cu6的基础上分别添加了4种质量分数(分别是0.1%、0.5%、1.0%和1.5%)的Cd，通过物相分析、金相分析、硬度分析、拉伸和压缩性能分析等研究了微量元素Cd对锡基轴承合金SnSb11Cu6的显微组织和力学性能的影响，并分析了显微组织和力学性能之间的关系。

1  实验

试验所用的原材料为SnSb11Cu6，其化学成分见表1，实验所选Cd的纯度为99.999%。合金在中频炉(型号为DLZ-25)中熔化，待合金完全熔化后，加入Cd(含量分别为0%、0.1%、0.5%、1.0%和1.5%，质量分数)，并在650 ℃时保温0.5 h，之后浇铸到预先加热的模具(模具预热温度250 ℃，时间2 h)中，浇铸温度为420 ℃。将经过熔化浇铸得到后的合金按Cd的添加含量分别标记为SnSb11Cu6-xCd(x=0、0.1、0.5、1.0、1.5)。

表1  SnSb11Cu6化学成分

Table 1  Chemical compositions of SnSb11Cu6 (mass fraction, %)

试验前，供物相分析所用的试样为5 mm厚的试块，供显微组织分析和硬度分析的试样均取自铸件的同一部位的横截面切制为10 mm厚的试块，并用磨抛机打磨抛光。供屈服强度和抗拉强度的试样是用铸件机加工为直径10 mm、标距50 mm、长度100 mm的圆形试样，供抗压试验的试样是用铸件机加工为直径13 mm、长38 mm的试样。物相分析所用的X射线测衍射仪，型号为3kW/*D8 ADVANCE Da Vinci。金相腐蚀剂的成分为5 g FeCl₃，10 mL HCl和90 mL H₂O，所用的金相显微镜的型号为MX4R，显微硬度测量仪的型号HMAS-D1000SZ，拉伸和压缩试验所用的设备为微机控制电子万能试验机，型号为WAW-1000。

试验过程中，基体和SnSb相的显微硬度试验所用载荷为0.098 N，加载时间为10 s。拉伸试验选取的拉伸速率为0.75 mm/min，压缩试验选取的压缩速率为1.0 mm/min。另外，试样的屈服强度值是有效长度的0.2%变形时所需的单位负荷，抗拉强度值是将试验拉断时所需的单位负荷。每种合金的显微硬度值取自10个有效测量点的均值，拉伸和压缩性能试验至少保证有3次有效试验。

2  实验结果

2.1  合金的微观组织

三元合金Sn-Sb-Cu可能包含的微观组织中除了α相(Sb溶于Sn的固溶体)，β相(SnSb)，η相(Cu₆Sn₅)，还有ε相(Cu₃Sn)，γ相(Cu₃₁Sn₈)、Sn₃Sb₂和Cu₂Sb^[23]。由于锡基轴承合金SnSb11Cu6含有10.0%~12.0%的Sb和5.5%~6.5%的Cu，其正常的显微组织(见图1(a))是在黑色α固溶体上均匀分布着呈白色立方形的SnSb相和呈针状或星状的Cu₆Sn₅相^[24-25]。SnSb晶体互不相连，分布较均匀，大小差异不大，被基体α固溶体包围。早期形核的Cu₆Sn₅相是SnSb相的结晶核心，并在合金冷却的过程中，Cu₆Sn₅相先从液相中析出，呈骨架状以阻止其后析出的SnSb相因比重低上浮而产生的偏析。另外，α相是合金的软相基体，使合金具有很好的嵌藏性、顺应性和抗咬合性，β相和η相是合金的硬质相，使合金有足够的承载能力。合金在磨合后，软相基体内凹，硬质相颗粒外凸，使相对滑动面之间形成微小间隙，当设备处于乏油运转工况时， 这些微小的间隙可以储存润滑油，有利于减小摩擦。

图1  SnSb11Cu6-xCd的XRD谱

Fig. 1  XRD pattern of SnSb11Cu6-xCd

GB/T 1174-92中提出了一种含微量Cd(1.1%~ 1.6%)的锡基轴承合金SnSb12Cu6Cd1，Cd作为锡基合金的常选添加元素，一方面是由于Cd与Sn相溶，与Fe几乎不相溶，另一方面Cd能起到细化SnSb相的作用。图1给出了SnSb11Cu6-0Cd和SnSb11Cu6-1.5Cd的物相分析，结果表明将Cd添加到轴承合金SnSb11Cu6中，合金的相成分依旧是α相、SnSb相和Cu₆Sn₅相，并未产生新的金属间化合物。图2(b)~2(f)所示为SnSb11Cu6-xCd腐蚀后的显微组织，从图中可以看出，不同含量的合金中，白色立方形的SnSb相和针状或星状的Cu₆Sn₅相均匀分布在黑色固溶体中，Cd加入SnSb11Cu6后，合金中SnSb相的晶粒细化效果比较明显，当Cd含量为1.5%时，SnSb相的平均晶粒尺寸下降了23%。表2中进一步给出了SnSb11Cu6-xCd中SnSb相的数量和对角线长度，随着Cd含量x的增加，合金中SnSb相的数量增多，而SnSb相的对角线平均长度减小，说明Cd能抑制合金中硬质相SnSb的生长，起到细化SnSb的作用；Cd含量为0.5%时，合金中SnSb相的晶粒大小差异最小。

表2  SnSb11Cu6-xCd中SnSb数量和对角线长度

Table 2  Number and diagonal length of SnSb in SnSb11Cu6-xCd

2.2  合金的硬度分析

由于硬质相Cu₆Sn₅的尺寸太小，无法用显微硬度仪测量，因此本文中只给出了合金SnSb11Cu6-xCd基体和SnSb相的显微硬度(HV)，如表3所示。从表3可以看出：基体和SnSb相的显微硬度均随着Cd含量的增加而增大，当Cd含量为1.5%时，基体相的显微硬度提高了24%左右，硬质相SnSb的显微硬度提高了21%左右。从显微硬度的变化趋势看，当Cd含量在0.1%~1.5%之间时，合金中基体的显微硬度随Cd含量的增加线性增大，当Cd含量在0.5%~1.5%之间时，合金SnSb相的显微硬度随Cd含量的增加迅速增大，另外，文献[26]中给出了Cd在Sn中的溶解度，在温度223 ℃下，为0.75%，在温度176 ℃下，为1.16%，说明当Cd含量较低时，Cd溶于Sn形成的固溶体主要用来提高基体的显微硬度，当Cd含量不断增加时，富余的Cd在结晶时可为SnSb相的析出提供异相形核的核心，强化了该相的键合，使SnSb相的硬度增大。

图2  SnSb11Cu6-xCd腐蚀后显微组织

Fig. 2  Microstructure of SnSb11Cu6-xCd after chemical etching

表3  SnSb11Cu6-xCd的显微硬度

Table 3  Microhardness of SnSb11Cu6-xCd

2.3  拉伸和压缩性能

图3(a)和图3(b)所示分别为合金SnSb11Cu6-xCd室温拉伸和压缩后的真实应力-应变曲线；图3(c)所示为合金SnSb11Cu6-1.5Cd拉伸和压缩后的试件；表4给出了合金SnSb11Cu6-xCd拉伸和压缩的力学性能。从图3(c)中可以看出，拉伸试件的断口位置处于试件的标距内，断口的断裂面同拉伸应力倾斜，Cd加入后，合金的屈服强度、抗拉强度和抗压强度随着Cd含量的增加而增大，当Cd含量为1.5%时，相比未添加微量元素的合金，合金的屈服强度提高了26.5%左右，抗拉强度提高了23.1%左右，抗压强度提高了24.1%左右；另外，除了合金SnSb11Cu6-0.5Cd，其他合金的断后伸长率均减小，当Cd含量为1.5%时，合金的断后伸长率降低了17.6%左右，说明Cd的加入在一定范围内降低了合金的塑性。

图3  SnSb11Cu6-xCd的力学性能

Fig. 3  Mechanical properties of SnSb11Cu6-xCd

表4  SnSb11Cu6-xCd常温下的力学性能

Table 4  Mechanical properties of SnSb11Cu6-xCd at room temperature

3  分析与讨论

合金的力学性能主要取决于其显微组织，常用的合金强化的方法有细晶强化、固溶强化和析出硬化^{[2, 27]}。研究发现，在常温下，晶粒越细的金属会具有更高的强度、硬度、塑性和韧性，这是因为当金属受到外力作用时，晶粒越多，由外力产生的塑性变形将会分散到更多的晶粒内进行，使金属内部塑性变形更均匀，从而减小应力集中；此外，合金中的晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。将Cd加入锡基合金SnSb11Cu6后，合金中SnSb相的晶粒尺寸减小，数量增多，说明Cd起到了细晶强化的作用，使合金具有更高的硬度、强度和塑性。同时，Cd能与Sn形成单向固溶体，同Sb的固溶强化作用一样，当金属受到外力作用时，固溶体增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金的强度与硬度增加，但会降低合金的塑性，因此当SnSb11Cu6中添加Cd后，合金的强度和硬度增大，塑性下降。

锡基轴承合金的金相组织等级评定通常按SnSb晶体的对角线长度及分布质量来划分，只有SnSb的晶体细小，分布均匀，才能使合金具有更好的承载能力。从实验结果看，在SnSb11Cu6中加入0.5%Cd后，合金中SnSb晶粒的大小差异范围最小，同未添加微量元素Cd的合金相比，合金强度、硬度增大的同时，合金的塑性也增大，说明SnSb晶粒尺寸差异越小，分布越均匀，越利于提高合金的塑性。作为轴承合金材料，不仅要具有足够的强度和硬度使合金具有一定的承载力，也要具备良好的嵌藏性、顺应性和抗咬合性。通过本文的研究，可通过控制微量元素Cd的添加含量，使锡基轴承合金的综合性能最佳。

本文将微量元素Cd加入锡基轴承合金SnSb11Cu6，起到了细晶强化和固溶强化的作用，使得合金的硬度和强度增加，细晶强化作用使得合金的塑性增加，但固溶强化作用又在一定程度上降低了合金的塑性。通过对合金SnSb11Cu6-xCd显微组织和力学性能的分析，推荐优先的Cd含量为0.5%~1.0%。

4  结论

1) Cd加入后，SnSb相数量增多、晶粒变细，使得合金的强度、硬度、塑性增加，起到了细晶强化的作用。

2) Cd加入后，能与Sn形成固溶体，提高合金的强度和硬度，但降低合金的塑性，起到固溶强化的作用。

3) 对锡基轴承合金SnSb11Cu6，推荐优先的Cd含量为0.5%~1.0%。

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Effects of micro-adding Cd on microstructure and mechanical properties of SnSb11Cu6 tin-based bearing alloy

CHEN Yong-hong¹, ZHONG Ning¹, YIN Zhong-wei², LI Hu-lin², DONG Qin²

(1. Chongqing Yuejin Machinery Co., Ltd., Chongqing 402169, China;

2. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract: In order to improve the load capacity of tin-based bearing alloys, this paper investigated the effects of micro-additive Cd on the microstructure and mechanical properties of SnSb11Cu6 tin-based bearing alloy were investigated by X-ray diffractometry, optical microscopy, hardness analysis, tensile and compressive test and other analysis techniques．The results indicate that the addition of Cd does not change the phases of the alloy, whereas it can decrease the size and increase the number of SnSb hard grains, indicating that Cd has an effect on refining SnSb phase, and further increases the hardness, strength, and plasticity of SnSb11Cu6. Meanwhile, the formation of solid solution (Cd in Sn) improves the hardness and strength of the alloy, whereas reduces the plasticity of SnSb11Cu6. When the content of Cd is about 0.5% (mass fraction), the hardness, strength, and plasticity of the alloy increase. Considering the comprehensive performance of the alloy, the priority content of Cd is about 0.5%-1.0%.

Key words: Cd; SnSb11Cu6; microstructure; mechanical property; strengthening mechanism

Foundation item: Project(CDGC01-KT11) supported by Marine Low Speed Engine Project-Phase Ⅰ, China

Received date: 2018-05-10; Accepted date: 2018-09-04

Corresponding author: DONG Qin; Tel: +86-21-67102190; E-mail: dongqinlu@sjtu.edu.cn

(编辑  龙怀中)

基金项目：船用低速机工程(一期)研制(CDGC01-KT11)

收稿日期：2018-05-10；修订日期：2018-09-04

通信作者：董  琴，博士；电话：021-67102190；E-mail：dongqinlu@sjtu.edu.cn