低速重载滚动轴承是冶金、矿山、电力等大型设备上的重要耐磨零件，在工作运行中既要承受较大的压力、冲击载荷和交变应力，又要经受摩擦、磨损、较高温度的作用和多种介质的腐蚀作用^{[1, 2]}.其质量的优劣直接影响到这些机械的工况和使用寿命，一旦发生故障会严重影响生产，相应的维修费用贵，零件更换周期长，会导致较大经济损失.为保证对偶轴及整机的可靠性和使用寿命，要求轴瓦材料要具有良好的耐磨性和稳定性.高铅锡青铜合金由于具有耐磨性能好、热传递性好、承载能力强、耐热性优等优良性能而被用作滑动轴承轴瓦材料^[3].人们关于铅含量分数低于10%的锡青铜合金在不同载荷、滑动速度^{[4, 5, 6]}、温度^{[7, 8]}，以及摩擦副材料^[9]等条件下的摩擦磨损性能探讨已进行了大量的研究工作，而关于铅含量分数高于20%的离心铸造高铅锡青铜合金在不同载荷和摩擦速度下的摩擦磨损性能及磨损机理研究方面还需做深入的研究.本文研究了离心铸造高铅锡青铜(ZCuPb22Sn1.5)合金摩擦磨损行为，探索其在60~140 N不同载荷以及0.05~0.25 m/s不同摩擦速度下的耐磨机理，这对于优化合金成分设计具有指导作用，并对指导生产具有现实意义.

离心铸造高铅锡青铜(ZCuPb22Sn1.5)合金材料成分(质量分数)中Sn为1%~3%，Pb为21%~23%，S为0.01%，余量为Cu.加入2.5%的PbS防止离心铸造过程中铅偏析现象，铸型预热温度为200~300 ℃，浇注温度为1 080~1 120 ℃，离心机转速为810 r/min.浇注后快速冷却到200 ℃，脱模获得铸件.

销盘摩擦磨损试验在MMU-10G摩擦磨损试验机上进行.摩擦副选择淬火45号钢环，粗糙度小于0.2 μm，硬度为45HRC，试样尺寸为Φ4.8 mm×13 mm的圆柱形销，硬度为48.5 HV，3个销试样为一组进行试验.测试摩擦速度0.05 m/s下，不同载荷60，80，100，120，140，160 N销试样的摩擦系数和磨损量，以及相同载荷100 N不同摩擦速度0.05，0.10，0.15，0.20，0.25 m/s条件下销试样的摩擦系数和磨损量，试验时间均为30 min.试验机的智能检测系统自动记录试验摩擦系数，磨损率用质量磨损率来表示，摩擦系数和磨损率均为三次试验后取平均值.用SSX-500扫描电镜表征试样磨损后的磨痕形貌，用EDS能谱确定磨屑成分.

离心铸造高铅锡青铜合金试样在摩擦速度0.05 m/s，不同载荷下的平均摩擦系数和磨损率分别如图 1a，1b所示.观察载荷对摩擦系数和磨损率的影响.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 0.05 m/s摩擦速度下载荷对摩擦系数和磨损率的影响 Fig. 1 Effects of load on friction coefficient and wear rate at 0.05 m/s (a)—摩擦系数； (b)—磨损率.

从图 1可以看出，在试验载荷范围内，高铅锡青铜合金的整体摩擦系数较小，均低于0.26，随着载荷的增加，合金摩擦系数减小，磨损率增加.根据图 1a的摩擦系数曲线走势，将摩擦系数曲线分为60~100 N，100~120 N，120~160 N三个部分，100，120和140 N三个典型载荷下的磨损表面形貌如图 2所示.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 0.05 m/s条件下不同载荷销试样磨损表面微观形貌 Fig. 2 The SEM morphology of the worn surface at different loads under the speed of 0.05 m/s (a)—100 N； (b)—120 N; (c)—140 N.

载荷小于100 N时(100N，见图 2a)，销试样的磨损表面较平滑，有很少量的凹槽及磨屑，是因为随着摩擦磨损的进行，高铅锡青铜材料在与摩擦副相互作用时，由于摩擦升温及变形挤压的共同作用，游离态的铅会逐渐被挤出铜合金材料表面，并在摩擦副表面展开形成连续的第三体——软质铅润滑膜^[10]，使得磨损表面光滑，减小了铜合金基体与摩擦副的接触面积^[11]，并且此载荷不至于使润滑膜破坏而形成磨屑，此时磨损机制以轻微黏着磨损为主.

载荷在100~120 N范围时(120 N，见图 2b)，销试样摩擦表面出现了大量的片状第三体润滑膜，这是由于摩擦升温及变形挤压的共同作用，使铜合金摩擦表面变软，与被挤出铜合金材料表面的游离态的铅形成一层第三体的润滑膜.当载荷超过100 N后，随着摩擦试验的进行，第三体润滑膜在摩擦表面逐渐增多，到120 N时，广泛地覆盖在摩擦表面，润滑膜的SEM形貌及EDS能谱见图 3.图中白色部分为铅.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 0.05 m/s，120 N载荷条件下与ZCuPb22Sn1.5对磨的摩擦副表面铅润滑膜SEM及EDS Fig. 3 The SEM and EDS morphologies of the Pb solid lubrication film on the worn surface at 0.05 m/s，120 N (a)—SEM； (b)—EDS.

载荷超过120 N(140 N，见图 2c)以后，对于磨损率，轻载时摩擦表面上的微凸体下的塑性区相互独立，而随着载荷的增大摩擦副的真实接触面积和接触的微凸体数量增加并且塑性区连成一片，相互作用，使轻微磨损转变为严重磨损，造成磨损率的增大.销试样的磨损表面开始出现沿滑动方向的犁沟和润滑膜破碎形成的磨屑.这是因为在较大载荷下，一方面，磨损表面局部区域产生裂纹，裂纹扩展导致润滑膜脆性断裂剥落，断裂剥落的磨屑作为磨粒加剧磨损，造成磨粒磨损^{[11, 12]}；另一方面，销试样中的铅不断被挤压出来，从而形成润滑膜，润滑膜形成后又被破坏，因此摩擦系数没有较大的变化而磨损率会不断增加.此时磨损机制以黏着磨损和磨粒磨损为主.

100 N载荷条件下，不同摩擦速度的平均摩擦系数和磨损率如图 4所示，在摩擦速度0.05~0.25 m/s范围内离心铸造ZCuPb22Sn1.5合金的摩擦系数整体较小，且随着摩擦速度的增加，摩擦系数逐渐减小，磨损率增加.摩擦速度增加到0.10 m/s以后，合金摩擦系数减小幅度加快，到0.20 m/s以后摩擦系数减小幅度很小.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 100 N载荷条件下摩擦速度对摩擦系数和磨损率的影响 Fig. 4 Effects of friction speed on friction coefficient and wear rate at the load of 100 N (a)—摩擦系数； (b)—磨损率.

在摩擦磨损试验过程中，高铅锡青铜材料在与摩擦副相互作用时，由于摩擦热及变形挤压的共同作用，游离态的铅会逐渐被挤出铜合金材料表面，并在摩擦副表面展开形成连续的软质铅润滑膜，软质铅润滑膜减小了铜合金基体与摩擦副的接触面积，从而降低摩擦副的摩擦系数.摩擦速度增加到0.10 m/s以后，随着摩擦速度提高，摩擦能耗增加，摩擦热增加，低熔点的铅更容易变软，有利于铅润滑膜的形成.

图 5给出了ZCuPb22Sn1.5在载荷100 N、不同摩擦速度下销试样磨损表面微观形貌.图 5a为摩擦速度0.10 m/s时的磨损表面，可以看出销试样磨损表面比较平滑，有少量的片状润滑膜和摩屑开始出现，这个速度下的磨损为轻微的黏着和磨粒磨损.当摩擦速度增大时(0.20 m/s，见图 5b)，销试样的磨损表面润滑膜增多，磨屑减小.这是由于随着摩擦速度提高，摩擦能耗增加，摩擦热增加，低熔点的铅更容易变软，有利于铅润滑膜的形成.这个速度下的磨损以黏着磨损为主.摩擦速度进一步增大(0.25 m/s，见图 5c)，销试样的磨损表面出现沿滑动方向的犁沟和磨屑，磨屑较多.这是由于达到0.25 m/s后，润滑膜继续增加的量很少，摩擦系数降低的趋势减小，并且随着试验的进行，形成的铅润滑膜也会由于疲劳而出现裂纹，进而破坏形成磨屑，造成磨粒磨损.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图 5 60 N载荷不同摩擦速度下销试样磨损表面微观形貌 Fig. 5 The SEM morphology of the worn surface at different friction speeds under the load of 60 N (a)—0.10 m/s； (b)—0.20 m/s; (c)—0.25 m/s.

ZCuPb22Sn1.5合金在载荷100 N、不同摩擦速度下磨屑的SEM微观形貌如图 6所示.其中图 6a，图 6b，图 6c分别为摩擦速度0.10，0.20，0.25 m/s时的磨屑形貌.在摩擦磨损过程中，由于力和热分布不均匀，以及材料组元热膨胀系数的差异，磨损表面产生了一系列微裂纹，表面裂纹一旦形成，在反复摩擦过程中将扩张、传播，形成磨屑，磨屑又作用在磨损表面，加剧材料的磨损程度^[13].在0.10 m/s较小摩擦速度下，铅润滑膜分布不均匀，磨屑由较大的片状组成，磨屑中的成分主要是Cu，Pb，Fe，O，成分中含有微量的氧，说明磨损表面已经开始有微量的氧化，成分中含有少量的Fe，说明摩擦副材料已经转移到试样销的材料上，说明此过程发生了轻微的黏着磨损.随着摩擦速度增大到0.20 m/s，铅润滑膜均匀分布在摩擦副表面，此时的磨屑主要为片状，摩擦系数降低幅度较大，磨损率的增加有所减缓；当速度继续增大到0.25 m/s时，由于表面膜的破碎，滞留的颗粒成为硬质颗粒嵌入铜基体中，发生严重的磨粒磨损，磨损量增加的幅度变大，磨屑呈碎末状，并且数量较前两种速度下更多(见图 6c).

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图 6 不同摩擦速度下的磨屑形貌 Fig. 6 The SEM morphology of the wear debris at different speeds (a)—0.10 m/s； (b)—0.20 m/s; (c)—0.25 m/s .

1) 离心铸造的高铅锡青铜(ZCuPb22Sn1.5)合金具有优良的减摩作用，摩擦磨损过程中容易在摩擦副表面形成软质铅润滑膜，优化了合金的耐磨性.

2) 在0.05 m/s摩擦速度下，随着载荷的增加，合金摩擦系数减小，磨损率增加，当载荷增加到120 N后，摩擦系数趋于稳定；60~100 N载荷内磨损机制以轻微黏着磨损为主，100~120 N载荷内磨损机制以黏着磨损为主，120~160 N载荷内磨损机制以黏着磨损和磨粒磨损为主，适用载荷为120 N以内.

3) 在100 N载荷下，随着摩擦速度的增加，摩擦系数逐渐减小，磨损率增加，摩擦速度增加到0.10 m/s以后，摩擦系数迅速减小，到0.20 m/s以后摩擦系数趋于稳定.摩擦速度在0.05~0.10 m/s内磨损机制为轻微的黏着和磨粒磨损；摩擦速度在0.10~0.20 m/s内磨损机制以黏着磨损为主；摩擦速度在0.20~0.25 m/s内磨损机制为磨粒磨损.适用摩擦速度为小于0.20 m/s.