軸承合金澆鑄面色差消除的工藝試驗

戴樂帆

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海　200240)

軸承合金澆鑄面色差消除的工藝試驗

戴樂帆

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海200240)

摘要：主要闡述了消除軸承合金面上存在明顯色差的工藝方法。通過對合金表面金相的分析，對合金澆鑄性能的研究，以及調整各項澆鑄工藝參數的措施，達到了消除合金面色差的效果。解決了軸承合金澆鑄后，合金面上色差明顯的問題。為后續(xù)工藝人員的研究提供了參考和借鑒。

關鍵詞：軸承；合金澆鑄；色差

0引言

本企業(yè)負責制造的某核電項目密封瓦，在客戶檢查時，發(fā)現軸承合金表面存在明顯的色差現象，被客戶認定為不合格產品。目前國家對軸承合金色差沒有強制性的標準，行業(yè)內也沒有參考標準，我們也無法判斷其是否影響正常使用。為了保證客戶的滿意度，我公司設立課題，通過試驗來解決該問題，使客戶滿意。

1現狀調查及分析

1.1軸承合金

澆鑄陽江核電密封瓦的軸承合金牌號為PDS17640BE合金，具體成分見表1。

表1　PDS17640BE合金的主要成分

1.2金相試驗

近幾年來，軸承分廠針對軸承合金色差現象開展過多次試驗及研究。對色差區(qū)域進行過取樣，制成相應的試塊，進行了金相試驗，對其金相組織進行觀察，發(fā)現色差試塊(圖1右側示圖)中存在大量針狀結構組織(白色)，即顯色位置區(qū)域。試驗結果如圖1所示。

圖1　金相試驗結果照片

1.3分析和討論

由Cu-Sn二元合金平衡圖(如圖2所示)可知，銅的加入量超過0.8%而小于8%時，則合金首先結晶析出金屬化合物ε(Cu8Sn5)。Cu8Sn5比重較大且形成針狀及星狀骨架。Sn-Sb-Cu三元合金高錫部分在常溫時的合金成分和組織分布區(qū)域如圖3所示，PDS17640BE合金的成分位于圖3的區(qū)域Ⅲ中，故它們的組織通常為α+Cu8Sn5。

Cu8Sn5開始析出溫度約為350～380℃，錫基α固溶體開始凝固溫度約為241℃。由于該核電項目密封瓦澆鑄合金較其他產品用量增加近一倍，合金層相對過厚，且水冷條件較為有限(冷卻水來源使用自來水，水壓較小)，造成在Cu8Sn5化合物析出的溫度范圍內冷卻相對較慢；另一方面，考慮到為防止出現合金疏松等缺陷，相應提高了離心澆鑄時的轉速，從而更容易出現Cu8Sn5的下沉，導致比重偏析，而在臥式離心機澆鑄時，這種偏析傾向變得更加嚴重。

圖2　Cu-Sn二元合金平衡圖

圖3　Sn-Sb-Cu三元合金高錫部分在常溫時的合金成分和組織分布區(qū)域的示意圖

金相試驗結果已證明基體中存在大量針狀組織導致存在色差，而Cu8Sn5金相結構呈針狀，且PDS17640BE合金只存在基體錫基α固溶體和Cu8Sn5兩種組織，因此可以判定色差區(qū)域是由于Cu8Sn5偏析富集造成的。

2試制方案

2.1制定試制預案

通過上述分析，制定如下預案：

1) 澆鑄前不斷攪拌合金，注意要上下翻騰，保證澆鑄合金成分的均勻性，使?jié)茶T入密封瓦的合金化學成分盡量均勻；

2) 在保證合金不出現疏松等缺陷的前提下，適當降低離心澆鑄的轉速，減少合金成分的偏析。

2.2離心澆鑄轉速計算

在整個制造生產過程中，離心機的轉速非常重要。轉速太低， 容易造成材料縮松、 合金夾雜等缺陷； 轉速太快， 容易造成合金化學成分的偏析。

以離心力為基礎的經驗公式，根據康士坦丁諾夫理論，不論何種金屬，如果在自由表面上的有效重度達到340 N/cm3，就可以得到致密的鑄件。

由此得出鑄型的轉速公式為：

(1)

式中，γ為金屬液體的重度，N/cm3；R為鑄件內表面半徑， cm；n為鑄型轉速，r/min。

根據重力系數確定鑄型的轉速時，其重力倍數與轉速的經驗公式為：

(2)

式中，G為重力系數；R為鑄件內半徑，cm。

按照公式(1)選轉速，如果合金的密度為7.3 g/cm3，則重力系數G為110～181，由于巴氏合金在澆鑄過程中易產生偏析，所以不能采用。經查閱鑄造手冊及相關資料和論文，根據這些資料提供的經驗值，巴氏合金重力系數取值為30～60，按此重力系數計算出來的澆鑄轉速為270～400 r/min，按汽發(fā)公司提供的參考，西門子公司的澆鑄轉速僅為220～265 r/min，對應的重力系數為19～28。

前次生產的產品，汽發(fā)公司主要認為合金面存在肉眼可見色差，因此為了改進色差現象，本次試驗G值取31，按公式(2)計算，轉速為280 r/min，澆鑄完畢后直接噴水冷卻。

2.3離心機轉速測定試驗

為保證實際離心機轉速與設定所要求轉速保持一致，對離心機轉速進行測量，離心機實際轉速與設定轉速比為1∶2。

2.4坯料準備

嚴格按要求進行密封瓦坯料制備及金加工，盡量做到真實的生產過程，為以后的生產打下良好的基礎，如圖4密封瓦金加工前后照片。

圖4　密封瓦金加工前后坯料

3試制試驗

3.1合金澆鑄

本次試制試驗，具體記錄數據如表2所示：

表2　試制試驗記錄表

3.2粗、精車坯料

澆鑄后粗車，著色后結合面完好，無顯色，內圓合金無顯色，外側端面合金有氣孔，但還有2 mm余量，內側端面合金完好，無顯色。

粗車后要求每次進刀2 mm，對合金面進行檢查，直至最終尺寸。

3.3最終檢驗

試制密封瓦著色前后表面均未發(fā)現色差現象，完成了消除色差的預期目標。如圖5所示。

圖5　密封瓦著色前后

3.4第二個試樣

為了驗證此次實驗的效果，再次澆鑄一桶密封瓦，所有澆鑄數據均按第一個試樣操作，加工過程按核電要求操作。

澆鑄完畢粗車后，無肉眼可見色差，直接車至密封瓦備件尺寸，經共同檢查，合金層無肉眼可見色差。車至產品尺寸，經檢查也無肉眼可見色差。但在車到產品尺寸過程中，發(fā)現了兩處夾雜的缺陷。一處位于密封瓦側面哈夫面以上約250 mm處，長約120 mm，再相隔約80 mm處，存在另一處缺陷，長約110 mm，共計長度不超過總長度的1/3。但由于修補焊槍火焰較大，兩處缺陷之間距離不是很遠，為了保證修補的質量，在修補過程中需把兩處缺陷合并修補。該缺陷為夾雜，不影響此次試驗的結論。

4結語

本次試驗主要針對合金澆鑄后有肉眼可見色差的問題，按目前數據澆鑄的密封瓦達到試驗要求。