大型汽輪機軸瓦巴氏合金離心澆注工藝研究

覃文杰 王 琨(東方汽輪機有限公司，四川618000)

我公司制造的某百萬等級大型火電汽輪機機組中，低壓模塊支持軸承采用上下半結(jié)構(gòu)的橢圓軸承，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。上下半軸瓦通過螺栓連接后，在內(nèi)孔用離心鑄造的方法澆注一層巴氏合金而形成軸瓦。軸瓦選擇與巴氏合金結(jié)合較好的25鋼鍛件材料，巴氏合金選擇高溫性能較好的WJ2B合金材料，巴氏合金成分見表1。軸瓦外圓?1054 mm，內(nèi)孔?559 mm，軸向高度444.4 mm，重量超過了2 t，毛坯厚度達到了250 mm，是目前在制火電汽輪機產(chǎn)品中外形尺寸最大、重量最重、壁厚最厚的支持軸承軸瓦。

該軸瓦巴氏合金在離心澆注過程中存在以下3個難點：

(1)設(shè)備能力載荷問題：離心澆注設(shè)備載荷必須超過2 t，否則無法完成巴氏合金離心澆注。我公司現(xiàn)有臥式離心澆注機最大載荷達到了4 t，澆注外形尺寸可達到?1200 mm，滿足設(shè)備能力需求。

圖1 低壓支持軸承軸瓦結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of low pressure supporting bearing bush

表1 WJ2B合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of WJ2B alloy (mass fraction,%)

(2)超大內(nèi)孔散熱快問題：超過?500 mm的內(nèi)孔散熱快，巴氏合金離心澆注過程容易形成糊狀結(jié)晶，使合金層內(nèi)形成縮松組織缺陷，主要表現(xiàn)為巴氏合金加工后滲透檢測出現(xiàn)的點狀或片狀缺陷。

(3)壁厚不均勻及過厚問題：球面結(jié)構(gòu)的橢圓軸承壁厚不均勻，澆注后快速冷卻過程合金收縮不一致，形成脫殼缺陷；250 mm的壁厚不利于巴氏合金快速凝固，容易產(chǎn)生嚴重的比重偏析，造成合金層脫殼，主要表現(xiàn)為超聲檢測不合格。

根據(jù)以上分析，必須制定合理的巴氏合金離心澆注工藝方可解決實際問題，實現(xiàn)汽輪機機組的制造任務(wù)。因此，特對該軸瓦進行技術(shù)分析和質(zhì)量攻關(guān)，以滿足軸承巴氏合金超聲檢測和滲透檢測要求。

1 巴氏合金離心澆注工藝分析

1.1 離心澆注流程

巴氏合金離心澆注工藝流程如下：毛坯來料→預(yù)處理→鍍錫→離心澆注→停機緩冷→巴氏合金加工→無損檢測→完工。

1.2 毛坯來料設(shè)計

為保證巴氏合金離心澆注過程快速冷卻均勻，軸瓦毛坯來料設(shè)計為兩個半圈的筒狀結(jié)構(gòu)，澆注完畢后再通過機械加工實現(xiàn)外圓球面結(jié)構(gòu)。軸瓦毛坯結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 軸瓦毛坯來料設(shè)計示意圖Figure 2 Design sketch of bearing bush blank material

1.3 預(yù)處理工藝設(shè)計

軸瓦除須經(jīng)過去氫處理和巴氏合金澆注前精加工外，還需對內(nèi)孔進行噴丸處理以及內(nèi)孔表面活化處理等預(yù)處理工藝。噴丸處理確保所有的內(nèi)孔覆蓋率達100%，采用低碳鋼鋼丸，直徑不得超過?3 mm。噴丸處理的目的是強化軸瓦內(nèi)孔，提高本體與巴氏合金的結(jié)合能力?；罨幚韯t在噴丸處理及清洗后，在內(nèi)孔涂刷一層飽和氯化鋅溶液。

1.4 鍍錫工藝設(shè)計

鍍錫溫度對巴氏合金澆注起著重要作用，鍍錫溫度過低會造成錫液流動性差，不利于雜質(zhì)去除；鍍錫溫度過高則鍍錫層氧化嚴重，結(jié)合層增加氧化物而降低結(jié)合強度。因此，必須制定合理的鍍錫工藝方可保證鍍錫質(zhì)量。鍍錫工藝分為預(yù)鍍錫、組裝、終鍍錫三部分。在鍍錫爐內(nèi)進行鍍錫。錫的熔點為231.9℃，屬于低熔點金屬。為保證鍍錫過程錫液的流動性，鍍錫溫度設(shè)置在高于熔點的50～100℃之間。結(jié)合我公司鍍錫工藝，設(shè)定鍍錫溫度在280～320℃之間。由于軸瓦壁厚較厚，鍍錫浸泡過程會使錫液溫度下降嚴重，故浸泡時間需保證錫液回升至280℃方可出爐。并且用鋼絲刷配合氯化銨粉末在內(nèi)孔進行刷鍍，直至呈鏡面狀。刷鍍時間約為5～10 min。上下半軸瓦各自預(yù)鍍錫完成后再用螺栓連接組裝成整體，然后返回鍍錫爐內(nèi)完成終鍍錫。終鍍錫完成后迅速上離心機裝夾及澆注。

1.5 離心澆注工藝設(shè)計

離心澆注工藝設(shè)計包括澆注溫度、離心轉(zhuǎn)速、澆注重量、冷卻方式等參數(shù)的設(shè)計。

1.5.1 澆注溫度設(shè)計

三元錫基巴氏合金的澆注溫度由Cu含量決定，一般高出初晶溫度50～100℃即可。WJ2B合金的結(jié)晶區(qū)間在240～410℃之間，其初晶ε(Cu6Sn5)結(jié)晶溫度在410℃左右。結(jié)合我公司的巴氏合金澆注工藝，設(shè)定WJ2B澆注溫度在500±10℃。澆注前必須精煉合金液，使用松香還原和氯化銨粉末除氣。精煉完畢后應(yīng)在10 min內(nèi)完成澆注。

1.5.2 離心轉(zhuǎn)速設(shè)計

離心機轉(zhuǎn)速的大小嚴重影響著澆巴層的質(zhì)量。離心機轉(zhuǎn)速過慢，則不利于夾雜和氣體的排出；離心機轉(zhuǎn)速過快，則容易造成嚴重的比重偏析。離心轉(zhuǎn)速基于離心力公式為基礎(chǔ)計算。根據(jù)離心力計算公式可得：

ν=ωr=2πrn

(1)

轉(zhuǎn)速取決于線速度ν和半徑r。對于大型軸瓦離心澆注，一般工程上線速度ν取7～9 m/s。結(jié)合我公司離心澆注轉(zhuǎn)速表，設(shè)定離心轉(zhuǎn)速在260～290 r/min，即線速度在7.5～8.5 m/s之間。

1.5.3 澆注重量設(shè)計

巴氏合金澆注重量通過澆注厚度來衡量。如果澆注過薄，端面補縮可能會較差；澆注過厚，則合金凝固過慢，偏析嚴重。為確保合金層足夠的補縮以及合理的機械加工余量，通常巴氏合金澆注厚度控制在20 mm左右。質(zhì)量計算公式如下：

M=ρV=ρ(πR2-πr2)h=ρπh(D-k)k

(2)

式中，ρ為密度，巴氏合金密度約為7.4 kg/m3；V為體積；h為軸向高度；D為軸瓦內(nèi)徑；k為澆注厚度。

因此，根據(jù)以上公式可得，該軸瓦巴氏合金澆注重量M≈120 kg。

1.5.4 冷卻方式設(shè)計

巴氏合金離心澆注過程中，冷卻方式?jīng)Q定著冷卻速度。冷卻方式包括水冷、霧冷、氣冷及空冷，其中水冷冷卻速度最快，霧冷次之，氣冷再次之，空冷最慢。冷卻速度對巴氏合金層的質(zhì)量存在較大影響，冷卻速度快，合金層致密，可有效防止比重偏析，但過大的冷卻梯度容易形成應(yīng)力導(dǎo)致巴氏合金脫殼；冷卻速度慢，合金層晶粒粗大，合金層致密性差，偏析嚴重，合金層可能存在疏松缺陷及嚴重偏析造成的脫殼缺陷。必須制定合理的冷卻工藝以保證合金層質(zhì)量。通常巴氏合金澆

表2 軸瓦離心澆注工藝參數(shù)Table 2 Centrifugal casting parameters of bearing bush

注工藝采用水冷方式配合澆注完畢的保溫緩冷措施防止脫殼。本項目軸瓦基于該方式以及壁厚250 mm考慮，必須用水冷方式快速冷卻降低比重偏析，避免產(chǎn)生脫殼缺陷。同時在冷卻時間規(guī)定上，根據(jù)我公司的澆注工藝規(guī)范，壁厚達到250 mm的軸瓦，水冷時間保證在12 min左右。

根據(jù)上述要求，預(yù)先在離心機工作下方沿軸瓦軸向高度方向均勻布置冷卻通道，保證軸向高度所有區(qū)域均勻冷卻。達到預(yù)定轉(zhuǎn)速及澆注合金后，立即開啟冷卻水強行冷卻，保持12 min。到達時間后再風冷30 min左右，停機取下，放入保溫箱保溫緩冷。

2 離心澆注工藝確定及澆注結(jié)果

基于以上設(shè)計分析，制定了如表2所示工藝參數(shù)。

按照表2的工藝參數(shù)完成了巴氏合金澆注。合金層機械加工后超聲檢測一次合格，未出現(xiàn)脫殼缺陷；滲透檢測合金面，未發(fā)現(xiàn)顯示缺陷。滿足了軸承制造標準要求，順利完成了某機組低壓支持軸承制造任務(wù)。

3 結(jié)論

通過對某大型汽輪機低壓支持軸承軸瓦巴氏合金離心澆注工藝研究分析，制定了合理的工藝參數(shù)，順利完成了該項目低壓支持軸承制造任務(wù)，滿足了軸承制造要求，提高了軸承制造技術(shù)水平。

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