影響軸瓦三元(Pb-Sn-Cu)鍍層質(zhì)量的因素及分析

孟 超， 張 潤(rùn)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

引 言

軸瓦也叫滑動(dòng)軸承，它在軸與座孔之間主要起支承載荷和傳遞運(yùn)動(dòng)的作用。軸瓦有整體式和剖分式兩種，整體式軸瓦通常稱(chēng)為軸套。軸瓦在工作時(shí)，與轉(zhuǎn)軸之間應(yīng)有一層很薄的油膜起潤(rùn)滑作用，否則軸瓦與轉(zhuǎn)軸就存在摩擦，會(huì)出現(xiàn)燒瓦的現(xiàn)象。

軸瓦的結(jié)構(gòu)型式有：整體銅合金、整體鋁合金、鋼背+減摩合金層、鋼背+減摩合金層+鍍層。目前世界各國(guó)多采用后兩種，其中又都把主要精力集中在減摩層和鍍層的選材上，因?yàn)樗鼈冎苯記Q定了軸瓦的工作穩(wěn)定性和使用壽命[1-2]。軸承采用的減摩材料主要有：錫基或鉛基巴氏合金、銅基合金、鋁基合金和其他軸承合金等。

目前，國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)銅基合金和鋁基合金的軸瓦。銅基軸瓦具有承載能力強(qiáng)、疲勞強(qiáng)度高、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，迄今仍是內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用最廣的軸承減磨材料。但銅基合金軸瓦也存在著磨合性差、嵌藏性差等缺點(diǎn)，容易傷軸。鋁基軸瓦是二十世紀(jì)二三十年代發(fā)展起來(lái)的，具有質(zhì)量輕、價(jià)格低廉、耐腐蝕性好等特點(diǎn)，作為滑動(dòng)軸承的減磨材料引起了人們的廣泛關(guān)注。

1 軸瓦鍍層的發(fā)展

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高及負(fù)載的加重，對(duì)軸瓦的要求也越來(lái)越高。為了使軸瓦滿(mǎn)足工作要求，通常在軸瓦的內(nèi)表面電鍍一層合金以提高性能。

減摩鍍層在國(guó)外的研究起步較早。1920 年由格羅奧夫(J.Grooff)提出了電鍍鉛錫合金的第一個(gè)專(zhuān)利，并用于海軍魚(yú)雷儲(chǔ)氣瓶的內(nèi)表面電鍍，到二十世紀(jì)四十年代開(kāi)始用于軸瓦的電鍍[3]。減摩鍍層在國(guó)內(nèi)的研究及應(yīng)用起步比較晚。在電鍍鍍層軸瓦方面，20 世紀(jì)70年代，上海合金軸瓦廠(chǎng)及上海滬東造船廠(chǎng)詳細(xì)研究了軸瓦電鍍合金工藝[4]。

鍍層按合金元素分類(lèi)：有二元電鍍、三元電鍍、四元電鍍等。多元減摩合金鍍層主要有鉛基合金和錫基合金兩大類(lèi)，近幾十年來(lái)，最廣泛應(yīng)用的 Pb-Sn-Cu 鉛基三元合金電鍍，是一般車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦表面處理的首選[5]。鍍層不僅可以改善軸承的耐腐蝕性、嵌藏性和順應(yīng)性,而且還能提高軸瓦的承載能力和疲勞強(qiáng)度。

2 影響軸瓦鍍層質(zhì)量的因素及分析

2.1 前處理對(duì)軸瓦鍍層質(zhì)量的影響及分析

要想在軸瓦上得到優(yōu)良的鍍層，前處理是非常主要的一環(huán)。軸瓦的表面不干凈，鍍層的結(jié)合力會(huì)受到很大的影響。軸瓦的前處理工藝主要有化學(xué)除油、電解、酸洗等。

化學(xué)除油的目的主要用來(lái)去除軸瓦表面的油污，包括防銹油、加工時(shí)的油污等。溶液為弱堿性，同時(shí)含有少量的潤(rùn)濕劑。電解是利用電極的極化作用，產(chǎn)生大量氣體使軸瓦表面的油膜迅速脫離,轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小油珠被除去。酸洗的目的是為了出去軸瓦表面的氧化膜及其它雜質(zhì)，否則得不到合格的鍍層。

2.2 鍍層組分對(duì)軸瓦鍍層質(zhì)量的影響及分析

三元鍍層中的錫可以提高鍍層的耐腐蝕性，還能增強(qiáng)鍍層的硬度和強(qiáng)度。鍍層中含錫量通常為：8%～12%，要保證鍍層有足夠的耐腐蝕性，錫的最低含量為3%。三元鍍層中的銅可以提高鍍層的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。但如果含銅量過(guò)多,則鍍層的脆性會(huì)增加,疲勞強(qiáng)度會(huì)降低。綜合考慮疲勞強(qiáng)度和耐磨性減摩,應(yīng)該將含銅量控制在適當(dāng)?shù)姆秶鸀?%～3%。

若在減摩合金上直接電鍍，那么鍍層中的錫會(huì)向減摩合金擴(kuò)散。錫與減摩合金中的銅發(fā)生反應(yīng)，生成Cu3Sn，使軸瓦的脆性增大，鍍層的機(jī)械性能下降。為了解決此問(wèn)題，常見(jiàn)的做法是在減摩合金和鍍層之間，鍍一層鎳或鎳基合金阻擋層(又稱(chēng)柵層或阻擋層)，抑制錫的擴(kuò)散。軸瓦結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 軸瓦結(jié)構(gòu)圖

軸瓦在鍍?nèi)螅瑫?huì)在雙側(cè)表面鍍錫，主要目的是防銹、減摩、防腐蝕。

2.3 鍍液對(duì)軸瓦鍍層質(zhì)量的影響及分析

鍍液和鍍層質(zhì)量是密切相關(guān)的。由于氟硼酸鹽體系溶液穩(wěn)定性好，分散能力較高，常被選取為軸瓦鍍?nèi)娜芤?。鍍液中的亞錫離子、銅離子和鉛離子是電鍍鉛錫銅合金鍍層的主要成份,也是控制合金組成的主要因素。其中Sn2+、Cu2+的含量對(duì)鍍層的組成影響最為明顯[6]。鍍液組成，如表1所示。

表1 鍍液組成

游離氟硼酸對(duì)鍍層的影響不大，主要作用是溶解合金陽(yáng)極，補(bǔ)充鍍液中消耗的金屬離子，維持溶液的酸度,有效防止Sn2+的水解,提高鍍液穩(wěn)定性。

鍍液在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)沉積的現(xiàn)象，會(huì)造成鍍液中離子分布不均勻，從而影響鍍層質(zhì)量，而且長(zhǎng)期的生產(chǎn)中也會(huì)出現(xiàn)一些雜質(zhì)。在生產(chǎn)中，給鍍液配置循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)，使鍍液循環(huán)起來(lái)，可以保證鍍液的均勻性，濾除生產(chǎn)中產(chǎn)生的沉淀和雜質(zhì)。

2.4 掛具對(duì)軸瓦鍍層的影響及分析

為了避免鋼背外表面鍍上鍍層，影響軸瓦的尺寸精度，并造成金屬離子的浪費(fèi)，對(duì)軸瓦采取了保護(hù)措施。方法是制作不銹鋼罩(內(nèi)壁安裝磁鐵)作為輔助陰極,軸瓦安裝后，將不銹鋼罩吸附在軸瓦上。輔助陰極與掛具的導(dǎo)電部分采用快接式接頭能夠方便接插，當(dāng)在自動(dòng)線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)隨著掛具的下落，輔助陰極導(dǎo)電，改變了電力線(xiàn)的方向，提高鍍層了的均勻度[7]。

掛具采用板式掛具，能適應(yīng)大批量生產(chǎn)，效率高，操作簡(jiǎn)單,減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，掛具選用耐酸堿腐蝕的PP板。軸瓦一列列放置在掛具上，與軸瓦內(nèi)表面相對(duì)的背板上開(kāi)條縫，以不斷補(bǔ)充鍍液。條縫的寬度與軸瓦的尺寸相關(guān)，條縫太寬或太窄都會(huì)影響電力線(xiàn)的不規(guī)則分布，從而影響鍍層質(zhì)量。為了適應(yīng)不同尺寸的軸瓦，采用的做法是在掛具的背板上加工一寬的條縫，并制作外形一致、條縫寬度不同的的插板，根據(jù)軸瓦的尺寸大小，將對(duì)應(yīng)的插板插入掛具，如圖2所示。插板的外形，如圖3所示。插板條縫的兩側(cè)做一臺(tái)階，目的是為了得到均勻的電力向。

圖2 掛具示意圖

圖3 插板示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

1)三元鍍層可以提高軸瓦的耐腐蝕性、硬度、嵌藏性等，滿(mǎn)足使用需求，但是鍍層中的鉛是有毒金屬，在生產(chǎn)中會(huì)污染環(huán)境，影響人的身體健康。含鉛的軸瓦在以后的使用中會(huì)越來(lái)越少。

2)隨著科技的快速發(fā)展，軸瓦材料的范圍也在不斷的擴(kuò)大，塑料軸瓦、陶瓷軸瓦等的應(yīng)用也再增加。

3)軸瓦也可以經(jīng)過(guò)磁控濺射的方式制作涂層，這種方式無(wú)污染、安全性高、沉積速率快。目前，磁控濺射在軸瓦行業(yè)用的很少，將來(lái)會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。