推力軸瓦錫基合金ZSnSb11Cu6與改性聚四氟乙烯研究

謝克非，李金澤，胡 瑞，熊 樂，利盛昕，熊 震

（1.南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江西 南昌330099；2.四川紅華實(shí)業(yè)有限公司，四川 樂山614200；3.贛州市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，江西 贛州341000）

錫基合金ZSnSb11Cu6與改性聚四氟乙烯是國內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)組推力軸瓦的兩種瓦體材質(zhì)[1]。錫基合金其應(yīng)用可以追溯到工業(yè)革命時(shí)代[2]，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為銻3%～15%，銅2%～6%，鎘＜1%，錫余量。具有減摩特性的錫基巴氏合金是最適合相對于低硬度軸轉(zhuǎn)動的材料，我國水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承引進(jìn)其材質(zhì)使用至今[3]。近幾十年,我國的部分水電站開始采用彈性金屬塑料瓦代替巴氏合金瓦作為水輪發(fā)電機(jī)組推力軸瓦瓦體材料使用[4]，以東方電機(jī)等公司生產(chǎn)的改性聚四氟乙烯塑料瓦最具有代表性。但由于改性聚四氟乙烯推力瓦屬于新生事物，應(yīng)用效果和可靠性有待商榷，部分傳統(tǒng)電站和新電站繼續(xù)采用錫基合金ZSnSb11Cu6作為推力瓦材質(zhì)。對錫基合金ZSnSb11Cu6與改性聚四氟乙烯進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)分析，對比分析2種材質(zhì)的優(yōu)劣性，為電站提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)參考和技改支撐[5-6]。

1 推力軸瓦的耐溫性

推力軸瓦在日常工作中，會因機(jī)組開機(jī)停機(jī)，瓦面摩擦等過程導(dǎo)致瓦面溫度劇烈攀升。以推力軸瓦運(yùn)行工況為前提基準(zhǔn)，首先對錫基合金（ZSnSb11Cu6）瓦和改性聚四氟乙烯瓦采用熱差分析法（DTA）測試。獲得錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性四氟乙烯詳細(xì)的熱差曲線及溫度變化過程，分析各項(xiàng)特征溫度[7-9]。

1.1 錫基合金ZSnSb11Cu6耐溫性實(shí)驗(yàn)

錫基合金（ZSnSb11Cu6）采用熱差分析測試的方式進(jìn)行耐溫性測量。取一定的錫基合金（ZSnSb11Cu6）試樣進(jìn)行坩堝稱重，天平計(jì)量后減去干鍋的重量得到錫基合金（ZSnSb11Cu6）試樣的凈重，實(shí)驗(yàn)儀器要求試樣凈重選擇30 mg。以室溫為參考值，以10℃/min的升溫速度從室溫升提升到300℃，氮?dú)鈼l件下進(jìn)行，氮?dú)鈿饬髁繛?00 mL/min。實(shí)驗(yàn)過程中儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)繪制與編排，測得試樣的熱流/熱重曲線如圖1。

錫基合金（ZSnSb11Cu6）耐溫性實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出藍(lán)色、綠色和紅色3條曲線，DTA熱流曲線為綠色曲線，TG熱重曲線為藍(lán)色曲線，DDTA微分差熱曲線為紅色曲線。對熱流曲線與微分差熱曲線的觀察，可以了解到錫基合金（ZSnSb11Cu6）的吸熱峰、放熱峰及曲線上的特征值；對TG曲線的觀察，了解錫基合金（ZSnSb11Cu6）的重量減少速率。最終通過TG、DTA和DDTA曲線的觀察分析，得到錫基合金（ZSnSb11Cu6）的溫升變化過程，獲得錫基合金（ZSnSb11Cu6）的各項(xiàng)溫度特征值（Temp Cel）。

圖1 錫基合金（ZSnSb11Cu6）TG/DTA曲線Fig.1 TG/DTA curve of Tin alloy ZSnSb11Cu6

錫基合金（ZSnSb11Cu6）DTA曲線中，有3個(gè)較為明顯的吸熱谷，在溫度達(dá)到184.8℃時(shí)吸熱反應(yīng)首先發(fā)生，電位差此時(shí)為11.53μV，在溫度達(dá)到190.1℃時(shí)，達(dá)到吸熱峰值，即最大吸熱量，電位差此時(shí)為0.97μV；在溫度為220.3℃時(shí)出現(xiàn)第2個(gè)吸熱反應(yīng)，在溫度為246.3℃時(shí)出現(xiàn)第3個(gè)吸熱反應(yīng)，熱重曲線中，第2個(gè)吸熱反應(yīng)峰發(fā)生大幅度波動。

1.2 改性聚四氟乙烯耐溫性實(shí)驗(yàn)

與錫基合金（ZSnSb11Cu6）實(shí)驗(yàn)條件及步驟相同，對改性聚四氟乙烯進(jìn)行熱差分析測試。改性聚四氟乙烯熱重/熱流曲線中，較為明顯的吸熱反應(yīng)和放熱共有3處，微分差熱曲線也與之相互對應(yīng)。

在溫度達(dá)到321.3℃時(shí)開始發(fā)生初次吸熱反應(yīng)過程，電位差此時(shí)為12.96μV，在溫度達(dá)到329.8℃時(shí)，達(dá)到初次吸熱反應(yīng)峰值，電位差此時(shí)為10.37μV；第2個(gè)吸熱反應(yīng)過程在溫度為511.3℃時(shí)出現(xiàn)，電位差為12.60μV，溫度為559.2℃時(shí)達(dá)到第2個(gè)吸熱過程最大吸熱反應(yīng)量，此時(shí)為改性聚四氟乙烯最大吸熱量，峰值處電位差為3.57μV；在溫度為246.3℃時(shí)出現(xiàn)第3個(gè)吸熱反應(yīng)。此外，在熱重曲線中，在第2個(gè)吸熱反應(yīng)峰值處出現(xiàn)強(qiáng)烈波動，熱重?zé)崃髑€如圖2所示。

圖2 改性聚四氟乙烯TG/DTA曲線Fig.2 TG/DTA curve of PTFE

2 推力瓦材質(zhì)的硬度

由外界施加壓力導(dǎo)致材料發(fā)生相對抵抗外壓的能力，這種能力稱為硬度。材料對外界物體入侵的這種局部抵抗能力，硬度一定程度上影響著金屬的屈服強(qiáng)度，發(fā)電機(jī)組上常應(yīng)用此方法來進(jìn)行間接比較各種材料的屈服強(qiáng)度[10]。此外，推力瓦運(yùn)行工況中，材質(zhì)軟硬度也是影響瓦體材質(zhì)的重要因素之一。通過對錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯進(jìn)行維氏硬度（宏觀）實(shí)驗(yàn)，獲得并處理數(shù)據(jù)，得到錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯的硬度值[11]。

3 錫基合金ZSnSb11Cu6、改性聚四氟乙烯硬度

用鋸尺將錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯初步加工為14 mm3的立方體，然后使用銑刀再進(jìn)行精加工，精加工為10 mm3的立方體，最后使用機(jī)械拋光機(jī)將其拋光成鏡面，制好試樣。緊接著，將試樣塊進(jìn)行打點(diǎn)測量。以任一鏡面邊的中心點(diǎn)開始往面中心點(diǎn)打點(diǎn)，打點(diǎn)數(shù)目至6點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將測量的維氏硬度值進(jìn)行匯總，如表1。

表1 維氏硬度測量匯總數(shù)據(jù)Tab.1 Vickers hardness measurement data

將表1中的維氏硬度測量匯總數(shù)據(jù)用Origin軟件進(jìn)行曲線刻畫，觀察兩種材料硬度曲線的離散和穩(wěn)定狀況，如圖3所示。在圖3中可以發(fā)現(xiàn)，錫基合金（ZSnSb11Cu6）改性聚四氟乙烯的維氏硬度曲線都存在一個(gè)波動范圍區(qū)間。錫基合金（ZSnSb11Cu6）的硬度范圍區(qū)間在60～80 N/mm2之間，改性聚四氟乙烯的硬度范圍區(qū)間在14～15 N/mm2之間。并且，從Origin硬度曲線上可以觀察出，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的硬度測量值波動情況大，離散情況明顯；改性聚四氟乙烯的硬度曲線平緩穩(wěn)定，相對波動不明顯。

圖3 維氏硬度曲線Fig.3 Vickers hardness curve

計(jì)算處理上表1的錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯的維氏硬度值，經(jīng)過算數(shù)平均數(shù)的計(jì)算，得出兩種材質(zhì)的維氏硬度均值，將其均值作為錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯的硬度參考值，計(jì)算過程如下

通過上述的算數(shù)平均數(shù)的計(jì)算，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的硬度參考值為70.325 N/mm2，改性聚四氟乙烯的硬度參考值為14.450 N/mm2。

4 推力瓦材質(zhì)的摩擦磨損性能

摩擦磨損性能是影響軸承耐久性又一重要性能之一[12]。將錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯瓦加工成7.6 mm的銷試樣，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的對磨材料選用的為45號鋼，將45號鋼通過機(jī)械冷加工成58 mm的圓柱體，并在圓柱體其中心處挖取直徑為14 mm，高度為5 mm左右的凹型槽，用于摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)下沉安裝國定螺絲，并且用砂紙將其打磨成粗糙面。

經(jīng)過預(yù)先實(shí)驗(yàn)加載，錫基合金（ZSnSb11Cu6）5 kg荷載時(shí)出現(xiàn)較明顯磨損；因此選定在5 kg荷載、油潤滑（46號機(jī)油）的條件下進(jìn)行詳細(xì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中分別對錫基合金（ZSnSb11Cu6）試樣，改性四氟乙烯試樣進(jìn)行200，400，600 r/min摩擦實(shí)驗(yàn)，磨損實(shí)驗(yàn)[13]。其中，24 h磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果做為磨損標(biāo)準(zhǔn)[14]，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)完成后，收集匯總數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)繪制成圖，錫基合金（ZSnSb11Cu6）曲線如圖4所示。

在200 r/min下，錫基合金（ZSnSb11Cu6）摩擦系數(shù)在0.08到0.10之間進(jìn)行波動，摩擦系數(shù)0.092為200 r/min條件下摩擦系數(shù)最終均值；在400 r/min下，錫基合金（ZSnSb11Cu6）摩擦系數(shù)在0.09～0.11之間進(jìn)行波動，摩擦系數(shù)0.087為400 r/min條件下摩擦系數(shù)的最終均值；在600 r/min下，錫基合金（ZSnSb11Cu6）摩擦系數(shù)發(fā)生下滑現(xiàn)象，錫基合金（ZSnSb11Cu6）屈服強(qiáng)度已達(dá)到該種材料的極限，開始發(fā)生損壞，摩擦系數(shù)最終降至0.041。

圖4 5 kg荷載-錫基合金（ZSnSb11Cu6）Fig.4 5 kg load-tin alloy(ZSnSb11Cu6)

采用電子天平，對實(shí)驗(yàn)后錫基合金（ZSnSb11Cu6）進(jìn)行稱重，與實(shí)驗(yàn)前稱重值進(jìn)行對比計(jì)算，錫基合金（ZSnSb11Cu6）磨損條件為200 r/min時(shí)，計(jì)算磨損量為0.149 g，錫基合金（ZSnSb11Cu6）磨損實(shí)驗(yàn)為400 r/min時(shí)，計(jì)算磨損量為0.132 5 g，錫基合金（ZSnSb11Cu6）磨損實(shí)驗(yàn)條件為600 r/min時(shí)，計(jì)算磨損量為0.178 9 g。5 kg荷載下，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的磨損現(xiàn)象開始顯著突出。

圖5 5 kg荷載-改性聚四氟乙烯Fig.5 5 kg load-modified PTFE

如圖5所示，改性聚四氟乙烯5 kg荷載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，改性聚四氟乙烯在200 r/min摩擦?xí)r，基本趨于平穩(wěn)，摩擦系數(shù)在0.01上下波動，摩擦系數(shù)最終的計(jì)算均值為0.01；改性聚四氟乙烯在400 r/min摩擦?xí)r，摩擦系數(shù)在0.01～0.03區(qū)間內(nèi)波動，波動情況較為劇烈，摩擦系數(shù)最終的計(jì)算均值為0.039；600 r/min下，改性聚四氟乙烯摩擦曲線，曲線在0.01～0.04之間波動，最終摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.05。

通過電子天平稱重，200 r/min實(shí)驗(yàn)條件下，0.001 g為改性聚四氟乙烯實(shí)驗(yàn)前后磨損量；400 r/min實(shí)驗(yàn)條件下，0.000 1 g為改性聚四氟乙烯實(shí)驗(yàn)前后磨損量；600 r/min實(shí)驗(yàn)下，0.093 g為改性聚四氟乙烯實(shí)驗(yàn)前后磨損量。5 kg荷載的條件下，改性聚四氟乙烯磨損量微小。

5 結(jié)論

1）錫基合金（ZSnSb11Cu6）在溫度處于184℃左右時(shí)，材料出現(xiàn)大規(guī)模分解，溫度在184℃之前，錫基合金（ZSnSb11Cu6）材料自身可以正常發(fā)揮各項(xiàng)性能；改性聚四氟乙烯在溫度處于511.3℃左右時(shí)，材料出現(xiàn)大規(guī)模分解，溫度在320℃之前，改性聚四氟乙烯能保證性能的正常發(fā)揮，在500℃以上時(shí)，性能發(fā)生大規(guī)模衰減。改性聚四氟乙烯材質(zhì)耐溫性明顯強(qiáng)于錫基合金（ZSnSb11Cu6）材質(zhì)，更能面對復(fù)雜的高溫現(xiàn)象。

2）改性聚四氟乙烯的硬度計(jì)算值為14.450，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的硬度計(jì)算值為70.325，改性聚四氟乙烯材質(zhì)比巴氏合金材質(zhì)硬度更小，更不會損傷對磨鏡板等材質(zhì)。

3）摩擦系數(shù)0.08～0.1之間為錫基合金（ZSnSb11Cu6）的摩擦系數(shù)范圍，摩擦系數(shù)0.01～0.04之間為改性聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)范圍，相比較，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于改性聚四氟乙烯，在24 h摩擦磨損實(shí)驗(yàn)下，0.13～0.18 g為錫基合金（ZSnSb11Cu6）的磨損量范圍，0.000 1～0.093 g為改性聚四氟乙烯的磨損量范圍，磨損量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于錫基合金（ZSnSb11Cu6），耐磨性突出明顯。

4）綜合以上性能的研究，改性聚四氟乙烯塑料瓦比錫基合金（ZSnSb11Cu6）的性能更加優(yōu)良，更加耐磨。在水輪發(fā)電機(jī)組推力瓦材質(zhì)的選擇中，改性聚四氟乙烯比錫基合金（ZSnSb11Cu6）工程應(yīng)用性更好。