面向高速工況的軸承材料成形工藝

賈 謙 李躍宗 陳潤霖 奚延輝 董光能 袁小陽

1.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點實驗室，西安，710049

2.西安交通大學(xué)蘇州研究院，蘇州，215123

0 引言

錫基巴氏合金和鉛基巴氏合金為油潤滑軸承的首選潤滑界面材料，其中，鑄造錫基合金ZSnSb11Cu6（美國牌號為B83）的使用最為廣泛［1］。滑動軸承運行中，軸頸與軸瓦接觸區(qū)域溫度起伏波動較大，軸承表面的最大應(yīng)力和最大變形與溫度變化密切相關(guān)［2］。錫基合金自身強度較低，表面硬度隨溫度升高下降明顯，致使巴氏合金對外界溫度的變化十分敏感，巴氏合金在150℃時的硬度和疲勞強度大約是常溫時的1/3［3］?；瑒虞S承與軸頸之間出現(xiàn)潤滑不良或干摩擦?xí)r，巴氏合金軸瓦會因溫度的上升而發(fā)生劇烈的黏著磨損，引起燒瓦事故。通常，可通過加入添加劑的方法來改善巴氏合金的使用性能，特別是提高其在高溫下的硬度［4－5］。加入Cu可阻止巴氏合金中β相的上浮，形成β相分布較均勻的合金材料，此舉可提高巴氏合金的耐溫性能，同樣的硬度下其耐溫性能幾乎可提高2倍［5］。巴氏合金的澆鑄成形過程也很重要。作為軸承材料的錫基巴氏合金，其性能受不同冷卻速度及熱處理方式影響：快速冷卻可減少雜質(zhì)沉降，高溫?zé)崽幚砜墒刮龀鑫锏男螤畈辉偌怃J［6］。將巴氏合金加熱至100℃退火和鐓粗，而后在銷盤試驗機進(jìn)行磨損試驗，發(fā)現(xiàn)處理后巴氏合金的磨損率較未處理前降低了25%，可見對巴氏合金進(jìn)行變形加熱處理可提高其耐磨性［7］。從系統(tǒng)性研究角度來說，提高軸承的性能必須從設(shè)計學(xué)入手，進(jìn)行系統(tǒng)化的材料及成形工藝設(shè)計，并通過集成的方式將技術(shù)手段進(jìn)行組合得到一套完整的工藝［8－9］。

本文對高速磨床電主軸用軸承的材料及其成形過程進(jìn)行了研究，利用公理設(shè)計方法通過對傳統(tǒng)的巴氏合金軸承材料的改性及成形工藝流程的設(shè)計，而不是簡單的試錯來進(jìn)行巴氏合金的性能改進(jìn)，使之在改進(jìn)后能夠適用于高速機床電主軸的工作。針對高速、高可靠性軸承的特殊要求制定了增強巴氏合金耐溫性能、壓縮屈服強度和結(jié)合強度的方案。該方案改進(jìn)了原有軸承巴氏合金材料澆注成形工藝。對比新工藝軸承材料和原工藝軸承材料的機械性能、微觀組織、摩擦學(xué)性能和服役性能可知，新工藝制備的試樣提高了使用溫度和抗壓縮能力，增強了高速下的使用性能，提高了結(jié)合強度，增強了使用可靠性。

1 Cu比例與冷卻工藝改進(jìn)設(shè)計

1.1 工藝改進(jìn)的公理化設(shè)計矩陣

滑動軸承在高速工況下工作時，過大的溫升會使巴氏合金材料的力學(xué)性能變差，導(dǎo)致巴氏合金層變形，油膜厚度增大，承載力降低，甚至使巴氏合金層發(fā)生塑性流變，引起嚴(yán)重?zé)呤鹿?。軸承使用可靠性的提高依賴于軸承材料的結(jié)合強度，持續(xù)變化的剪切力極有可能使高速運轉(zhuǎn)下的軸承發(fā)生巴氏合金材料脫落。本文根據(jù)文獻(xiàn)［10］的公理設(shè)計理論，得到4個域，如圖1所示。與文獻(xiàn)［5］中的4個域有所區(qū)別的是，在增加添加劑改進(jìn)材料性能的基礎(chǔ)之上，增加了澆鑄工藝設(shè)計環(huán)節(jié)，擬通過一整套完備而嚴(yán)格的工藝來保證軸承使用性能的提高。

圖1 材料成形工藝設(shè)計的4個域

軸承工藝改進(jìn)的目標(biāo)是在原有錫基合金澆注成形工藝（稱為“老工藝”）的基礎(chǔ)上提高軸承材料高速下的使用性能。如前所述，巴氏合金材料新工藝過程含用戶域、功能域、物理域和過程域，如表1所示。軸承材料使用性能在功能域｛FR｝中體現(xiàn)，F(xiàn)R1表示提高巴氏合金軟化溫度，F(xiàn)R2表示提高巴氏合金壓縮屈服強度，F(xiàn)R3表示提高巴氏合金與金屬基體的結(jié)合強度。即通過硬度、抗壓強度及結(jié)合強度來提高巴氏合金材料使用性能。

巴氏合金的軟化溫度主要由其微觀結(jié)構(gòu)中β相（SnSb）的密度決定，提高β相密度可增加巴氏合金在高溫下的硬度。圖2所示為巴氏合金的典型金相組織，白色三角或方塊為β相。β相質(zhì)點硬而脆，大的β相在工作過程中易脫落，這種剝落加快了巴氏合金的失效，因此減小β相的晶粒尺寸就成為提高巴氏合金壓縮屈服強度的重要手段。巴氏合金材料與軸瓦背襯的結(jié)合強度主要取決于澆注時的冷卻過程，和冷卻速度有關(guān)。所以，為實現(xiàn)功能域｛FR｝，在物理域｛DP｝中就需要控制β相密度ρβ、β相尺寸sβ及冷卻速度v這幾項指標(biāo)。

表1 巴氏合金材料新工藝過程的4個域

圖2 巴氏合金組織中的β相

過程域｛PV｝中所列的是可控制物理域｛DP｝中各項的工藝保證。巴氏合金中含有Cu，其質(zhì)量一般占合金質(zhì)量的3%～5%，微量的Cu能溶入α固溶體并使之強化，提高材料硬度，Cu還可控制β相的偏析，故本文采取PV1，即添加微量銅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%）以達(dá)到增加原巴氏合金的硬度的目的，并控制β相的尺寸以提高壓縮屈服強度。錫基巴氏合金的熱膨脹系數(shù)為2.3×10－5/K，碳素鋼瓦體的熱膨脹系數(shù)為1.38×10－5/K，兩者相差較大。軸承合金澆鑄后，過快冷卻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能會使軸瓦材料與金屬基體脫離脫殼。高的冷卻速度可以減小晶粒，也可以防止偏析，但過快的冷卻會導(dǎo)致合金層的溫差增大，容易產(chǎn)生縮孔，最后導(dǎo)致合金組織不致密，強度降低，因此要合理選擇冷卻速度。本文選擇的冷卻措施為PV2，即澆注軸瓦后，在液態(tài)合金開始凝固時再水冷，以保持液態(tài)合金的流動性。

1.2 設(shè)計檢驗

在設(shè)計付諸實踐之前，需采用數(shù)學(xué)方法對設(shè)計進(jìn)行檢驗。較佳的設(shè)計應(yīng)滿足公理設(shè)計理論中獨立公理和信息公理的要求。獨立公理要求設(shè)計本身是解耦的；信息公理規(guī)定，設(shè)計中需獲取的新信息的含量應(yīng)盡可能少。由功能域映射到物理域的設(shè)計方程可寫成

式中，X為非零的數(shù)字。

可以看出，設(shè)計矩陣是一個典型的下三角矩陣，因此這個設(shè)計是一個解耦設(shè)計，滿足獨立公理的要求，設(shè)計是成立的。

為了達(dá)到設(shè)計的目標(biāo)即滿足功能（FRs），實施過程中會有多種的設(shè)計方案供選擇，本文提出了3個設(shè)計功能。它們的實施方案都是有工藝保障的，所以在實施過程中幾乎不需要去獲取新的未知知識或信息即可順利完成，這樣的設(shè)計保障性好、可靠性高，屬于較佳的設(shè)計。

2 新工藝與原工藝軸承材料性能對比

對新工藝軸承材料考核的性能有四項：機械性能、微觀組織、摩擦學(xué)性能、服役性能，如圖3所示。分別將新老工藝下制造的軸承材料進(jìn)行試驗對比。

圖3 新老工藝軸承材料性能對比框架

2.1 機械性能測試

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB231－84規(guī)定的布氏硬度試驗測試方法，對新老工藝下制作成形的軸承材料進(jìn)行了硬度檢測，測量溫度為25℃、50℃和90℃，測量結(jié)果見表2。新工藝巴氏合金的布氏硬度在25℃時，增加了25.3%；在90℃時，增加了8.3%。

表2 新老工藝軸承材料硬度隨溫度變化的測量值

巴氏合金的布氏硬度值減少到12HB以下時的溫度稱為軟化溫度，即巴氏合金的極限工作溫度［10］。軸承的安全使用溫度一般應(yīng)為其軟化溫度的60%。通過表2可看出，90℃時，新工藝巴氏合金的布氏硬度高于老工藝巴氏合金的布氏硬度，即新工藝使得巴氏合金的軟化溫度有所提高，提高了軸承的安全使用溫度。

工藝改進(jìn)后，巴氏合金的壓縮屈服極限σ0.2的均值由70.24MPa提高到82.04MPa，見表3。因此，與老工藝巴氏合金相比，新工藝巴氏合金可以應(yīng)用到更高的載荷狀況下。

表3 兩種巴氏合金的壓縮屈服極限 MPa

2.2 微觀組織檢測

金相組織觀察及分析設(shè)備為研究型倒置式金相顯微鏡。圖4為分析試樣照片。

圖4 工藝改進(jìn)前后巴氏合金金相組織比較

從圖4可以看出，添加2%的銅后，巴氏合金中白色方塊狀或三角狀的SnSb分布更加均勻，而且比原工藝時更加細(xì)小，產(chǎn)生了更多細(xì)小的短桿狀或點狀、枝狀的ε相。ε相所組成的骨架阻止了β相的集聚及偏析，使得巴氏合金的組織更加均勻，這說明金屬銅的加入影響到了各組分的分布，且快速冷卻限制了β相晶粒的生長。β相的平均尺寸由40μm降低為30μm，SnSb所占比率變化不大，由15%上升為18%，說明Cu的加入并不影響SnSb的生成。微觀結(jié)構(gòu)中各組相尺寸的縮小將顯提高巴氏合金的強度、塑性和韌性。

2.3 摩擦學(xué)性能測試

試驗設(shè)備為銷盤式試驗機，用巴氏合金制作磨銷，用GCr15制作摩擦盤。試驗時間為30min，分別獲取新老工藝下軸承材料的摩擦因數(shù)和磨損量，實驗結(jié)果見表4。滑動軸承瓦面磨損主要存在于啟停階段，在試驗時需根據(jù)實際工況來設(shè)定試驗參數(shù)。本次試驗設(shè)定參數(shù)為pv值，p為比壓，v為線速度。試驗設(shè)定3組pv值，這三組pv值均為高速磨床電主軸在開始啟動或即將停止轉(zhuǎn)動時軸承瓦面比壓和軸頸線速度的乘積，具有一定代表性?？梢钥闯?，新工藝下軸承材料的減摩能力和抗磨性能都得到了增強。

表4 摩擦學(xué)性能測試結(jié)果

2.4 服役性能測試

采用材料拉伸試驗的方法來評價結(jié)合面的結(jié)合強度，試驗原理為：在2個拉伸試驗件的平面之間澆鑄巴氏合金后，在拉伸試驗機上對試件加載，記錄試件斷裂時的載荷，即可通過計算求出結(jié)合面的結(jié)合強度。試驗在標(biāo)準(zhǔn)GB1174－92《鑄造軸承合金》下指導(dǎo)完成，實驗設(shè)備為Instron 5500R電子拉伸壓縮試驗機，加載速度為0.5mm/min，試驗結(jié)果見表5，可以看出，根據(jù)新工藝鑄造出的試驗件的結(jié)合強度已經(jīng)超過老工藝制作材料的結(jié)合強度。

表5 拉伸試驗結(jié)果

3 新工藝軸承運行的初步試驗考核

為驗證新工藝的可行性，在高速試驗臺上對采用新工藝制造的軸承進(jìn)行初步試驗考核。試驗軸承為5瓦可傾瓦軸承，軸承內(nèi)徑為50mm，軸瓦寬度為20mm，瓦張角為60°，寬頸比為0.4，偏心率為0.107，支點類型為線支撐。試驗轉(zhuǎn)速分別為 8000r/min、15 000r/min，施 加 載 荷 為18.6kN，軸心距平臺的高度為300mm，潤滑油牌號為32＃，進(jìn)油溫度為40℃。試驗獲得了軸承的靜動特性參數(shù)，表6中，Hmin為最小油膜厚度，Q為流量，TD為 溫 升，N為 功 耗，KXX、KXY、KYX、KYY為剛度，CXX、CXY、CYX、CYY為阻尼。試驗軸承運行平穩(wěn)，在溫升19.9℃及42.0℃下，各項指標(biāo)滿足在高速下的使用要求。

表6 試驗軸承的靜特性參數(shù)

4 結(jié)語

本文研究了適用于高速高可靠性軸承的軸承材料成形工藝。針對高速、高可靠性軸承的特殊要求制定了增強巴氏合金耐溫性能、壓縮屈服強度和結(jié)合強度的方案。對原有軸承材料成形工藝進(jìn)行了改進(jìn)，具體做法為：在合金融化時添加微量Cu；澆鑄時設(shè)置控制冷卻速度的新環(huán)節(jié)。新工藝軸承材料提高了使用溫度、抗壓縮能力和結(jié)合強度，改善了減摩抗磨性能。為驗證新工藝的可行性，在高速試驗臺上對采用新工藝制造的軸承進(jìn)行了初步試驗考核，試驗軸承運行平穩(wěn)，各項指標(biāo)滿足在高速下的使用要求。

［1］ 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社第三編輯室，全國滑動軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.中國機械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編滑動軸承卷（上）［M］.2版.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

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