基于提高巴氏合金軸瓦質(zhì)量科學(xué)性分析研究

安建勇

(太原市掛車制造廠，山西太原 030024)

0 引言

滑動(dòng)軸承是各類機(jī)械設(shè)備中的一個(gè)重要零部件，軸承的效能直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)器的效率和安全運(yùn)行。在較大沖擊、壓力和相互滑動(dòng)過程中，軸瓦容易發(fā)生磨損，為確保合金軸瓦的安全運(yùn)行，提高和保證軸瓦質(zhì)量顯得特別重要。

目前，在低碳鋼基體上澆鑄巴氏合金是軸瓦制造通常采用的工藝方法。但是采用該工藝制造的產(chǎn)品質(zhì)量不易保證，容易出現(xiàn)超聲波探傷(UT)脫殼和滲透探傷(PT)不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等情況，影響產(chǎn)品質(zhì)量。為了探討如何提高巴氏合金軸瓦質(zhì)量的方法，我們采用了因果分析圖的科學(xué)分析方法對(duì)影響巴氏合金軸瓦的因素進(jìn)行分析，主要闡述了在巴氏合金軸瓦澆鑄過程中在胎具設(shè)計(jì)上進(jìn)行了創(chuàng)新，采用壓胎的方法；嚴(yán)格控制巴氏合金液體純度；嚴(yán)格控制巴氏合金融化溫度；加快冷卻速度；對(duì)巴氏合金液體進(jìn)行多次精煉及定期對(duì)操作者進(jìn)行培訓(xùn)等措施，有效解決了軸瓦超聲波探傷(UT)脫殼和滲透探傷(PT)不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等問題。

1 巴氏合金軸瓦檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 鑄造錫基軸承合金的化學(xué)成分見表1。

表1 鑄造錫基軸承合金的化學(xué)成分

1.2 鑄造軸承合金的力學(xué)性能及物理性能見表2。

表2 鑄造軸承合金的力學(xué)性能及物理性能

1.3 超聲波探傷(UT)允許的缺陷見表3。

表3 超聲波探傷(UT)允許的缺陷

1.4 著色探傷允許缺陷見表4。

表4 著色探傷(PT)允許的缺陷

1.5 軸瓦巴氏合金層澆鑄要求

在機(jī)電行業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18329中規(guī)定了用超聲波探傷和著色探傷檢查巴氏合金結(jié)合面操作方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

2 巴氏合金軸瓦制備工藝

(1) 軸瓦的制備工序：瓦坯的機(jī)械粗加工→巴氏合金的澆鑄→巴氏合金的粗加工→UT探傷→軸瓦的精加工

(2) 軸瓦巴氏合金鑄造工藝路線：瓦坯的預(yù)熱→瓦坯搪錫→裝卡→巴氏合金的澆注→水冷→開模

3 影響巴氏合金軸瓦質(zhì)量的因素分析

針對(duì)軸瓦生產(chǎn)工序及實(shí)際生產(chǎn)工況，通過因果分析圖的科學(xué)分析方法，對(duì)可能產(chǎn)生的影響因素進(jìn)行了梳理(如圖1)，并且確定主要因素。

圖1 因果分析圖

3.1 巴氏合金層澆鑄厚度大小直接影響巴氏合金與基體的結(jié)合強(qiáng)度。在軸瓦澆鑄巴氏合金液體時(shí)，巴氏合金液體是逐漸順序凝固的，軸瓦從高溫降至室溫。在這個(gè)過程中，巴氏合金與瓦體同時(shí)冷卻，由于它們的材質(zhì)及線膨脹系數(shù)不一樣，所以在凝固過程中它們收縮量也不一樣，產(chǎn)生的應(yīng)力也不同。軸瓦巴氏合金在凝固過程中產(chǎn)生的收縮量大于基體產(chǎn)生的，故基體同巴氏合金層結(jié)合處產(chǎn)生了很大的應(yīng)力，容易產(chǎn)生脫殼現(xiàn)象。

3.2 在巴氏合金爐中融化巴氏合金過程中，精煉巴氏合金液體的次數(shù)不夠，在金屬液體內(nèi)部有雜質(zhì)及氣體產(chǎn)生；攪拌巴氏合金液體不到位，在爐子底部有沉淀產(chǎn)生，致使巴氏合金液體不純，容易產(chǎn)生氣孔、夾雜、縮松等缺陷，導(dǎo)致巴氏合金表面滲透探傷(PT)不合格。

3.3 軸瓦澆注巴氏合金液體后通過水冷瓦背來快速降低軸瓦的溫度，凝固的方向是由巴氏合金液體與基體的結(jié)合面向巴氏合金液體表面順序凝固，巴氏合金這種凝固方向有效增加結(jié)合面的結(jié)合強(qiáng)度，可避免產(chǎn)生超聲波探傷(UT)不合格的現(xiàn)象。在生產(chǎn)實(shí)際過程中，操作者如果沒有快速冷卻軸瓦，致使巴氏合金表面先凝固，破壞了巴氏合金順序凝固原理，大大降低了軸瓦UT和PT的合格率。

3.4 軸瓦澆鑄巴氏合金是非常復(fù)雜的特種鑄造過程，搪錫層的形成過程是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，搪錫層直接連接基體和巴氏合金又稱過渡層，其厚度要適宜并且要均勻，否則，會(huì)直接影響軸瓦的結(jié)合強(qiáng)度，甚至?xí)斐沙暡ㄌ絺?UT)不合格。依據(jù)多年來生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出影響搪錫層質(zhì)量的因素有：

(1) 澆鑄表面不規(guī)則，表面粗糙度數(shù)值達(dá)不到Ra3.2 μm的要求；

(2) 澆鑄表面不干凈，附著油污冷卻液，致使空氣對(duì)瓦坯有腐蝕作用，產(chǎn)生銹蝕，氧化物等；

(3) 錫液溫度控制不精準(zhǔn)，溫度太高會(huì)使剛出錫液的瓦坯澆注表面快速氧化，澆鑄表面快速形成氧化層，澆鑄時(shí)不利于懸浮，易造成合金內(nèi)部夾雜現(xiàn)象；

(4) 瓦坯未進(jìn)行預(yù)熱造成瓦坯與搪錫液溫差太大，易形成激冷層，使生成的搪錫層較厚，在厚大瓦坯或冬天溫度較低時(shí)表現(xiàn)的較為明顯[1]。

3.5 為適應(yīng)高速、重載的工況要求，軸承襯合金必須具備：

(1) 好的表面潤(rùn)滑性，便于形成油膜和防止卡死；

(2) 足夠的材料強(qiáng)度和硬度，防止徑向載荷或載荷沖擊引起的變形和磨損；

(3) 良好的適應(yīng)性和容納性，可以補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)幾何尺寸誤差和吸收油泥及有機(jī)物殘?jiān)?/p>

(4) 較好的耐腐蝕性[2]。巴氏合金化學(xué)成分的控制，防止出現(xiàn)成分偏析，也是質(zhì)量控制的重要一環(huán)。巴氏合金澆鑄過程中離心轉(zhuǎn)數(shù)、澆鑄溫度及水冷時(shí)間的選擇不當(dāng)都會(huì)產(chǎn)生巴氏合金偏析現(xiàn)象。另外，操作不規(guī)范也會(huì)直接影響巴氏合金的組織成分，如：融化巴氏合金過程中沒有及時(shí)攪拌，在爐底有沉淀產(chǎn)生；澆注巴氏合金液體后沒有用釬子“8”字形攪拌，由于重力因素使巴氏合金分層出現(xiàn)偏析。

4 制定對(duì)策及改進(jìn)措施

4.1 水輪機(jī)澆鑄巴氏合金的產(chǎn)品為瓦塊形狀，瓦塊澆鑄巴氏合金平面為弧面，采用水平位置澆鑄巴氏合金，有利于巴氏合金與導(dǎo)瓦基體的結(jié)合。澆鑄巴氏合金后中間最厚的巴氏合金層能達(dá)到50 mm，有時(shí)能達(dá)到60 mm。這樣不僅浪費(fèi)大量巴氏合金，而且根據(jù)巴氏合金液體的凝固原理，對(duì)巴氏合金的收縮產(chǎn)生影響，降低了基體與巴氏合金的結(jié)合力，容易產(chǎn)生脫殼現(xiàn)象，并且在后期產(chǎn)生了大量的修復(fù)費(fèi)用，影響生產(chǎn)周期?；诎褪虾辖饘訚茶T厚度大小直接影響巴氏合金與基體的結(jié)合強(qiáng)度的情況，在胎具設(shè)計(jì)上進(jìn)行了創(chuàng)新，采用壓胎的方法(如圖2～圖5)減薄巴氏合金層的厚度。針對(duì)不同的瓦塊，設(shè)計(jì)隨形的壓胎，并且歸納總結(jié)了所生產(chǎn)的瓦塊的內(nèi)圓、長(zhǎng)及高尺寸，對(duì)所設(shè)計(jì)的壓胎進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出10種通用壓胎，來滿足不同的瓦塊掛鑄巴氏合金的需要。

圖2 沒有澆鑄前瓦塊與胎具裝配

圖3 澆鑄后瓦塊與胎具裝配

圖4 澆鑄后瓦塊的剖視圖

圖5 采用壓胎新工藝澆鑄后瓦塊的剖視圖

4.2 嚴(yán)格控制巴氏合金液體純度，我廠使用的軸承合金為錫基巴氏合金，牌號(hào)為ZSnSb11Cu6，是軸承合金中應(yīng)用較多的一種，錫基巴氏合金含(80.35～83.35)%Sn、11%Sb和6%Cu。圖6所示為巴氏合金的顯微組織，暗黑色基體為軟的α相，白色方塊為硬的β相，而白色枝狀析出物則為Cu6Sn5，它也起硬質(zhì)點(diǎn)作用。這種軟基體硬質(zhì)點(diǎn)混合組織能保證軸承合金具有必要的強(qiáng)度、塑性和韌性，以及良好的抗振減磨性能等等。如果澆鑄溫度過低或冷速太慢，都會(huì)造成晶粒粗大，形成枝晶間隙，組織不細(xì)密，產(chǎn)生微觀縮孔，達(dá)不到PT探傷的要求，并且手工無法修復(fù)。為了獲得細(xì)化的合金組織，首先，必須有一定的溫度(450°)使銅和銻充分溶化在錫液中，精煉及充分?jǐn)嚢韬辖鹨后w，在不低于430°的情況下澆鑄，因?yàn)镃u6Sn5的形成溫度為410°，他的組織為枝晶結(jié)構(gòu)，然后快速冷卻，能夠顯著細(xì)化合金的微觀結(jié)構(gòu)尺寸，從而達(dá)到細(xì)化晶粒和減少組織偏析，保證巴氏合金的性能。

圖6 巴氏合金的顯微組織

4.3 嚴(yán)格控制巴氏合金融化溫度和巴氏合金澆鑄溫度，避免錫化銅過早形成。定期檢查熱電偶、測(cè)溫儀表，并且及時(shí)從巴氏合金爐內(nèi)取出溫度曲線，進(jìn)行校核。

4.4 加快冷卻速度，采用循環(huán)加壓水冷卻系統(tǒng)。水壓從以前的2 kg增加到4 kg。改變現(xiàn)有的侵入式水冷方式，變?yōu)閲娝?，大大加快?dǎo)瓦的水冷時(shí)間，減少汽孔的產(chǎn)生，并細(xì)化組織，避免組織粗大。

4.5 精煉巴氏合金熔液。在融化巴氏合金時(shí)，對(duì)巴氏合金液體進(jìn)行多次精煉，規(guī)定每一小時(shí)精煉一次巴氏合金，大大提高巴氏合金的純度，使雜質(zhì)、氣孔排除。

4.6 嚴(yán)格執(zhí)行工藝，組織定期培訓(xùn)，發(fā)生問題及時(shí)進(jìn)行質(zhì)量分析，對(duì)于人為因素造成的質(zhì)量問題，要及時(shí)制定措施及改進(jìn)。

5 結(jié)論

根據(jù)上述科學(xué)的因果分析方法，抓住主要矛盾，對(duì)分析出的問題逐一制定解決措施，控制每一關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)首批生產(chǎn)的水輪機(jī)導(dǎo)瓦及推力瓦223件，PT合格率達(dá)85%以上，UT合格率達(dá)95%以上。