轴承合金浇铸面色差消除的工艺试验

戴乐帆

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海　200240)

轴承合金浇铸面色差消除的工艺试验

戴乐帆

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海200240)

摘要：主要阐述了消除轴承合金面上存在明显色差的工艺方法。通过对合金表面金相的分析，对合金浇铸性能的研究，以及调整各项浇铸工艺参数的措施，达到了消除合金面色差的效果。解决了轴承合金浇铸后，合金面上色差明显的问题。为后续工艺人员的研究提供了参考和借鉴。

关键词：轴承；合金浇铸；色差

0引言

本企业负责制造的某核电项目密封瓦，在客户检查时，发现轴承合金表面存在明显的色差现象，被客户认定为不合格产品。目前国家对轴承合金色差没有强制性的标准，行业内也没有参考标准，我们也无法判断其是否影响正常使用。为了保证客户的满意度，我公司设立课题，通过试验来解决该问题，使客户满意。

1现状调查及分析

1.1轴承合金

浇铸阳江核电密封瓦的轴承合金牌号为PDS17640BE合金，具体成分见表1。

表1　PDS17640BE合金的主要成分

1.2金相试验

近几年来，轴承分厂针对轴承合金色差现象开展过多次试验及研究。对色差区域进行过取样，制成相应的试块，进行了金相试验，对其金相组织进行观察，发现色差试块(图1右侧示图)中存在大量针状结构组织(白色)，即显色位置区域。试验结果如图1所示。

图1　金相试验结果照片

1.3分析和讨论

由Cu-Sn二元合金平衡图(如图2所示)可知，铜的加入量超过0.8%而小于8%时，则合金首先结晶析出金属化合物ε(Cu8Sn5)。Cu8Sn5比重较大且形成针状及星状骨架。Sn-Sb-Cu三元合金高锡部分在常温时的合金成分和组织分布区域如图3所示，PDS17640BE合金的成分位于图3的区域Ⅲ中，故它们的组织通常为α+Cu8Sn5。

Cu8Sn5开始析出温度约为350～380℃，锡基α固溶体开始凝固温度约为241℃。由于该核电项目密封瓦浇铸合金较其他产品用量增加近一倍，合金层相对过厚，且水冷条件较为有限(冷却水来源使用自来水，水压较小)，造成在Cu8Sn5化合物析出的温度范围内冷却相对较慢；另一方面，考虑到为防止出现合金疏松等缺陷，相应提高了离心浇铸时的转速，从而更容易出现Cu8Sn5的下沉，导致比重偏析，而在卧式离心机浇铸时，这种偏析倾向变得更加严重。

图2　Cu-Sn二元合金平衡图

图3　Sn-Sb-Cu三元合金高锡部分在常温时的合金成分和组织分布区域的示意图

金相试验结果已证明基体中存在大量针状组织导致存在色差，而Cu8Sn5金相结构呈针状，且PDS17640BE合金只存在基体锡基α固溶体和Cu8Sn5两种组织，因此可以判定色差区域是由于Cu8Sn5偏析富集造成的。

2试制方案

2.1制定试制预案

通过上述分析，制定如下预案：

1) 浇铸前不断搅拌合金，注意要上下翻腾，保证浇铸合金成分的均匀性，使浇铸入密封瓦的合金化学成分尽量均匀；

2) 在保证合金不出现疏松等缺陷的前提下，适当降低离心浇铸的转速，减少合金成分的偏析。

2.2离心浇铸转速计算

在整个制造生产过程中，离心机的转速非常重要。转速太低， 容易造成材料缩松、 合金夹杂等缺陷； 转速太快， 容易造成合金化学成分的偏析。

以离心力为基础的经验公式，根据康士坦丁诺夫理论，不论何种金属，如果在自由表面上的有效重度达到340 N/cm3，就可以得到致密的铸件。

由此得出铸型的转速公式为：

(1)

式中，γ为金属液体的重度，N/cm3；R为铸件内表面半径， cm；n为铸型转速，r/min。

根据重力系数确定铸型的转速时，其重力倍数与转速的经验公式为：

(2)

式中，G为重力系数；R为铸件内半径，cm。

按照公式(1)选转速，如果合金的密度为7.3 g/cm3，则重力系数G为110～181，由于巴氏合金在浇铸过程中易产生偏析，所以不能采用。经查阅铸造手册及相关资料和论文，根据这些资料提供的经验值，巴氏合金重力系数取值为30～60，按此重力系数计算出来的浇铸转速为270～400 r/min，按汽发公司提供的参考，西门子公司的浇铸转速仅为220～265 r/min，对应的重力系数为19～28。

前次生产的产品，汽发公司主要认为合金面存在肉眼可见色差，因此为了改进色差现象，本次试验G值取31，按公式(2)计算，转速为280 r/min，浇铸完毕后直接喷水冷却。

2.3离心机转速测定试验

为保证实际离心机转速与设定所要求转速保持一致，对离心机转速进行测量，离心机实际转速与设定转速比为1∶2。

2.4坯料准备

严格按要求进行密封瓦坯料制备及金加工，尽量做到真实的生产过程，为以后的生产打下良好的基础，如图4密封瓦金加工前后照片。

图4　密封瓦金加工前后坯料

3试制试验

3.1合金浇铸

本次试制试验，具体记录数据如表2所示：

表2　试制试验记录表

3.2粗、精车坯料

浇铸后粗车，着色后结合面完好，无显色，内圆合金无显色，外侧端面合金有气孔，但还有2 mm余量，内侧端面合金完好，无显色。

粗车后要求每次进刀2 mm，对合金面进行检查，直至最终尺寸。

3.3最终检验

试制密封瓦着色前后表面均未发现色差现象，完成了消除色差的预期目标。如图5所示。

图5　密封瓦着色前后

3.4第二个试样

为了验证此次实验的效果，再次浇铸一桶密封瓦，所有浇铸数据均按第一个试样操作，加工过程按核电要求操作。

浇铸完毕粗车后，无肉眼可见色差，直接车至密封瓦备件尺寸，经共同检查，合金层无肉眼可见色差。车至产品尺寸，经检查也无肉眼可见色差。但在车到产品尺寸过程中，发现了两处夹杂的缺陷。一处位于密封瓦侧面哈夫面以上约250 mm处，长约120 mm，再相隔约80 mm处，存在另一处缺陷，长约110 mm，共计长度不超过总长度的1/3。但由于修补焊枪火焰较大，两处缺陷之间距离不是很远，为了保证修补的质量，在修补过程中需把两处缺陷合并修补。该缺陷为夹杂，不影响此次试验的结论。

4结语

本次试验主要针对合金浇铸后有肉眼可见色差的问题，按目前数据浇铸的密封瓦达到试验要求。