基于提高巴氏合金轴瓦质量科学性分析研究

安建勇

(太原市挂车制造厂，山西太原 030024)

0 引言

滑动轴承是各类机械设备中的一个重要零部件，轴承的效能直接关系到整个机器的效率和安全运行。在较大冲击、压力和相互滑动过程中，轴瓦容易发生磨损，为确保合金轴瓦的安全运行，提高和保证轴瓦质量显得特别重要。

目前，在低碳钢基体上浇铸巴氏合金是轴瓦制造通常采用的工艺方法。但是采用该工艺制造的产品质量不易保证，容易出现超声波探伤(UT)脱壳和渗透探伤(PT)不符合国家标准等情况，影响产品质量。为了探讨如何提高巴氏合金轴瓦质量的方法，我们采用了因果分析图的科学分析方法对影响巴氏合金轴瓦的因素进行分析，主要阐述了在巴氏合金轴瓦浇铸过程中在胎具设计上进行了创新，采用压胎的方法；严格控制巴氏合金液体纯度；严格控制巴氏合金融化温度；加快冷却速度；对巴氏合金液体进行多次精炼及定期对操作者进行培训等措施，有效解决了轴瓦超声波探伤(UT)脱壳和渗透探伤(PT)不符合国家标准等问题。

1 巴氏合金轴瓦检验标准

1.1 铸造锡基轴承合金的化学成分见表1。

表1 铸造锡基轴承合金的化学成分

1.2 铸造轴承合金的力学性能及物理性能见表2。

表2 铸造轴承合金的力学性能及物理性能

1.3 超声波探伤(UT)允许的缺陷见表3。

表3 超声波探伤(UT)允许的缺陷

1.4 着色探伤允许缺陷见表4。

表4 着色探伤(PT)允许的缺陷

1.5 轴瓦巴氏合金层浇铸要求

在机电行业国家标准GB/T 18329中规定了用超声波探伤和着色探伤检查巴氏合金结合面操作方法和验收标准。

2 巴氏合金轴瓦制备工艺

(1) 轴瓦的制备工序：瓦坯的机械粗加工→巴氏合金的浇铸→巴氏合金的粗加工→UT探伤→轴瓦的精加工

(2) 轴瓦巴氏合金铸造工艺路线：瓦坯的预热→瓦坯搪锡→装卡→巴氏合金的浇注→水冷→开模

3 影响巴氏合金轴瓦质量的因素分析

针对轴瓦生产工序及实际生产工况，通过因果分析图的科学分析方法，对可能产生的影响因素进行了梳理(如图1)，并且确定主要因素。

图1 因果分析图

3.1 巴氏合金层浇铸厚度大小直接影响巴氏合金与基体的结合强度。在轴瓦浇铸巴氏合金液体时，巴氏合金液体是逐渐顺序凝固的，轴瓦从高温降至室温。在这个过程中，巴氏合金与瓦体同时冷却，由于它们的材质及线膨胀系数不一样，所以在凝固过程中它们收缩量也不一样，产生的应力也不同。轴瓦巴氏合金在凝固过程中产生的收缩量大于基体产生的，故基体同巴氏合金层结合处产生了很大的应力，容易产生脱壳现象。

3.2 在巴氏合金炉中融化巴氏合金过程中，精炼巴氏合金液体的次数不够，在金属液体内部有杂质及气体产生；搅拌巴氏合金液体不到位，在炉子底部有沉淀产生，致使巴氏合金液体不纯，容易产生气孔、夹杂、缩松等缺陷，导致巴氏合金表面渗透探伤(PT)不合格。

3.3 轴瓦浇注巴氏合金液体后通过水冷瓦背来快速降低轴瓦的温度，凝固的方向是由巴氏合金液体与基体的结合面向巴氏合金液体表面顺序凝固，巴氏合金这种凝固方向有效增加结合面的结合强度，可避免产生超声波探伤(UT)不合格的现象。在生产实际过程中，操作者如果没有快速冷却轴瓦，致使巴氏合金表面先凝固，破坏了巴氏合金顺序凝固原理，大大降低了轴瓦UT和PT的合格率。

3.4 轴瓦浇铸巴氏合金是非常复杂的特种铸造过程，搪锡层的形成过程是关键的环节，搪锡层直接连接基体和巴氏合金又称过渡层，其厚度要适宜并且要均匀，否则，会直接影响轴瓦的结合强度，甚至会造成超声波探伤(UT)不合格。依据多年来生产实践经验，总结出影响搪锡层质量的因素有：

(1) 浇铸表面不规则，表面粗糙度数值达不到Ra3.2 μm的要求；

(2) 浇铸表面不干净，附着油污冷却液，致使空气对瓦坯有腐蚀作用，产生锈蚀，氧化物等；

(3) 锡液温度控制不精准，温度太高会使刚出锡液的瓦坯浇注表面快速氧化，浇铸表面快速形成氧化层，浇铸时不利于悬浮，易造成合金内部夹杂现象；

(4) 瓦坯未进行预热造成瓦坯与搪锡液温差太大，易形成激冷层，使生成的搪锡层较厚，在厚大瓦坯或冬天温度较低时表现的较为明显[1]。

3.5 为适应高速、重载的工况要求，轴承衬合金必须具备：

(1) 好的表面润滑性，便于形成油膜和防止卡死；

(2) 足够的材料强度和硬度，防止径向载荷或载荷冲击引起的变形和磨损；

(3) 良好的适应性和容纳性，可以补偿旋转几何尺寸误差和吸收油泥及有机物残渣；

(4) 较好的耐腐蚀性[2]。巴氏合金化学成分的控制，防止出现成分偏析，也是质量控制的重要一环。巴氏合金浇铸过程中离心转数、浇铸温度及水冷时间的选择不当都会产生巴氏合金偏析现象。另外，操作不规范也会直接影响巴氏合金的组织成分，如：融化巴氏合金过程中没有及时搅拌，在炉底有沉淀产生；浇注巴氏合金液体后没有用钎子“8”字形搅拌，由于重力因素使巴氏合金分层出现偏析。

4 制定对策及改进措施

4.1 水轮机浇铸巴氏合金的产品为瓦块形状，瓦块浇铸巴氏合金平面为弧面，采用水平位置浇铸巴氏合金，有利于巴氏合金与导瓦基体的结合。浇铸巴氏合金后中间最厚的巴氏合金层能达到50 mm，有时能达到60 mm。这样不仅浪费大量巴氏合金，而且根据巴氏合金液体的凝固原理，对巴氏合金的收缩产生影响，降低了基体与巴氏合金的结合力，容易产生脱壳现象，并且在后期产生了大量的修复费用，影响生产周期。基于巴氏合金层浇铸厚度大小直接影响巴氏合金与基体的结合强度的情况，在胎具设计上进行了创新，采用压胎的方法(如图2～图5)减薄巴氏合金层的厚度。针对不同的瓦块，设计随形的压胎，并且归纳总结了所生产的瓦块的内圆、长及高尺寸，对所设计的压胎进行优化，设计出10种通用压胎，来满足不同的瓦块挂铸巴氏合金的需要。

图2 没有浇铸前瓦块与胎具装配

图3 浇铸后瓦块与胎具装配

图4 浇铸后瓦块的剖视图

图5 采用压胎新工艺浇铸后瓦块的剖视图

4.2 严格控制巴氏合金液体纯度，我厂使用的轴承合金为锡基巴氏合金，牌号为ZSnSb11Cu6，是轴承合金中应用较多的一种，锡基巴氏合金含(80.35～83.35)%Sn、11%Sb和6%Cu。图6所示为巴氏合金的显微组织，暗黑色基体为软的α相，白色方块为硬的β相，而白色枝状析出物则为Cu6Sn5，它也起硬质点作用。这种软基体硬质点混合组织能保证轴承合金具有必要的强度、塑性和韧性，以及良好的抗振减磨性能等等。如果浇铸温度过低或冷速太慢，都会造成晶粒粗大，形成枝晶间隙，组织不细密，产生微观缩孔，达不到PT探伤的要求，并且手工无法修复。为了获得细化的合金组织，首先，必须有一定的温度(450°)使铜和锑充分溶化在锡液中，精炼及充分搅拌合金液体，在不低于430°的情况下浇铸，因为Cu6Sn5的形成温度为410°，他的组织为枝晶结构，然后快速冷却，能够显著细化合金的微观结构尺寸，从而达到细化晶粒和减少组织偏析，保证巴氏合金的性能。

图6 巴氏合金的显微组织

4.3 严格控制巴氏合金融化温度和巴氏合金浇铸温度，避免锡化铜过早形成。定期检查热电偶、测温仪表，并且及时从巴氏合金炉内取出温度曲线，进行校核。

4.4 加快冷却速度，采用循环加压水冷却系统。水压从以前的2 kg增加到4 kg。改变现有的侵入式水冷方式，变为喷水式，大大加快导瓦的水冷时间，减少汽孔的产生，并细化组织，避免组织粗大。

4.5 精炼巴氏合金熔液。在融化巴氏合金时，对巴氏合金液体进行多次精炼，规定每一小时精炼一次巴氏合金，大大提高巴氏合金的纯度，使杂质、气孔排除。

4.6 严格执行工艺，组织定期培训，发生问题及时进行质量分析，对于人为因素造成的质量问题，要及时制定措施及改进。

5 结论

根据上述科学的因果分析方法，抓住主要矛盾，对分析出的问题逐一制定解决措施，控制每一关键环节应用。实验首批生产的水轮机导瓦及推力瓦223件，PT合格率达85%以上，UT合格率达95%以上。