安建勇

（太原市掛車(chē)制造廠，山西 太原 030024）

滑動(dòng)軸承在電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中起著支撐作用，承擔(dān)徑向載荷，確保汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行，是汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件。軸瓦是軸承（見(jiàn)圖1）的主要部件，軸瓦是雙金屬工件，由巴氏合金內(nèi)層與低碳合金鋼瓦體組成，結(jié)構(gòu)如圖2 所示，巴氏合金（又稱鎢金）用鑄造的方式與瓦體結(jié)合，結(jié)合面強(qiáng)度直接影響機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量，所以，保證結(jié)合面強(qiáng)度是軸瓦生產(chǎn)最關(guān)鍵的質(zhì)量要求。

圖1 軸承示意圖

圖2 軸瓦結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1 軸瓦的制備工藝

重力鑄造是軸瓦制備常用的方法之一，是將熔融狀態(tài)的巴氏合金澆注到已經(jīng)搪錫處理的低碳合金鋼基體表面，經(jīng)過(guò)冷卻后，形成雙金屬結(jié)構(gòu)。低碳合金鋼基體主要采用牌號(hào)為ZG230-450 鋼。軸承巴氏合金是用來(lái)制造滑動(dòng)軸承軸瓦的特定材料，軸承材料的種類(lèi)繁多，有錫銻軸承合金、鉛銻軸承合金、銅基軸承合金、鋁基軸承合金、鋅基軸承合金。其中以錫銻軸承合金的使用歷史最久，應(yīng)用最普遍，在機(jī)電行業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中主要采用牌號(hào)為ZSnSb11Cu6錫基巴氏合金，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2.

表1 錫銻軸承合金的成分

表2 錫銻軸承合金的力學(xué)性能

1.1 軸瓦的制備工序

軸瓦的制備工序?yàn)椋和唧w機(jī)械粗加工→巴氏合金澆注→巴氏合金粗加工→UT 探傷→軸瓦精加工。

1.2 軸瓦巴氏合金鑄造

軸瓦巴氏合金鑄造工藝路線：準(zhǔn)備工作→瓦體預(yù)熱→瓦坯搪錫→裝?！褪虾辖饾沧ⅰ洹_(kāi)模。

1.2.1 準(zhǔn)備工作

首先，澆注工夾具等保持清潔、干燥，放置在工具架上；用前要預(yù)熱，每次澆注后工作現(xiàn)場(chǎng)要保持清潔整齊，裝配平臺(tái)清理干凈，剩余合金澆注入錠模待回用，除去坩堝及澆注勺中的熔渣；化學(xué)藥品放置在干燥的柜內(nèi)，瓶塞蓋好，防止吸潮；先配制好焊錫熔劑，放置在干燥處，保存待用；胎具使用前應(yīng)與軸瓦試裝，以便檢查胎具的使用性能。軸瓦在掛軸承合金前需經(jīng)檢查合格，工藝尺寸符合規(guī)定，表面不得有氣孔、砂眼、黑皮等缺陷。將非掛軸承合金表面、孔用石棉保護(hù)好；其次，瓦坯的準(zhǔn)備根據(jù)環(huán)境濕度不同，瓦坯的軸承合金表面必須在機(jī)械加工后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)入軸承合金掛鑄的瓦坯預(yù)熱序；并且檢查生產(chǎn)所用設(shè)備運(yùn)行是否正常，將生產(chǎn)時(shí)所用胎具、澆注工具提前預(yù)熱。澆注工具包括：澆勺、大小端包、大小抬包、烙鐵、金屬攪拌棒、軸承合金錠模、撇渣勺等。

1.2.2 瓦體預(yù)熱

軸承瓦簡(jiǎn)稱軸瓦，軸承由軸瓦和軸承座組成，瓦坯是軸瓦的毛坯件，在澆注前瓦坯需要在臺(tái)車(chē)式電阻爐內(nèi)加熱，加熱溫度控制在140 ℃～240 ℃之間。瓦坯加熱溫度不能高于240 ℃，預(yù)防瓦坯表面的氧化，不利于巴氏合金與基體的結(jié)合。

1.2.3 瓦坯搪錫

首先，將預(yù)熱后的瓦坯（見(jiàn)圖3）放置于錫槽中浸搪加熱，溫度不低于280 ℃.然后，將預(yù)熱好的瓦坯刷上搪錫劑放入錫槽內(nèi)浸泡升溫。錫槽內(nèi)的錫液溫度控制在280 ℃～300 ℃之間，溫度不能高于300 ℃以預(yù)防錫液的氧化。用毛刷使錫液涂在瓦坯與軸承合金的結(jié)合面上，形成均勻的錫膜，搪錫過(guò)程根據(jù)效果進(jìn)行3 次及以上為宜。搪錫過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)局部質(zhì)量不好，應(yīng)立即采取措施處理，排除問(wèn)題后，重新搪錫才可繼續(xù)。確保搪錫質(zhì)量，使基體與錫液充分化學(xué)反應(yīng)生成有一定強(qiáng)度的中間過(guò)渡層，有利于提高結(jié)合強(qiáng)度，是巴氏合金鑄造的關(guān)鍵工序。

圖3 加工后基體示意圖

1.2.4 裝模

凡是重力鑄造的胎具裝配前需預(yù)熱至450 ℃±10 ℃，澆注時(shí)溫度不低于430 ℃.根據(jù)巴氏合金液體順序凝固原理，凝固方向是從瓦坯結(jié)合面到胎具，故胎具加熱溫度不能低于巴氏合金液體澆注溫度。然后將預(yù)熱后的胎具與搪好錫的瓦坯在平臺(tái)上迅速組裝完成，時(shí)間越短越好，大型瓦坯控制在20 min以內(nèi)，裝配后的瓦坯需將易漏軸承合金的地方用石棉泥堵死避免跑火，對(duì)內(nèi)徑φ350 mm 以上的瓦坯采用半副組夾的澆注方法，見(jiàn)圖4.

圖4 胎具安裝示意圖

1.2.5 巴氏合金澆注

將熔化好的軸承合金進(jìn)行精煉處理，精煉劑為脫水NH4Cl，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%，目的是去除巴氏合金液體內(nèi)的氣體及雜質(zhì)，同時(shí)清理掉巴氏合金液體表面的浮渣，以免澆注后巴氏合金產(chǎn)生缺陷。精煉好的軸承合金靜置15 min 后才能用于澆注，軸承合金熔化到規(guī)定溫度440 ℃～460 ℃，澆注時(shí)的液態(tài)軸承合金溫度不低于430 ℃，精煉好的液態(tài)軸承合金內(nèi)不允許再加入新料和碎渣，如需對(duì)軸承合金進(jìn)行檢驗(yàn)，此時(shí)可澆注試塊。

軸承合金熔煉采用固定式電爐，其容量為500 kg.澆注前爐內(nèi)合金液需充分?jǐn)嚢?，清除熔渣，力求一次澆滿鑄型，澆注時(shí)要打渣防止熔渣及氧化膜進(jìn)入鑄型，澆注朝向模具方向，澆勺靠近鑄型，澆注速度先快后慢以利于補(bǔ)縮同時(shí)取樣做化學(xué)分析，澆注合金流盡量短粗，不應(yīng)斷流以免卷入氣體。為了能準(zhǔn)確控制巴氏合金液體溫度采用最大量程為1 100 ℃的熱電偶浸入巴氏合金液體進(jìn)行測(cè)溫。

1.2.6 水冷及開(kāi)模

當(dāng)軸承合金液澆至瓦坯1/3 高度時(shí)，用流水自下而上均勻冷卻瓦背（隨下面軸承合金液的凝固，水冷位置應(yīng)逐漸上移，直至軸承合金全部凝固為止），軸瓦水冷的同時(shí)，預(yù)熱上面軸承合金，用預(yù)熱的搗棒（φ5 mm～φ10 mm 鐵圓）垂直搗動(dòng)軸承合金，搗棒不可拿出液面，以防熔渣帶入鑄型或產(chǎn)生其他缺陷，同時(shí)用噴燈、烙鐵不斷加熱上層軸承合金表面，尤其是邊緣、棱角部位，以延長(zhǎng)上面軸承合金液的冷卻時(shí)間，保證補(bǔ)縮，澆鑄后應(yīng)補(bǔ)澆2～4次，澆鑄后不得用鐵錘用力敲打仍灼熱狀態(tài)的軸瓦，更不得使軸瓦摔在地上，一般需冷卻30 min 左右，大型軸瓦冷卻2 h～3 h 后方可開(kāi)模取出軸瓦。

2 巴氏合金重力鑄造主要質(zhì)量問(wèn)題分析

2.1 主要質(zhì)量問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)外軸承均采用軸瓦體與軸承巴氏合金結(jié)合面為光滑面無(wú)鴿尾槽的結(jié)構(gòu)。在軸瓦初期生產(chǎn)階段，軸瓦經(jīng)過(guò)超聲波（UT）探傷檢測(cè)后，軸瓦脫殼嚴(yán)重，返修和重掛率很高，光面軸瓦產(chǎn)生脫殼現(xiàn)象位置主要是靠近端部，為半圓形，如圖5 所示。

圖5 巴氏合金與基體脫殼示意圖

2.2 軸承巴氏合金脫殼現(xiàn)象分析

經(jīng)過(guò)分析與實(shí)踐試驗(yàn)認(rèn)為軸瓦在結(jié)合面產(chǎn)生脫殼現(xiàn)象的主要原因是由于冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的收縮應(yīng)力不均勻所致。

2.2.1 鑄造過(guò)程冷卻方式

軸瓦重力鑄造時(shí)將已經(jīng)熔化好的巴氏合金液體注入已搪錫的軸瓦基體和胎具之間,然后開(kāi)始水冷。一邊澆注一邊冷卻，水冷的方向如圖6 所示，巴氏合金液體是從底部周向逐漸向上順序凝固，最后停止水冷，完成澆注。

圖6 水平順序冷卻示意圖

2.2.2 冷卻方式與脫殼

分析認(rèn)為，導(dǎo)致軸承脫殼的主要原因有兩個(gè)方面：一是軸承巴氏合金在凝固過(guò)程中形成的應(yīng)力；另一方面是軸承巴氏合金收縮過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力。

在軸承巴氏合金凝固過(guò)程中，存在三個(gè)區(qū)域：液相區(qū)、凝固區(qū)及固相區(qū)，如圖7 所示.冷卻時(shí)由靠近基體的固相區(qū)開(kāi)始向胎具方向順序凝固，在圓周方向上產(chǎn)生了較大的應(yīng)力。另一方面，軸承巴氏合金液體逐漸凝固，直至降至室溫，在這個(gè)過(guò)程中，巴氏合金與瓦體同時(shí)冷卻，由于兩者的材質(zhì)及線收縮率不同，所以收縮量也不一樣，產(chǎn)生的應(yīng)力也不同，軸承巴氏合金產(chǎn)生的收縮量大于基體產(chǎn)生的收縮量，故基體同巴氏合金層結(jié)合處產(chǎn)生很大的應(yīng)力。尤其是大直徑、光滑結(jié)合面的軸瓦，應(yīng)力越大，大大降低了巴氏合金和基體的結(jié)合強(qiáng)度，致使軸瓦在合口產(chǎn)生半月圓型脫胎現(xiàn)象（如圖5 所示）。

圖7 巴氏合金垂直斷面示意圖

3 新的水冷工藝分析

基于軸承巴氏合金凝固形成應(yīng)力的大小及方向是直接影響巴氏合金與基體結(jié)合強(qiáng)度的重要因素，制定了新的水冷工藝，冷卻方向由水平順序冷卻變?yōu)榇怪表樞蚶鋮s方法，來(lái)提高鎢金與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

在重力鑄造時(shí)采用從軸瓦徑向中間及軸瓦兩端同時(shí)垂直水冷卻，使收縮應(yīng)力的方向由徑向變?yōu)閳A周方向提高了結(jié)合面的結(jié)合強(qiáng)度，冷卻方向如圖9 所示。

在軸承巴氏合金垂直水冷過(guò)程中，形成沿圓周方向的固相區(qū)，凝固區(qū)和液相區(qū)，斷面如圖10 所示。巴氏合金液體凝固時(shí)垂直方向形成的應(yīng)力大于水平順序方向的應(yīng)力?？捎行p少巴氏合金與基體的脫胎問(wèn)題，提高巴氏合金澆鑄的合格率，提高了生產(chǎn)效率。

圖8 應(yīng)力形成方向示意圖

4 結(jié)論

垂直順序水冷工藝的應(yīng)用使軸瓦重力鑄造的合格率得到了較大的提高，合格率由68%提高至75%，同時(shí)大大節(jié)約了軸瓦因脫殼修復(fù)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，有很大的推廣價(jià)值。

圖9 巴氏合金水平斷面示意圖