朱挺 陳燕

摘要：球磨機是物料粉碎的關(guān)鍵設(shè)備，由于大型球磨機具有低速重載的特點，對軸瓦的性能要求很高。巴氏合金具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗咬合能力、順應(yīng)性，以及很小的摩擦系數(shù)，容易加工熔煉，是一種優(yōu)秀的軟質(zhì)耐磨合金，使用巴氏合金鑄造軸瓦可以很好的滿足生產(chǎn)工作的要求。本文對大型球磨機巴氏合金軸瓦鑄造工藝中的相關(guān)問題展開探討，分析如何對軸瓦鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提升軸瓦加工鑄造的效果。

關(guān)鍵詞：大型球磨機;巴氏合金軸瓦;鑄造工藝;工藝優(yōu)化

中圖分類號：TG249.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0042-02

0? 引言

在礦山、冶金機械等行業(yè)領(lǐng)域，雖然近年來鋅基、銅基軸承合金的研究越發(fā)深入，應(yīng)用也越發(fā)廣泛，然而巴氏合金因其良好的性能和易加工的特點，依然在大型球磨機軸瓦鑄造中占據(jù)重要地位。巴氏合金軸瓦的鑄造工藝直接影響軸瓦質(zhì)量，關(guān)系到球磨機設(shè)備的穩(wěn)定安全運行，在實際生產(chǎn)加工過程中，往往會出現(xiàn)局部脫瓦等問題，需要對原有工藝進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化，提升巴氏合金軸瓦的加工性能。

1? 巴氏合金軸瓦鑄造工藝模擬

大型球磨機設(shè)備載荷的特點是低速重載，往往伴有一定的沖擊性，對軸瓦性能提出了很高的要求。巴氏合金軸瓦在鑄造過程中，可能出現(xiàn)由于軸瓦本體壁厚不均，巴氏合金的凝固過程并非按順序凝固方式，往往會在鑄件壁厚較厚部位形成縮孔，影響合金澆鑄的品質(zhì)。為了改善巴氏合金鑄造的性能，可以利用數(shù)值模擬技術(shù)，對巴氏合金軸瓦鑄造的過程進(jìn)行模擬分析，預(yù)測可能出現(xiàn)的問題，為工藝改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)，從而科學(xué)制定鑄造工藝方案，縮短工藝調(diào)試周期，降低工藝優(yōu)化投入的時間和成本。

1.1 工藝模型

大型球磨機巴氏合金軸瓦的原始工藝采用兩件聯(lián)鑄的方式，兩半軸瓦凝固過程一致，可以只研究半軸瓦的凝固過程來掌握軸瓦鑄造過程中存在的客觀規(guī)律。

借助三維造型軟件，將巴氏合金軸瓦工藝圖轉(zhuǎn)化為三維圖，建立工藝模型，將相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入華鑄軟件，對軸瓦凝固過程進(jìn)行模擬，預(yù)測鑄造過程中可能出現(xiàn)的問題，為工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

1.2 溫度場模擬

模擬軟件包括前處理、計算分析和后處理三個模塊。前置處理對工藝模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，在確保最薄處有兩個網(wǎng)格的基礎(chǔ)上確定剖分網(wǎng)格大小，避免形成完全面接觸或完全線接觸網(wǎng)格。例如巴氏合金軸瓦工藝尺寸最小厚度為42.5mm，采用10mm為網(wǎng)格大小尺寸。

計算分析模塊對軸瓦鑄件凝固溫度場進(jìn)行模擬分析，先設(shè)置溫度場的物性參數(shù)和界面參數(shù)，根據(jù)巴氏合金軸瓦制造要求設(shè)置環(huán)境溫度、液相線溫度、固相線溫度、合金凝固系數(shù)、輻射系數(shù)、運動粘度等參數(shù)數(shù)據(jù)，以及計算界面的鑄件/空氣、鑄件/鑄型、鑄件/冷卻通道、空氣/鑄型、空氣/冷卻通道、鑄型/冷卻通道等參數(shù)。初始溫度分布均勻后進(jìn)行計算，每分鐘對鑄件各單位溫度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，50min后結(jié)束計算。

后置處理的任務(wù)在于將計算分析的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行圖形處理，實現(xiàn)可視化展示，便于直觀觀察凝固過程中的溫度場分布等情況，判斷鑄件可能出現(xiàn)縮孔等缺陷的位置和分布特點，為后期工藝改進(jìn)提供直接的依據(jù)。

2? 巴氏合金軸瓦鑄造工藝分析

巴氏合金以錫或鉛作為基體，懸浮銻錫和銅錫的硬晶粒，和鉛基合金相比，錫基合金擁有更好的熱脹性和耐蝕性，適用于高速軸承的生產(chǎn)制造。大型球磨機的轉(zhuǎn)速較低，對錫基合金的要求并不高，無論是錫基還是鉛基合金都能滿足需求，且錫基合金價格較高，通常選用鉛基合金。巴氏合金軸瓦鑄造工藝大體可以分為準(zhǔn)備階段、合型、合金熔化、合金澆注和驗收五個環(huán)節(jié)。

2.1 準(zhǔn)備工作

在巴氏合金軸瓦鑄造的準(zhǔn)備階段，需要采取清洗、預(yù)熱、涂掛錫襯等準(zhǔn)備措施，確保鑄件清潔，符合鑄造加工的要求，避免存在質(zhì)量隱患問題，影響鑄造加工效果。

清洗工作主要是對軸瓦本體進(jìn)行清潔處理，采用砂輪打磨方式去除軸瓦內(nèi)孔表面上的氧化皮、污垢;采用堿洗的方式，使用煮沸的氫氧化鈉溶液反復(fù)刷洗瓦面，去除瓦面上殘留的油污，再使用清水沖洗掉瓦面上的殘留堿液;用低濃度的工業(yè)硫酸或鹽酸，對瓦面進(jìn)行沖洗后，再使用熱水反復(fù)清洗;對不掛錫部分涂刷糖漿石英粉保護(hù)劑，對螺孔位置使用石棉繩堵死。通過這些方式，將軸瓦內(nèi)孔表面上的污染物清除干凈，確保瓦面清潔，為后續(xù)制造奠定良好的基礎(chǔ)。

在清洗作業(yè)完成后，需要把清潔干凈的軸瓦放到電爐中預(yù)熱。預(yù)熱溫度的設(shè)置需要考慮合金性質(zhì)差異，以錫為主的錫襯零件的預(yù)熱溫度控制在270-300攝氏度，以鉛為主的錫襯零件溫度可以酌情降低到230-260攝氏度。如果使用遠(yuǎn)紅外烘干爐預(yù)測，電熱管功率不足，達(dá)不到設(shè)定溫度，可以增設(shè)電阻絲補充加熱，滿足加熱工藝的規(guī)范要求。

在預(yù)熱完成后，即涂刷熔劑，熔劑由氯化鋅、氯化銨、氯化錫和水組成，使用玻璃干燥器配制，一般每平米瓦面控制用量在5kg左右。涂擦熔劑后，需要及時涂擦錫條掛錫，掛錫時要盡量薄且均勻，避免殘留過多錫在瓦面上，錫襯厚度盡量控制在0.1-0.3mm即可。掛錫后溫度如果過低，需要重新放進(jìn)電爐內(nèi)預(yù)熱，控制溫度到250攝氏度以上，方可合型。

2.2 合型

合型工藝要求軸瓦澆注的型腔必須做好密封措施，避免出現(xiàn)合金泄漏的問題。通常需要先將預(yù)熱后的軸瓦本體放到工作臺上作下型，薄鋼板制成弧形的上型，側(cè)面使用石棉板封擋，外側(cè)使用厚鋼板壓實嚴(yán)密，并使用螺栓將鋼板緊固，對縫隙部位使用石棉繩封堵，避免合金跑漏。

由鋼板制造的半圓形有退刀槽和斜澆口，還有底板和靠板的成型模具，在模具靠板兩端存在兩個脫模用的孔。裝配前在模具表面涂刷糖漿石英粉，確保焊縫等部位涂刷平滑均勻。在組裝過程中，要注意零件、模具、接觸面使用石棉繩填平壓緊，并在四周用石棉繩堵牢。

2.3 合金熔化

在電爐中進(jìn)行合金熔化作業(yè)，使用木炭覆蓋住上面，避免氧化。使用的工具均涂刷涂料，進(jìn)行烘干。錫基合金熔化溫度在480-520攝氏度，鉛基合金熔化溫度在420-460攝氏度。考慮到氣候因素，在夏季可以采用最低溫度，而在冬季應(yīng)選用最高溫度進(jìn)行熔化。由于巴氏合金鑄造劃分為冷加工，巴氏合金鑄造過程中的操作人員可能由于對合金冶煉工藝不了解，直接把巴氏合金熔器放在焦炭爐上熔化，沒有在液面上加覆蓋劑，工具沒有刷涂料并烘干，影響軸瓦鑄造質(zhì)量。因此，應(yīng)改用電爐熔煉，在合金熔化后使用精煉劑進(jìn)行精煉，如果存在返爐料還需要二次精煉，第一次精煉在熔煉后5min，第二次精煉建議在澆注下5min，精煉劑用量控制在巴氏合金總量的萬分之一到萬分之二。在澆注作業(yè)前，需要撈干凈熔煉合金作業(yè)過程中產(chǎn)生的渣子。

2.4 合金澆注

巴氏合金的熔點不高，澆注作業(yè)需要根據(jù)軸瓦的大小選擇澆包的數(shù)量，通常小瓦澆注可以只使用一個澆包，而大瓦可以同時兩個澆包在同側(cè)澆注。如果不在同側(cè)澆注，可能導(dǎo)致氣體不易排出，影響澆注作業(yè)質(zhì)量，同時，在澆注過程中應(yīng)使用涂刷有涂料的鐵棒擋渣。

在澆注作業(yè)過程中，為了提高作業(yè)效率，加快合金的凝固過程，提高瓦背與合金層的粘合強度，在澆注滿后應(yīng)用經(jīng)過預(yù)熱的鐵棒緩慢攪動合金液體，使合金液體呈現(xiàn)粥狀。同時，可以在作業(yè)時向瓦背空腔注入冷水，最初出水孔會產(chǎn)生大量熱蒸汽，等到水流出后可以停止注入冷水?；蚴窃谕弑秤么碉L(fēng)冷卻，也可以加快粘合效率。

2.5 驗收

鑄造加工完成后，需要對巴氏合金軸瓦質(zhì)量進(jìn)行驗收。在顏色上，以淡黃色為合格標(biāo)準(zhǔn)，暗銀色最佳。用鐵棒敲擊瓦背，聲音脆亮為合格，不存在雜音，表明沒有脫瓦或縮孔問題，如果聲音沙啞且存在嚴(yán)重雜音，說明存在局部脫殼現(xiàn)象，沒有熔焊牢固，需要修補甚至重新澆注。

3? 巴氏合金軸瓦鑄造工藝控制

3.1 模擬結(jié)果分析

軸瓦是圓筒形構(gòu)造，中間部位的筒壁較薄，上下兩端法蘭結(jié)構(gòu)厚大，鑄造工藝會在法蘭結(jié)構(gòu)部位形成熱節(jié)。通常筒壁會先于兩端凝固，兩端熱節(jié)處的液態(tài)合金無法得到補縮，形成縮孔和縮松。采用水冷方式，可以加快合金液體的凝固，減少熱節(jié)處液態(tài)合金的量，減少縮孔。然而水冷也提前阻斷對底部熱節(jié)的補縮通道，當(dāng)阻隔補縮通道后水冷時間延長無法改善熱節(jié)處的縮孔體積。結(jié)合模擬軟件的測試結(jié)果，在水冷時不能時間太短，不然難以起到對鑄件底部的強化冷卻作用，可能導(dǎo)致縮孔等問題。同時也不能水冷時間過長，無法對凝固效果提供幫助，還會增加資源的浪費。因此，單純依靠水冷無法徹底消除縮孔和縮松的問題。

巴氏合金軸瓦鑄造工藝澆注過程中會形成一個順序凝固，可以發(fā)揮冒口的補縮作用。然而，調(diào)節(jié)水冷時間和流速無法完全達(dá)到這一效果，需要根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)和工藝特點，在鑄型底部放置下冷鐵強化下端法蘭結(jié)構(gòu)部位的凝固，形成由下而上溫度升高的溫度場，實現(xiàn)自下而上的順序凝固。采用外冷鐵工藝，理論上可以消除孤立液相，避免縮孔和縮松的形成，然而實踐過程中發(fā)現(xiàn)仍存在縮孔和縮松現(xiàn)象，原因在于巴氏合金自身的特性，需要結(jié)合合金材料的密度偏析特點，加快熱節(jié)處冷卻速度，縮短合金液體冷卻時間，在液態(tài)合金進(jìn)入型腔后來不及產(chǎn)生密度偏析就開始凝固。

3.2 鑄造工藝優(yōu)化

第一，巴氏合金軸瓦鑄造工藝中，巴氏合金與瓦背的粘合是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，需要形成一個連續(xù)且成分漸變的合金層，保證機械性能逐漸變化，避免因突然變化而形成應(yīng)力集中問題。因此，做好準(zhǔn)備階段的清洗等工作，保證軸瓦本體清潔，嚴(yán)格控制堿洗、酸洗和掛錫工藝，對于鑄造質(zhì)量具有重要影響。

第二，可以在瓦背內(nèi)側(cè)開燕尾槽，增加巴氏合金與瓦背的粘合表面，提高粘合強度。同時，還可以采取其他的機械方法來增加粘合性能。

第三，合理的澆注溫度應(yīng)考慮合金液相線溫度，溫度過低會導(dǎo)致流動性差，充型能力下降，合金液中的渣子和氣體難以上浮，而溫度過高會導(dǎo)致過氧化。如果采用鉛錫混合焊錫的掛錫方式，可以適當(dāng)提高溫度，使底錫與巴氏合金均勻混合。而如果是純錫，應(yīng)盡量調(diào)低澆注溫度。同時，還應(yīng)考慮季節(jié)氣候等因素的影響。澆注作業(yè)過程中，如果溫度偏低達(dá)不到要求，可以使用乙炔焰烘烤瓦背，并確保冒口部位最后凝固。

第四，冷卻從瓦背開始，結(jié)晶會沿著瓦背垂直方向出現(xiàn)，可以使結(jié)晶粘在粘合層，從而形成牢固的中間層，便于合金液中的渣子和氣體上浮，提高襯層合金質(zhì)量。而冷卻速度會對晶粒大小造成影響，快速冷卻可以避免大結(jié)晶或嚴(yán)重的偏析問題，但過快冷卻導(dǎo)致合金層的溫差顯著，可能導(dǎo)致合金組織不致密，補縮不容易，因此需要多次嘗試，得出最佳的冷卻速度。

4? 結(jié)語

綜上所述，大型球磨機軸瓦鑄造需要嚴(yán)格把控清洗作業(yè)、澆注溫度、冷卻速度、凝固順序等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，相比來說，水冷方式優(yōu)于一般的風(fēng)冷或空冷。在巴氏合金軸瓦的鑄造工藝中，可以采用水冷和放置冷鐵的方式，合理控制冷卻速度和冷卻時間，并科學(xué)設(shè)定澆注溫度等工藝參數(shù)，確保鑄造質(zhì)量。

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