劉昱陽，殷 鵬，張 帆，王建梅

(太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

巴氏合金又稱白合金或烏金，由美國人Babbitt發(fā)明，通常用作復雜的多金屬結構中的薄表層，因其良好的耐磨性、順應性、抗咬合性而廣泛應用于軋鋼機、渦輪機、內燃機等重型機械設備中，被公認為支撐軸承中軸襯及軸瓦的首選材料。但巴氏合金自身強度較低，容易損壞，因此常與強度較高的金屬(通常為鋼)進行結合。常用的結合方式有澆鑄法、焊接法、噴涂法、激光熔覆法等。本文根據(jù)巴氏合金軸瓦結合工藝以及結合強度理論，分析不同結合工藝下巴氏合金軸瓦組織與結合特性，對比不同工藝巴氏合金軸瓦的優(yōu)缺點，為巴氏合金軸瓦生產(chǎn)及工藝改進提供依據(jù)。

1 巴氏合金軸瓦結合工藝研究

1.1 國內巴氏合金軸瓦工藝發(fā)展

針對靜止?jié)茶T出現(xiàn)的鑄造缺陷，自20世紀八十年代，我國開始向離心澆鑄工藝發(fā)展進行研究。直到21世紀初主要以離心澆鑄工藝改良為主，隨后一些學者嘗試使用噴涂工藝與焊接工藝進行巴氏合金軸瓦的修復與制備。近年來巴氏合金軸瓦制造工藝研究趨勢如圖1所示。隨著我國制造業(yè)水平的進步，2015年左右，國內軸瓦制作方式開始多元化發(fā)展，以釬焊、熔化極惰性氣體保護焊(MIG焊)、激光熔覆、埋弧焊等增材修復工藝逐漸開始興起，極大地拓展了軸瓦制造及修復的應用。

圖1 巴氏合金軸瓦制造工藝研究趨勢

1.2 國外巴氏合金軸瓦工藝發(fā)展

國外軸瓦制造工藝進展早于我國，19世紀70年代，已有學者進行澆鑄工藝的系統(tǒng)研究[1]，90年代出現(xiàn)噴涂成形工藝，2010年前仍以改良澆鑄工藝為主，2013年出現(xiàn)激光熔覆修復巴氏合金軸瓦的應用[2]，近年來，國外研究熱點以噴涂法和鎢極惰性氣體保護焊(TIG焊)為主，近五年也開始MIG焊與激光熔覆的研究。根據(jù)文獻發(fā)表情況，巴氏合金結合工藝研究仍以我國為主，國外研究進展已被我國逐漸追趕并超越。

1.3 巴氏合金軸瓦結構

常見的巴氏合金軸瓦如圖2所示，巴氏合金通過一定的工藝與鋼基體結合，巴氏合金中包含方塊狀的SnSb(β相)以及星狀、點狀或棒狀的Cu6Sn5(ε相)等硬質相，在磨合過程中硬質相上凸承擔支撐作用，軟基體(α相)下凹成為儲油空間和潤滑通道。兩者共同構成了巴氏合金軸瓦的優(yōu)異性能。

圖2 巴氏合金軸瓦結構

1.4 巴氏合金軸瓦結合工藝

1.4.1 澆鑄工藝

巴氏合金與鋼基體結合工藝最初為靜態(tài)澆鑄工藝，即在鍍錫后的鋼基體上導入融化的巴氏合金液體，進行靜止冷卻，但靜態(tài)澆鑄會在重力的作用下發(fā)生嚴重的偏析。之后改進工藝為離心澆鑄，即液態(tài)巴氏合金通過離心力與鍍錫的鋼基體達到結合。直至現(xiàn)在，仍有很多學者研究離心澆鑄工藝，Diouf P等[3]通過研究離心澆鑄轉速、澆注速率和冷卻速率三個不同參數(shù)對離心澆鑄性能的影響，發(fā)現(xiàn)冷卻速率對結合強度和界面組織的影響較大，冷卻速率越快，性能越好。Goudarzi M M等[4]研究了凝固速率和加熱對ASTM B23組織和硬度的影響，發(fā)現(xiàn)快速冷卻抑制了SbSn長方體的形成和生長，并提高了SbSn的硬度，且加熱會使沉淀物的棱角變圓。Potekhin B A等[5]通過設計“湍流鑄造”(Turbulent Casting)研究了離心鑄造巴氏合金B(yǎng)83的新方法，鑄造過程中液體的湍流運動保證了Sn、Cu3Sn金屬間化合物在熔體中的結晶。該方法不僅消除了偏析，還將銳角SnSb金屬間化合物轉變?yōu)榍驙?，但該方法所造成的巴氏合金組織粗大的問題依舊沒能得以解決。南飛艷[6]等研究了澆鑄過程中掛錫質量對澆鑄結果的影響，并總結了掛錫層質量的判斷方法。安建勇[7]優(yōu)化了巴氏合金軸瓦重力鑄造工藝，解決了結合面的脫殼問題。

離心澆鑄雖然改善了靜態(tài)澆鑄下偏析嚴重的問題，但仍然沒有從根本解決澆鑄產(chǎn)生的組織粗大和偏析問題。在澆鑄工藝中鋼基體通過鍍錫層與巴氏合金結合，兩者屬于物理吸附，結合強度很大程度取決于鍍錫層的質量，目前靜態(tài)澆鑄與離心澆鑄仍廣泛應用在結合強度要求不高的汽輪機等領域。

1.4.2 噴涂工藝

噴涂工藝在19世紀90年代應用于巴氏合金軸瓦修復，主要有火焰噴涂與電弧噴涂，兩者通過將巴氏合金粉末或絲材噴涂到鋼基體上達到結合的目的?；竟に嚵鞒虨楸砻骖A處理-基體預熱-噴涂巴氏合金粉末-表面機械加工。秦顥等[8]研究了巴氏合金火焰噴涂工藝參數(shù)及使用方法。段思華[9]研究了電弧噴涂巴氏合金組織與耐磨性，發(fā)現(xiàn)電弧噴涂后巴氏合金組織得到了有效改善，可更好地保持摩擦界面間油膜的連續(xù)性，減少摩擦副的磨損程度。張彬等[10]通過優(yōu)化熔煉鑄造、擠壓、拉拔等工序成功制備出適合熱噴涂使用的錫基巴氏合金ZChSnSb11-6絲材。Paulo等[11]評估和比較了電弧噴涂和火焰噴涂沉積ASTM B23/2合金的微觀組織、力學和摩擦學性能，并與離心和靜態(tài)鑄造工藝進行對比。結果表明采用熱噴涂工藝沉積的涂層孔隙率和組織細化程度均高于常規(guī)涂層。A. R.C等[12]提出了一種利用熱噴涂制備致密巴氏合金涂層的方法。與傳統(tǒng)的巴氏合金涂層相比，熱噴涂制備的巴氏合金涂層組織致密，硬質相分布精細且涂層磨損更低。兩種噴涂方式雖然解決了巴氏合金組織粗大和偏析的問題，但因其噴涂厚度和結合強度較低等因素限制了其發(fā)展。

此外，還有利用低壓冷噴涂技術沉積巴氏合金涂層，冷噴壓技術是一種全固態(tài)沉積技術，通過壓縮氣體將粉末顆粒撞擊基體并沉積在表面，與熱噴涂相比整個噴涂過程原料始終是固體形態(tài)，未發(fā)生熔化現(xiàn)象。Tillmann W等[13]通過研究低壓冷噴涂巴氏合金在不同推進劑氣體溫度以及基體溫度對涂層微觀組織特征的影響，發(fā)現(xiàn)無論基材溫度或推進劑氣體溫度如何，涂層主要由Sb2Sn23、Sb0.49Sn0.51、CuSn或CuSb0.115Sn0.835組成。目前該技術在國內巴氏合金軸瓦領域研究較少，尚未形成產(chǎn)業(yè)應用。

1.4.3 焊接工藝

目前用于巴氏合金軸瓦的焊接工藝有釬焊、MIG焊、TIG焊和埋弧焊等。釬焊作為一種廣泛使用的異種材料連接方法，開始主要用于軸承合金磨損部位的補焊，一般釬焊溫度高于釬料熔化溫度50～80℃，張勝全等[14]在Q235鋼上釬焊SnSb11Cu6，發(fā)現(xiàn)隨著釬焊溫度升高，錫基巴氏合金流動性和潤濕性增加，溫度過高時元素流失較為嚴重。

MIG焊工藝通過焊絲作為熔化電極，并采用惰性氣體(如氬氣)作為保護氣體，其優(yōu)點是電弧空間無氧化性，焊接過程不產(chǎn)生熔渣，是近年使用最廣泛的焊接工藝。TIG焊接工藝使用純鎢或活化鎢作為非熔化電極，采用惰性氣體作為保護氣體，目前使用范圍較小。宋振亞等[15]通過MIG焊將SnSb11Cu6堆焊到20鋼，并與離心澆鑄工藝進行顯微組織與結合強度的對比，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)MIG堆焊后巴氏合金產(chǎn)生了良好的晶粒細化現(xiàn)象，結合強度達到了80 MPa。劉致遠等[16]研究了焊接速度對鋁合金表面堆焊巴氏合金組織的影響，發(fā)現(xiàn)在一定的區(qū)間內，焊接速度越高，堆焊層的組織更細小，硬質相分布越均勻，界面結合強度更高，結合面的可靠性越好，硬度越高。吳俊輝等[17]在Q235鋼基體表面MIG堆焊了SnSb8Cu5，發(fā)現(xiàn)巴氏合金堆焊層與鋼基體犬牙交錯的結合方式增大了雙金屬的結合面積，擴散層達到了10 μm，結合強度達到了77 MPa，巴氏合金平均硬度為HV30。Wei M等[18]在ASTM 1045 鋼上使用MIG工藝堆焊了SnSb8Cu4、SnSb8Cu8、SnSb11Cu6，其結合強度分別為83.07 MPa、75.72 MPa和66.42 MPa，可見不同型號焊絲對巴氏合金與鋼基體的結合強度有較大影響。Zhou F等[19]通過TIG焊接在Q235B上堆焊SnSb11Cu6，發(fā)現(xiàn)當焊接電流為50～90 A時，界面層厚度為10.26～34.27 μm，結合強度為73～155 MPa，但所測得的結合強度試樣并未采用標準結合強度測試試樣，因此實際結合強度有待商榷。

埋弧焊工藝通過巴氏合金焊絲導入鋪滿焊劑的基體中，電弧在焊劑層下的焊絲與母材之間燃燒，溶劑會在融化后產(chǎn)生熔渣膜，將弧光遮蔽在空腔中，起到隔離空氣的作用。

李敬[20]研究了埋弧釬焊過程中弧-金界面的冶金行為，發(fā)現(xiàn)隨著熱輸入的增大金屬間化合物層厚度從12 μm增加到35 μm；不同熱輸入條件下金屬間化合物組成的界面層是由Fe3Sn2、FeSn和FeSn2所組成的疊層結構。徐冬豪[21]發(fā)現(xiàn)當埋弧焊巴氏合金界面硬質相組成的金屬間化合物達到一定厚度時，其釘扎作用可以起到提升結合強度的作用，但當金屬間化合物的厚度持續(xù)增加時，界面會變得硬而脆導致結合強度下降。

目前焊接工藝是廣泛使用的軸瓦制備工藝，隨著工藝水平的不斷革新，離心澆鑄被焊接工藝替代已成為大勢所趨，但軸瓦焊接工藝尚未有一套相關的標準，且相關結合理論還待進一步研究。

1.4.4 激光熔覆工藝

激光熔覆工藝通過高能激光的作用下將巴氏合金粉末快速融化并與鋼基體進行結合，因其涂層變化范圍大以及高度自動化等特點成為近年增材制造的研究熱點。張偉等[22]對錫基巴氏合金離心澆鑄層表面進行了激光重熔試驗，研究發(fā)現(xiàn)激光重熔層的平均硬度與離心澆鑄相比提高了25%。離心澆鑄巴氏合金在經(jīng)過激光快速重熔后，其金相質量和性能均有所提高，有利于提高滑動軸承的使用壽命。郝云波等[23-24]研究了激光熔覆下SnSb11Cu6與20鋼的微觀組織及力學性能，發(fā)現(xiàn)激光熔覆后兩者界面間形成了厚度約6 μm的中間界面層，實現(xiàn)了兩種合金間的冶金結合。隨著合金熔覆層厚度的增大，巴氏合金/20鋼斷裂形式從撕裂到整體斷裂，結合強度逐漸增大，在8 mm厚度時結合強度達到了137 MPa。此外基于逐點和逐層策略的選擇性激光熔覆(SLM)也應用于巴氏合金軸瓦的研究，Zhao X等[25]通過選擇性激光熔覆工藝制備了SnSb11Cu6，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過熔覆的SnSb11Cu6平均硬度在32.5～35.3 HV之間，略高于鑄造巴氏合金的28 HV，低激光掃描速度下的針狀Cu6Sn5相過度生長和高激光掃描速度下的空洞形成嚴重影響了巴氏合金試樣的力學性能。

激光熔覆工藝雖具有成型率高、組織性能好的特點，但巴氏合金需要提前制備成粉末，加之設備價格高昂等因素，對工序及成本有了更高的要求。

2 巴氏合金結合特性理論研究

眾多學者研究了不同工藝的巴氏合金軸瓦特性，但并未形成一套完整的理論實驗體系。太原科技大學王建梅團隊[26]根據(jù)現(xiàn)代軋機油膜軸承特點，提出了油膜軸承結合強度理論。也有一些學者從工藝的角度研究巴氏合金結合機理，目前巴氏合金結合強度理論主要包括結合界面應力場、結合強度及組織、組織的摩擦特性、結合溫度和合金厚度等。

2.1 結合界面應力場

多層金屬材料復合時，受不同工藝或加工參數(shù)的影響，材料在界面及形狀邊緣處會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，特別是物理性能相差較大的金屬，在界面結合處容易出現(xiàn)奇異應力場。巴氏合金軸瓦制造過程中受到不同力場的作用，金屬結合處受力復雜，極易造成應力突變。油膜軸承襯套是典型的巴氏合金與鋼基體結合的零部件，其結合質量對機械設備的安全運行起著決定性作用，因此襯套必須考慮奇異應力場的存在。孟凡寧、夏全志、姚坤等推導了復合材料界面端奇異應力場的完整公式[27-29]，計算了巴氏合金與不同鋼基體的奇異應力，發(fā)現(xiàn)20鋼更適合作為油膜軸承襯套的基體材料，并進一步計算了SnSb4Cu4、SnSb8Cu4與SnSb11Cu6與20鋼的應力場，研究得出結合界面FeSn2的存在能夠緩解巴氏合金與鋼基體的奇異性。李敬[20]通過研究巴氏合金埋弧釬焊過程中的弧-金界面冶金行為，預測了界面處產(chǎn)生各種金屬間化合物的可能性，并探索了結合界面冶金反應對微觀結構與接頭力學性能的影響。徐冬豪[21]進一步基于熔渣離子-分子共存理論，建立了對應的熔渣熱力學模型，并研究了熔渣對電弧行為產(chǎn)生的影響。

2.2 結合強度及組織

圖3所示為不同工藝下SnSb8Cu4/20鋼結合組織，其他結合工藝巴氏合金/鋼體雙金屬組織類似，均由由鋼基體、中間層和巴氏合金所組成。離心澆鑄工藝在進行澆鑄之前需要在鋼體上進行掛錫，所以中間層一般為鍍錫層，目前焊接或噴涂工藝不需要對鋼基體進行掛錫，中間層一般為在焊接過程中Fe與Sn產(chǎn)生的結合層，主要為FeSn、FeSn2和Fe3Sn2等物質。根據(jù)不同加工工藝中間層或基體也會發(fā)生變化，如焊接或激光熔覆過程中因冷卻速率較快，巴氏合金硬質相會產(chǎn)生較好的晶粒細化現(xiàn)象，也很少出現(xiàn)偏析。但熱輸入量較大時結合層一般會增厚，鋼基體也會產(chǎn)生淬火效應，巴氏合金也會產(chǎn)生硬質相堆積，因此不同結合工藝所需的最優(yōu)工藝參數(shù)需要大量實驗進行研究。

圖3 不同工藝下SnSb8Cu4界面結合組織

結合強度是衡量巴氏合金軸瓦工藝性能的一項重要指標，國內巴氏合金強度測量主要參照GB-1991版《滑動軸承-多層金屬滑動軸承結合強度破壞試驗辦法》。圖4為不同工藝下的平均結合強度，現(xiàn)階段研究尚未有統(tǒng)一的試驗參數(shù)，此處結合強度以參考文獻的均值處理。離心澆鑄經(jīng)過多年的發(fā)展，澆鑄質量也有較大提升，以7 mm厚度SnSb11Cu6/20鋼測量的結合強度平均值為56 MPa，已遠高于之前的36 MPa，文獻[30]所測得的電弧噴涂巴氏合金結合強度為57.1 MPa，MIG焊接結合強度為75～85 MPa[15,17]，作者通過在20鋼埋弧堆焊7 mm的SnSb8Cu4所測得結合強度為100 MPa左右，根據(jù)文獻[23]在20鋼上激光熔覆5 mm和8 mm的SnSb11Cu6結合強度分別為101 MPa和137 MPa?？梢姾附庸に嚺c激光熔覆工藝均有效提高了巴氏合金與鋼體的結合強度，熱噴涂因其工藝特性，其結合強度與離心澆鑄差距較小。

圖4 不同工藝下巴氏合金/鋼基體平均結合強度

2.3 摩擦學特性

巴氏合金以良好的耐磨性與順應性而應用廣泛，微觀組織反映宏觀性能，因此不同工藝下的巴氏合金組織會產(chǎn)生不同的摩擦學特性。離心澆鑄工藝目前經(jīng)過改善使得結合強度有了較大提高，但依舊會產(chǎn)生硬質相偏析的現(xiàn)象，圖5所示為離心澆鑄與激光熔覆下的SnSb8Cu4組織，可以明顯觀察到離心澆鑄組織分布不均，且硬質相粗大。激光熔覆組織分布均勻，整體晶粒細化程度較高，單位面積硬質相比例較大，導致整體硬度增大，耐磨性得以提高。但過高的硬質相比例會降低巴氏合金的順應性，因此，平衡巴氏合金組織與摩擦學特性是加工過程中必須考慮的因素。

圖5 不同工藝下巴氏合金組織

2.4 結合工藝數(shù)值模擬

巴氏合金/鋼體結合過程本質為受熱原子運動進行的物理化學變化，分子動力學可以在原子尺度進行能量計算，從原子層面研究不同材料間的界面結合能，獲得最大界面結合能的條件并驗證結合機理。文獻[27-29]通過分子動力學構建了巴氏合金/鋼基體的分子模型，研究了不同合金層厚度對結合性能的影響?；陔x心澆鑄與焊接工藝，計入有無過渡層及不同種類過渡層對結合界面的影響，得出了最佳結合溫度與過渡層厚度。

3 巴氏合金領域研究展望

近年來巴氏合金/鋼體結合工藝成為研究熱點之一，然而很多研究目前依然停留在實驗觀察階段，缺乏理論延伸及考慮多因素條件下軸瓦運行研究?；谀壳皣鴥韧獍褪虾辖?鋼體結合工藝的研究成果，巴氏合金/鋼體結合特性理論研究還有較多領域需要進一步拓展。

3.1 不同工藝對巴氏合金摩擦學特性影響

在巴氏合金軸瓦加工中，工藝不僅會影響巴氏合金與鋼體的結合強度，而且會影響巴氏合金硬質相分布，Paulo等[11]研究火焰噴涂與電弧噴涂時就發(fā)現(xiàn)在干燥條件下噴涂試樣的摩擦系數(shù)較大，但噴涂涂層油潤滑摩擦系數(shù)和磨損明顯低于常規(guī)鑄造涂層。郝云波等[24]研究了激光熔覆下巴氏合金干摩擦性能，發(fā)現(xiàn)激光熔覆巴氏合金摩擦系數(shù)高于離心澆鑄，Ni Y等[31]研究發(fā)現(xiàn)在較低載荷下激光熔覆與澆鑄試樣摩擦系數(shù)相近，隨著載荷的逐漸增大，激光熔覆巴氏合金顯示出較低的摩擦系數(shù)。

上述研究人員針對相應工藝研究了巴氏合金摩擦學性能，但尚未建立工藝參數(shù)到摩擦學的評價體系，不同工藝下的巴氏合金軸瓦在實際運行中可能會有不同的表現(xiàn)，如何平衡結合強度與摩擦學特性成為一個必須思考的問題。此外，軸高速運行時軸瓦表面溫度較高，因此高溫巴氏合金摩擦學特性與組織的演變也是一個需要研究的問題。

3.2 疲勞蠕變交互研究

巴氏合金熔點較低(185～240 ℃)，當溫度達到0.3Tm時(Tm為材料熔點)，會發(fā)生較為明顯的蠕變現(xiàn)象，因此蠕變損壞是軸瓦常見的失效形式之一。上世紀九十年代德國、意大利、美國等企業(yè)針對巴氏合金蠕變現(xiàn)象研究出了超低蠕變性的巴氏合金，然而在巴氏合金軸瓦實際運行過程中隨著循環(huán)交變載荷的作用下，巴氏合金仍然會面臨疲勞裂紋引起的失效。如何降低巴氏合金運行過程中的蠕變現(xiàn)象及延長疲勞壽命是需要迫切解決的問題。

3.3 巴氏合金成分改進

巴氏合金在面臨各種復雜工況時，其結合強度和摩擦性能會發(fā)生很大的變化，添加微量元素或改變元素比例后會增強巴氏合金的一些性能。如陳潤霖等[32]在SnSb11Cu6基礎將Cu含量提高至7%～10%，隨著Cu添加量的提高，試樣壓縮屈服強度先升高后降低。Ramadan M等[33]以納米顆粒為添加劑，制備了含氧化鋁納米顆粒的Sn基巴氏合金納米復合材料，發(fā)現(xiàn)隨著納米顆粒含量的增加，Cu6Sn5相有平行的團聚趨勢，對結合強度和摩擦學性能有一定的改善作用。

巴氏合金成分改進可基于不同工況及工藝特性進行，比如針對性地提高耐腐蝕性、抗氧化性、硬度和摩擦特性等，改性巴氏合金或將成為未來定制化軸瓦制作工藝的基本手段。

4 結語

高端軸承是我國裝備制造產(chǎn)業(yè)核心基礎件的關鍵組成部分，也是我國亟待發(fā)展的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。隨著新技術、新材料、新工藝的不斷發(fā)展，巴氏合金軸承領域將更好地發(fā)揮戰(zhàn)略作用，應對更加復雜多變的應用場景，向產(chǎn)業(yè)自動化、高可靠性逐步邁進。