蘇雅萍，段傳棟，馬 蓉，萬(wàn)久遠(yuǎn)

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

裝載機(jī)的工作裝置是裝載機(jī)發(fā)揮作用的關(guān)鍵部件，而工作裝置鉸接處的銷(xiāo)軸和軸套又是工作裝置的關(guān)鍵部件。工作中，軸套內(nèi)壁與銷(xiāo)軸配合組成一對(duì)摩擦副，要求其具有良好的減摩耐磨與抗咬合性能，同時(shí)軸套本體負(fù)載后加上工作裝置自身的重量，因此軸套承載較大，且作業(yè)時(shí)機(jī)子的停走、工作裝置頻繁升降使用、緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)等，都將對(duì)軸套產(chǎn)生一定的沖擊和摩擦，因此要求軸套需要具有高強(qiáng)度和高耐磨性、心部強(qiáng)韌性等性能要求。目前此類(lèi)零件通常采用滲碳淬火鋼套或者銅套，為了改善自潤(rùn)滑性能，在軸套壁設(shè)計(jì)多孔，孔中鑲嵌填充圓形固體潤(rùn)滑劑石墨，雖能滿足工作要求，但由于工藝要求高，操作復(fù)雜，加工效率低，而且質(zhì)量難以控制，導(dǎo)致生產(chǎn)制造成本較高。

粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過(guò)成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類(lèi)型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金技術(shù)具備顯著節(jié)能、省材、性能優(yōu)異、產(chǎn)品精度高且穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，非常適合大批量生產(chǎn)[1]。鐵基粉末冶金含油軸承以鐵、銅、鎳等多種金屬粉末為原料，經(jīng)壓制、燒結(jié)、淬火回火、真空浸油等工序加工而成，基體具有細(xì)微、均勻分布的孔隙，經(jīng)不含硅的潤(rùn)滑油真空浸漬后形成含油狀態(tài)多孔性結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度及自潤(rùn)滑特性，具有優(yōu)異的耐磨性能，使用中可以明顯改善摩擦副匹配，提高減摩耐磨性能與銷(xiāo)軸、軸套的使用壽命，且生產(chǎn)效率高，加工工時(shí)少、花費(fèi)成本低，是比較適合工作裝置摩擦副的異響、早期磨損等問(wèn)題的解決辦法之一。

通過(guò)從材料成分、物理性能、組織、機(jī)械性能、臺(tái)架模擬耐磨性試驗(yàn)等方面開(kāi)展對(duì)鐵基粉末冶金含油軸承應(yīng)用研究，以取代目前常用的鋼套、銅套、鋼/銅鑲嵌石墨軸套，從而提升質(zhì)量和可靠性并降低生產(chǎn)成本。

1 材料成分配比及生產(chǎn)工藝

粉末冶金含油軸套所用的原材料為還原鐵粉（Fe）、霧化銅粉（Cu）、鉬粉（Mo）、鎳粉（Ni）、石墨粉（C）。按表1 所示配料，并加0.5%石蠟微分和0.5%航空煤油[2]。材料組成中Fe-Cu-Ni-Mn-C 骨架材料為軸套提供了足夠的強(qiáng)度和硬度，高的含銅量為材料提供了抗卡性和減摩性能；固體潤(rùn)滑劑的摻入以改善材料的減摩性能[3]。

表1 軸套材料成分配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

粉末冶金含油軸套供方的生產(chǎn)工藝流程為：配料—混粉—壓制成型—燒結(jié)—熱處理—真空浸油—機(jī)加工—成品。按表1 配方各粉末在三維混料機(jī)中混合均勻后置于模具內(nèi)，以一定壓力在自動(dòng)壓機(jī)上雙向壓制成型，獲得一定的壓坯密度和孔隙率的粉末軸套毛坯，以保證其在燒結(jié)以后具有較高的含油率。接著粉末冶金軸套毛坯在可控氣氛網(wǎng)帶式燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)處理，使各種粉末顆粒發(fā)生相互流動(dòng)、擴(kuò)散、熔解、再結(jié)晶等，使原材料的合金元素預(yù)合金化和各組元充分溶解、協(xié)同作用，保證材料的組織和性能，確保材料具有高的強(qiáng)度和硬度。同時(shí)為了進(jìn)一步增高強(qiáng)度、硬度和耐磨性使其適應(yīng)重載低速工況要求，粉末冶金軸套接著在網(wǎng)帶爐進(jìn)行整體淬火回火熱處理。最后軸套真空浸漬潤(rùn)滑油，形成了高強(qiáng)高硬馬氏體組織且具有自潤(rùn)滑性能的粉末冶金含油軸套。

2 含油密度和含油率分析

按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5163-2006 采用質(zhì)量/體積的方法和密度天平測(cè)量成品軸套的完全浸潤(rùn)密度（濕密度）和含油率。經(jīng)分析實(shí)測(cè)零件含油密度為6.58、6.59、6.61 g/cm3，平均含油密度6.59 g/cm3，含油量為19.50%、18.80%、19.30%，平均含油量19.2%。粉末冶金材料合適的孔隙度使軸套具有較高的密度和含油量，可保證燒結(jié)材料的強(qiáng)度，以提高軸套的自潤(rùn)滑性能。

3 機(jī)械性能分析

打磨成品粉末軸套表面后使用臺(tái)式洛氏硬度計(jì)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T230.1 進(jìn)行表面硬度測(cè)試，實(shí)測(cè)硬度值為98、102、93HRB，平均硬度97.7HRB。

按GB/T6804、GB/T6525、GB/T7964 用液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試粉末軸套的徑向壓潰強(qiáng)度、壓縮屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，檢測(cè)結(jié)果基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 粉末冶金含油軸套機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果

4 金相分析

成品粉末軸套取樣拋磨后經(jīng)3% ～5%硝酸酒精溶液浸蝕，用徠卡金相顯微鏡觀察試樣的金相組織形貌。組織為回火馬氏體組織+游離態(tài)銅+少量殘余奧氏體，圖中大量黑色的是彌散均勻分布的孔隙，見(jiàn)圖1～圖3。軸套熱處理后獲得高強(qiáng)度、硬度馬氏體組織從而獲得卓越的耐磨性能，高的游離銅使粉末軸套獲得卓越的自潤(rùn)滑性和抗咬合性；組織的空隙通過(guò)浸油獲得卓越的自潤(rùn)滑性。

圖1 拋光態(tài)金相組織 X100 倍

圖2 金相組織 X100 倍

圖3 金相組織 X500 倍

5 耐磨性臺(tái)架試驗(yàn)

在銷(xiāo)軸軸套可靠性試驗(yàn)裝置模擬軸套在機(jī)器上的工作狀態(tài)測(cè)試重載低速粉末冶金含油軸套的耐磨性能。試驗(yàn)用的軸套壓入軸承內(nèi)圈，試驗(yàn)用的銷(xiāo)軸穿進(jìn)軸套形成摩擦副，銷(xiāo)軸兩端放在安裝座上，銷(xiāo)軸耳板被固定在安裝座上。壓力調(diào)節(jié)裝置施加等效實(shí)際工況的載荷在軸承外圈并傳遞到試驗(yàn)軸套上，兩側(cè)伸縮油缸通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)臂帶動(dòng)軸承內(nèi)圈以及試驗(yàn)軸套做往復(fù)旋轉(zhuǎn)。測(cè)試臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)后停止。軸套的規(guī)格為φ90 mm ×φ104 mm × 110 mm，對(duì)偶銷(xiāo)軸為40Cr 材料，調(diào)質(zhì)+表面淬火，表面硬度56～62HRC，有效硬化層深不低于4 mm，尺寸φ90 mm × 305 mm。徑向加載495 kN（50 MPa），擺動(dòng)角±27.5°，初始加注潤(rùn)滑脂后運(yùn)行期間不再打脂，連續(xù)擺動(dòng)12 萬(wàn)次（每分鐘擺動(dòng)15 次）后停止拆檢，采用檢測(cè)試驗(yàn)前后銷(xiāo)軸外徑及試驗(yàn)軸套內(nèi)徑的變化來(lái)表征磨損量，銷(xiāo)軸和軸套磨損量總和來(lái)計(jì)算摩擦副的配副性，此以判定系統(tǒng)摩擦副的耐磨性能。

臺(tái)架試驗(yàn)50 MPa 循環(huán)12 萬(wàn)次（等效裝載機(jī)V 鏟整機(jī)工作500 h）后將銷(xiāo)軸、軸套拆檢并測(cè)量尺寸變化量作為磨損量，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3 和圖4 和圖5 所示。

圖4 拆檢的40Cr 銷(xiāo)軸和粉末冶金含油軸套表面形貌

圖5 拆檢的40Cr 銷(xiāo)軸和鋼套表面形貌

表3 臺(tái)架試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

粉末冶金含油軸套組臺(tái)架運(yùn)行整個(gè)過(guò)程中摩擦副無(wú)異響，其摩擦系數(shù)波動(dòng)小基本維持0.09～0.11 左右，最高溫度60 ℃左右。而同樣條件下測(cè)試的普通鋼套組，在臺(tái)架運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)歷了磨合期、平穩(wěn)期、間隙性異響期、持續(xù)異響期等多個(gè)階段，在循環(huán)63724 次摩擦副開(kāi)始出現(xiàn)持續(xù)異響進(jìn)入持續(xù)異響期，應(yīng)是銷(xiāo)軸、軸套已嚴(yán)重磨損但當(dāng)時(shí)沒(méi)有停止試驗(yàn)拆檢，檢測(cè)的摩擦系數(shù)變動(dòng)數(shù)據(jù)0.08→0.1→0.15→0.27，摩擦系數(shù)波動(dòng)大，隨著運(yùn)行次數(shù)的增加，整體呈上升的趨勢(shì)，最高溫度甚至達(dá)73 ℃。經(jīng)對(duì)比分析，粉末冶金含油軸套組的相對(duì)耐磨性是鋼套組的2.4 倍，摩擦系數(shù)降低63%，最高溫度降低22%，且試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)異響，這些均使粉末冶金含油軸套的耐磨性能得到大幅提升，摩擦副的磨損減小，系統(tǒng)耐磨性明顯提高，進(jìn)而提高摩擦副的耐久性和可靠性。

6 客戶裝機(jī)實(shí)地工況驗(yàn)證

臺(tái)架模擬試驗(yàn)的結(jié)果須在實(shí)際客戶裝機(jī)工況中加以驗(yàn)證。某裝載機(jī)工作裝置13 鉸接點(diǎn)試裝粉末冶金含油軸套到客戶采石場(chǎng)工況進(jìn)行驗(yàn)證，機(jī)子主要鏟裝碎石和石粉等，機(jī)器每天三班倒基本不停機(jī)，每隔3 ～5 天氣動(dòng)打潤(rùn)滑脂，其它按正常維護(hù)保養(yǎng)。整機(jī)使用2500 h 后拆檢鏟斗下銷(xiāo)，銷(xiāo)軸表面形成均勻的油膜，軸套內(nèi)部進(jìn)入少許灰塵形成油泥。擦拭干凈，整體觀察銷(xiāo)軸表面光滑，僅局部有非常細(xì)微劃痕，粉末軸套表面比較光滑，局部看見(jiàn)很淺的凹坑和1-2 條小劃痕，可能是小石子進(jìn)入導(dǎo)致。銷(xiāo)軸平均磨損量0.08 mm，局部最大磨損量0.09 mm。軸套平均磨損量0.20 mm，局部最大磨損量0.27 mm。銷(xiāo)軸各部位磨損量較均勻，軸套最大磨損部位是靠近邊緣位置?，F(xiàn)批量裝機(jī)粉末冶金含油軸套使用最長(zhǎng)已超8500 h+，經(jīng)跟蹤使用良好從未出現(xiàn)摩擦副異響情況反饋。實(shí)際工況使用1510 h 普通鋼套鉸接摩擦副，銷(xiāo)軸和鋼套表面嚴(yán)重磨損，軸表面有大量磨痕局部出現(xiàn)偏磨，表面有深淺不一的凹坑和剝落，局部最大凹坑磨損深度約估達(dá)4 mm，鋼套表面同樣有最大深度約1 mm 的凹坑和剝落。經(jīng)對(duì)比，粉末冶金軸套能明顯改善銷(xiāo)軸和軸套的摩擦磨損和異響，對(duì)解決銷(xiāo)軸、軸套咬銷(xiāo)問(wèn)題有較大優(yōu)勢(shì)，可進(jìn)一步提高鉸接摩擦副的壽命。負(fù)荷較大和轉(zhuǎn)速較低的運(yùn)行工況，可選用鐵基燒結(jié)粉末冶金含油軸承。鐵資源豐富易得，成本低，并通過(guò)合金化或添加劑可改善基體的強(qiáng)度和減摩性能，且比銅基軸承具有更高的耐磨性和承載能力[3]。粉末冶金含油軸套非常適合采石場(chǎng)的重載低速工況，實(shí)地工況驗(yàn)證取得了良好的效果和經(jīng)濟(jì)效益，客戶非常滿意。

圖6 客戶石場(chǎng)工況2500h 拆檢鏟斗銷(xiāo)軸和粉末油套表面形貌

圖7 40Cr 銷(xiāo)軸和鋼套使用1500h 后拆檢形貌

7 分析

粉末冶金含油軸套是一種微米級(jí)孔隙中含浸有潤(rùn)滑油的多孔性合金制品。在正常工作狀況下，銷(xiāo)軸與含油軸套之間始終充滿潤(rùn)滑油脂。但工作中出現(xiàn)短暫性缺油時(shí)，因軸與軸套之間的金屬摩擦使含油軸套溫度升高，由于潤(rùn)滑油的膨脹系數(shù)比軸套高一個(gè)數(shù)量級(jí)，潤(rùn)滑油從軸套的微米級(jí)孔隙中擠出進(jìn)入軸與軸套的接觸區(qū)附近、軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于泵吸作用，即因軸旋轉(zhuǎn)而將含油軸套材料內(nèi)含有的潤(rùn)滑油吸出，油從油壓低的上部流向油壓高的滑動(dòng)部，經(jīng)由油的流動(dòng)形成的油膜將軸與軸承間隔開(kāi)，從而發(fā)揮了防止金屬間相互接觸的功能，避免軸與軸套之間的干摩擦。銷(xiāo)軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，隨摩擦面溫度下降，存在于軸套內(nèi)表面多余的油，經(jīng)由毛細(xì)作用又為軸套中的微小孔隙吸納。優(yōu)良的自潤(rùn)滑性，使它能在潤(rùn)滑劑難以到達(dá)之處和難以補(bǔ)充加油或者不希望加油的場(chǎng)合使用，以達(dá)到安全和無(wú)油污染的效果。對(duì)于工作裝置的系統(tǒng)摩擦副可減少機(jī)子的打脂量或延長(zhǎng)打脂周期。粉末冶金材料自身具有多孔的特性能減震和降低噪聲[3]。在耐磨性臺(tái)架試驗(yàn)中粉末冶金含油軸套這個(gè)結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，這對(duì)改善鉸接摩擦副的異響非常有效。粉末冶金含油軸套密度小且具有多孔性，具備一定彈性抗沖擊能力，在使用過(guò)程中能起到緩沖作用，減輕銷(xiāo)軸、軸套之間的剛性碰撞與摩擦，大大減少各重要零部件的磨損，從而達(dá)到保護(hù)的目的。一定材料成分配比經(jīng)壓制、燒結(jié)的粉末軸套，獲得了比較合理的密度和孔隙率，再經(jīng)熱處理和真空浸油，獲得高強(qiáng)度、硬度馬氏體組織和高的游離銅，從而獲得卓越的耐磨性能、自潤(rùn)滑性和抗咬合性能。正是粉末冶金含油軸套具有與鋼套不同的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)，經(jīng)臺(tái)架模擬試驗(yàn)以及客戶裝機(jī)實(shí)地工況驗(yàn)證都獲得了很好的效果，說(shuō)明粉末冶金含油軸套非常適合重載低速的裝載機(jī)工作裝置的工況條件。

8 結(jié)語(yǔ)

鐵基粉末冶金含油軸承基體具有細(xì)微、均勻分布的孔隙，燒結(jié)熱處理后經(jīng)潤(rùn)滑油真空浸漬后形成含油多孔性結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度及自潤(rùn)滑特性，具有優(yōu)異的耐磨性能，使用中可以明顯改善裝載機(jī)工作裝置鉸接系統(tǒng)摩擦副匹配，減震和降低噪聲并解決異響問(wèn)題，提高減摩耐磨性能與銷(xiāo)軸、軸套的使用壽命。粉末冶金含油軸套具有與鋼套、銅套不同的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)，在臺(tái)架模擬試驗(yàn)和客戶采石場(chǎng)工況都獲得了極佳的使用效果，可經(jīng)受重載和沖擊載荷的復(fù)雜工況及野外粉塵沙礫的惡劣環(huán)境，現(xiàn)已應(yīng)用于工作裝置的鉸接摩擦副系統(tǒng)，成功地服役于某中大型裝載機(jī)超8500 h+，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此粉末冶金含油軸套在重載低速的裝載機(jī)工作裝置的工況條件是非常不錯(cuò)的選擇之一。