謝克非，李金澤，胡 瑞，熊 樂(lè)，利盛昕，熊 震

（1.南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江西 南昌330099；2.四川紅華實(shí)業(yè)有限公司，四川 樂(lè)山614200；3.贛州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，江西 贛州341000）

錫基合金ZSnSb11Cu6與改性聚四氟乙烯是國(guó)內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)組推力軸瓦的兩種瓦體材質(zhì)[1]。錫基合金其應(yīng)用可以追溯到工業(yè)革命時(shí)代[2]，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為銻3%～15%，銅2%～6%，鎘＜1%，錫余量。具有減摩特性的錫基巴氏合金是最適合相對(duì)于低硬度軸轉(zhuǎn)動(dòng)的材料，我國(guó)水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承引進(jìn)其材質(zhì)使用至今[3]。近幾十年,我國(guó)的部分水電站開始采用彈性金屬塑料瓦代替巴氏合金瓦作為水輪發(fā)電機(jī)組推力軸瓦瓦體材料使用[4]，以東方電機(jī)等公司生產(chǎn)的改性聚四氟乙烯塑料瓦最具有代表性。但由于改性聚四氟乙烯推力瓦屬于新生事物，應(yīng)用效果和可靠性有待商榷，部分傳統(tǒng)電站和新電站繼續(xù)采用錫基合金ZSnSb11Cu6作為推力瓦材質(zhì)。對(duì)錫基合金ZSnSb11Cu6與改性聚四氟乙烯進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)比分析2種材質(zhì)的優(yōu)劣性，為電站提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)參考和技改支撐[5-6]。

1 推力軸瓦的耐溫性

推力軸瓦在日常工作中，會(huì)因機(jī)組開機(jī)停機(jī)，瓦面摩擦等過(guò)程導(dǎo)致瓦面溫度劇烈攀升。以推力軸瓦運(yùn)行工況為前提基準(zhǔn)，首先對(duì)錫基合金（ZSnSb11Cu6）瓦和改性聚四氟乙烯瓦采用熱差分析法（DTA）測(cè)試。獲得錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性四氟乙烯詳細(xì)的熱差曲線及溫度變化過(guò)程，分析各項(xiàng)特征溫度[7-9]。

1.1 錫基合金ZSnSb11Cu6耐溫性實(shí)驗(yàn)

錫基合金（ZSnSb11Cu6）采用熱差分析測(cè)試的方式進(jìn)行耐溫性測(cè)量。取一定的錫基合金（ZSnSb11Cu6）試樣進(jìn)行坩堝稱重，天平計(jì)量后減去干鍋的重量得到錫基合金（ZSnSb11Cu6）試樣的凈重，實(shí)驗(yàn)儀器要求試樣凈重選擇30 mg。以室溫為參考值，以10℃/min的升溫速度從室溫升提升到300℃，氮?dú)鈼l件下進(jìn)行，氮?dú)鈿饬髁繛?00 mL/min。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)繪制與編排，測(cè)得試樣的熱流/熱重曲線如圖1。

錫基合金（ZSnSb11Cu6）耐溫性實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出藍(lán)色、綠色和紅色3條曲線，DTA熱流曲線為綠色曲線，TG熱重曲線為藍(lán)色曲線，DDTA微分差熱曲線為紅色曲線。對(duì)熱流曲線與微分差熱曲線的觀察，可以了解到錫基合金（ZSnSb11Cu6）的吸熱峰、放熱峰及曲線上的特征值；對(duì)TG曲線的觀察，了解錫基合金（ZSnSb11Cu6）的重量減少速率。最終通過(guò)TG、DTA和DDTA曲線的觀察分析，得到錫基合金（ZSnSb11Cu6）的溫升變化過(guò)程，獲得錫基合金（ZSnSb11Cu6）的各項(xiàng)溫度特征值（Temp Cel）。

圖1 錫基合金（ZSnSb11Cu6）TG/DTA曲線Fig.1 TG/DTA curve of Tin alloy ZSnSb11Cu6

錫基合金（ZSnSb11Cu6）DTA曲線中，有3個(gè)較為明顯的吸熱谷，在溫度達(dá)到184.8℃時(shí)吸熱反應(yīng)首先發(fā)生，電位差此時(shí)為11.53μV，在溫度達(dá)到190.1℃時(shí)，達(dá)到吸熱峰值，即最大吸熱量，電位差此時(shí)為0.97μV；在溫度為220.3℃時(shí)出現(xiàn)第2個(gè)吸熱反應(yīng)，在溫度為246.3℃時(shí)出現(xiàn)第3個(gè)吸熱反應(yīng)，熱重曲線中，第2個(gè)吸熱反應(yīng)峰發(fā)生大幅度波動(dòng)。

1.2 改性聚四氟乙烯耐溫性實(shí)驗(yàn)

與錫基合金（ZSnSb11Cu6）實(shí)驗(yàn)條件及步驟相同，對(duì)改性聚四氟乙烯進(jìn)行熱差分析測(cè)試。改性聚四氟乙烯熱重/熱流曲線中，較為明顯的吸熱反應(yīng)和放熱共有3處，微分差熱曲線也與之相互對(duì)應(yīng)。

在溫度達(dá)到321.3℃時(shí)開始發(fā)生初次吸熱反應(yīng)過(guò)程，電位差此時(shí)為12.96μV，在溫度達(dá)到329.8℃時(shí)，達(dá)到初次吸熱反應(yīng)峰值，電位差此時(shí)為10.37μV；第2個(gè)吸熱反應(yīng)過(guò)程在溫度為511.3℃時(shí)出現(xiàn)，電位差為12.60μV，溫度為559.2℃時(shí)達(dá)到第2個(gè)吸熱過(guò)程最大吸熱反應(yīng)量，此時(shí)為改性聚四氟乙烯最大吸熱量，峰值處電位差為3.57μV；在溫度為246.3℃時(shí)出現(xiàn)第3個(gè)吸熱反應(yīng)。此外，在熱重曲線中，在第2個(gè)吸熱反應(yīng)峰值處出現(xiàn)強(qiáng)烈波動(dòng)，熱重?zé)崃髑€如圖2所示。

圖2 改性聚四氟乙烯TG/DTA曲線Fig.2 TG/DTA curve of PTFE

2 推力瓦材質(zhì)的硬度

由外界施加壓力導(dǎo)致材料發(fā)生相對(duì)抵抗外壓的能力，這種能力稱為硬度。材料對(duì)外界物體入侵的這種局部抵抗能力，硬度一定程度上影響著金屬的屈服強(qiáng)度，發(fā)電機(jī)組上常應(yīng)用此方法來(lái)進(jìn)行間接比較各種材料的屈服強(qiáng)度[10]。此外，推力瓦運(yùn)行工況中，材質(zhì)軟硬度也是影響瓦體材質(zhì)的重要因素之一。通過(guò)對(duì)錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯進(jìn)行維氏硬度（宏觀）實(shí)驗(yàn)，獲得并處理數(shù)據(jù)，得到錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯的硬度值[11]。

3 錫基合金ZSnSb11Cu6、改性聚四氟乙烯硬度

用鋸尺將錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯初步加工為14 mm3的立方體，然后使用銑刀再進(jìn)行精加工，精加工為10 mm3的立方體，最后使用機(jī)械拋光機(jī)將其拋光成鏡面，制好試樣。緊接著，將試樣塊進(jìn)行打點(diǎn)測(cè)量。以任一鏡面邊的中心點(diǎn)開始往面中心點(diǎn)打點(diǎn)，打點(diǎn)數(shù)目至6點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將測(cè)量的維氏硬度值進(jìn)行匯總，如表1。

表1 維氏硬度測(cè)量匯總數(shù)據(jù)Tab.1 Vickers hardness measurement data

將表1中的維氏硬度測(cè)量匯總數(shù)據(jù)用Origin軟件進(jìn)行曲線刻畫，觀察兩種材料硬度曲線的離散和穩(wěn)定狀況，如圖3所示。在圖3中可以發(fā)現(xiàn)，錫基合金（ZSnSb11Cu6）改性聚四氟乙烯的維氏硬度曲線都存在一個(gè)波動(dòng)范圍區(qū)間。錫基合金（ZSnSb11Cu6）的硬度范圍區(qū)間在60～80 N/mm2之間，改性聚四氟乙烯的硬度范圍區(qū)間在14～15 N/mm2之間。并且，從Origin硬度曲線上可以觀察出，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的硬度測(cè)量值波動(dòng)情況大，離散情況明顯；改性聚四氟乙烯的硬度曲線平緩穩(wěn)定，相對(duì)波動(dòng)不明顯。

圖3 維氏硬度曲線Fig.3 Vickers hardness curve

計(jì)算處理上表1的錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯的維氏硬度值，經(jīng)過(guò)算數(shù)平均數(shù)的計(jì)算，得出兩種材質(zhì)的維氏硬度均值，將其均值作為錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯的硬度參考值，計(jì)算過(guò)程如下

通過(guò)上述的算數(shù)平均數(shù)的計(jì)算，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的硬度參考值為70.325 N/mm2，改性聚四氟乙烯的硬度參考值為14.450 N/mm2。

4 推力瓦材質(zhì)的摩擦磨損性能

摩擦磨損性能是影響軸承耐久性又一重要性能之一[12]。將錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯瓦加工成7.6 mm的銷試樣，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的對(duì)磨材料選用的為45號(hào)鋼，將45號(hào)鋼通過(guò)機(jī)械冷加工成58 mm的圓柱體，并在圓柱體其中心處挖取直徑為14 mm，高度為5 mm左右的凹型槽，用于摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)下沉安裝國(guó)定螺絲，并且用砂紙將其打磨成粗糙面。

經(jīng)過(guò)預(yù)先實(shí)驗(yàn)加載，錫基合金（ZSnSb11Cu6）5 kg荷載時(shí)出現(xiàn)較明顯磨損；因此選定在5 kg荷載、油潤(rùn)滑（46號(hào)機(jī)油）的條件下進(jìn)行詳細(xì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)錫基合金（ZSnSb11Cu6）試樣，改性四氟乙烯試樣進(jìn)行200，400，600 r/min摩擦實(shí)驗(yàn)，磨損實(shí)驗(yàn)[13]。其中，24 h磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果做為磨損標(biāo)準(zhǔn)[14]，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)完成后，收集匯總數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)繪制成圖，錫基合金（ZSnSb11Cu6）曲線如圖4所示。

在200 r/min下，錫基合金（ZSnSb11Cu6）摩擦系數(shù)在0.08到0.10之間進(jìn)行波動(dòng)，摩擦系數(shù)0.092為200 r/min條件下摩擦系數(shù)最終均值；在400 r/min下，錫基合金（ZSnSb11Cu6）摩擦系數(shù)在0.09～0.11之間進(jìn)行波動(dòng)，摩擦系數(shù)0.087為400 r/min條件下摩擦系數(shù)的最終均值；在600 r/min下，錫基合金（ZSnSb11Cu6）摩擦系數(shù)發(fā)生下滑現(xiàn)象，錫基合金（ZSnSb11Cu6）屈服強(qiáng)度已達(dá)到該種材料的極限，開始發(fā)生損壞，摩擦系數(shù)最終降至0.041。

圖4 5 kg荷載-錫基合金（ZSnSb11Cu6）Fig.4 5 kg load-tin alloy(ZSnSb11Cu6)

采用電子天平，對(duì)實(shí)驗(yàn)后錫基合金（ZSnSb11Cu6）進(jìn)行稱重，與實(shí)驗(yàn)前稱重值進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，錫基合金（ZSnSb11Cu6）磨損條件為200 r/min時(shí)，計(jì)算磨損量為0.149 g，錫基合金（ZSnSb11Cu6）磨損實(shí)驗(yàn)為400 r/min時(shí)，計(jì)算磨損量為0.132 5 g，錫基合金（ZSnSb11Cu6）磨損實(shí)驗(yàn)條件為600 r/min時(shí)，計(jì)算磨損量為0.178 9 g。5 kg荷載下，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的磨損現(xiàn)象開始顯著突出。

圖5 5 kg荷載-改性聚四氟乙烯Fig.5 5 kg load-modified PTFE

如圖5所示，改性聚四氟乙烯5 kg荷載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，改性聚四氟乙烯在200 r/min摩擦?xí)r，基本趨于平穩(wěn)，摩擦系數(shù)在0.01上下波動(dòng)，摩擦系數(shù)最終的計(jì)算均值為0.01；改性聚四氟乙烯在400 r/min摩擦?xí)r，摩擦系數(shù)在0.01～0.03區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)情況較為劇烈，摩擦系數(shù)最終的計(jì)算均值為0.039；600 r/min下，改性聚四氟乙烯摩擦曲線，曲線在0.01～0.04之間波動(dòng)，最終摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.05。

通過(guò)電子天平稱重，200 r/min實(shí)驗(yàn)條件下，0.001 g為改性聚四氟乙烯實(shí)驗(yàn)前后磨損量；400 r/min實(shí)驗(yàn)條件下，0.000 1 g為改性聚四氟乙烯實(shí)驗(yàn)前后磨損量；600 r/min實(shí)驗(yàn)下，0.093 g為改性聚四氟乙烯實(shí)驗(yàn)前后磨損量。5 kg荷載的條件下，改性聚四氟乙烯磨損量微小。

5 結(jié)論

1）錫基合金（ZSnSb11Cu6）在溫度處于184℃左右時(shí)，材料出現(xiàn)大規(guī)模分解，溫度在184℃之前，錫基合金（ZSnSb11Cu6）材料自身可以正常發(fā)揮各項(xiàng)性能；改性聚四氟乙烯在溫度處于511.3℃左右時(shí)，材料出現(xiàn)大規(guī)模分解，溫度在320℃之前，改性聚四氟乙烯能保證性能的正常發(fā)揮，在500℃以上時(shí)，性能發(fā)生大規(guī)模衰減。改性聚四氟乙烯材質(zhì)耐溫性明顯強(qiáng)于錫基合金（ZSnSb11Cu6）材質(zhì)，更能面對(duì)復(fù)雜的高溫現(xiàn)象。

2）改性聚四氟乙烯的硬度計(jì)算值為14.450，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的硬度計(jì)算值為70.325，改性聚四氟乙烯材質(zhì)比巴氏合金材質(zhì)硬度更小，更不會(huì)損傷對(duì)磨鏡板等材質(zhì)。

3）摩擦系數(shù)0.08～0.1之間為錫基合金（ZSnSb11Cu6）的摩擦系數(shù)范圍，摩擦系數(shù)0.01～0.04之間為改性聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)范圍，相比較，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于改性聚四氟乙烯，在24 h摩擦磨損實(shí)驗(yàn)下，0.13～0.18 g為錫基合金（ZSnSb11Cu6）的磨損量范圍，0.000 1～0.093 g為改性聚四氟乙烯的磨損量范圍，磨損量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于錫基合金（ZSnSb11Cu6），耐磨性突出明顯。

4）綜合以上性能的研究，改性聚四氟乙烯塑料瓦比錫基合金（ZSnSb11Cu6）的性能更加優(yōu)良，更加耐磨。在水輪發(fā)電機(jī)組推力瓦材質(zhì)的選擇中，改性聚四氟乙烯比錫基合金（ZSnSb11Cu6）工程應(yīng)用性更好。