安建勇
(太原市掛車制造廠,山西太原 030024)
滑動軸承是各類機械設(shè)備中的一個重要零部件,軸承的效能直接關(guān)系到整個機器的效率和安全運行。在較大沖擊、壓力和相互滑動過程中,軸瓦容易發(fā)生磨損,為確保合金軸瓦的安全運行,提高和保證軸瓦質(zhì)量顯得特別重要。
目前,在低碳鋼基體上澆鑄巴氏合金是軸瓦制造通常采用的工藝方法。但是采用該工藝制造的產(chǎn)品質(zhì)量不易保證,容易出現(xiàn)超聲波探傷(UT)脫殼和滲透探傷(PT)不符合國家標準等情況,影響產(chǎn)品質(zhì)量。為了探討如何提高巴氏合金軸瓦質(zhì)量的方法,我們采用了因果分析圖的科學(xué)分析方法對影響巴氏合金軸瓦的因素進行分析,主要闡述了在巴氏合金軸瓦澆鑄過程中在胎具設(shè)計上進行了創(chuàng)新,采用壓胎的方法;嚴格控制巴氏合金液體純度;嚴格控制巴氏合金融化溫度;加快冷卻速度;對巴氏合金液體進行多次精煉及定期對操作者進行培訓(xùn)等措施,有效解決了軸瓦超聲波探傷(UT)脫殼和滲透探傷(PT)不符合國家標準等問題。
1.1 鑄造錫基軸承合金的化學(xué)成分見表1。
表1 鑄造錫基軸承合金的化學(xué)成分
1.2 鑄造軸承合金的力學(xué)性能及物理性能見表2。
表2 鑄造軸承合金的力學(xué)性能及物理性能
1.3 超聲波探傷(UT)允許的缺陷見表3。
表3 超聲波探傷(UT)允許的缺陷
1.4 著色探傷允許缺陷見表4。
表4 著色探傷(PT)允許的缺陷
1.5 軸瓦巴氏合金層澆鑄要求
在機電行業(yè)國家標準GB/T 18329中規(guī)定了用超聲波探傷和著色探傷檢查巴氏合金結(jié)合面操作方法和驗收標準。
(1) 軸瓦的制備工序:瓦坯的機械粗加工→巴氏合金的澆鑄→巴氏合金的粗加工→UT探傷→軸瓦的精加工
(2) 軸瓦巴氏合金鑄造工藝路線:瓦坯的預(yù)熱→瓦坯搪錫→裝卡→巴氏合金的澆注→水冷→開模
針對軸瓦生產(chǎn)工序及實際生產(chǎn)工況,通過因果分析圖的科學(xué)分析方法,對可能產(chǎn)生的影響因素進行了梳理(如圖1),并且確定主要因素。
圖1 因果分析圖
3.1 巴氏合金層澆鑄厚度大小直接影響巴氏合金與基體的結(jié)合強度。在軸瓦澆鑄巴氏合金液體時,巴氏合金液體是逐漸順序凝固的,軸瓦從高溫降至室溫。在這個過程中,巴氏合金與瓦體同時冷卻,由于它們的材質(zhì)及線膨脹系數(shù)不一樣,所以在凝固過程中它們收縮量也不一樣,產(chǎn)生的應(yīng)力也不同。軸瓦巴氏合金在凝固過程中產(chǎn)生的收縮量大于基體產(chǎn)生的,故基體同巴氏合金層結(jié)合處產(chǎn)生了很大的應(yīng)力,容易產(chǎn)生脫殼現(xiàn)象。
3.2 在巴氏合金爐中融化巴氏合金過程中,精煉巴氏合金液體的次數(shù)不夠,在金屬液體內(nèi)部有雜質(zhì)及氣體產(chǎn)生;攪拌巴氏合金液體不到位,在爐子底部有沉淀產(chǎn)生,致使巴氏合金液體不純,容易產(chǎn)生氣孔、夾雜、縮松等缺陷,導(dǎo)致巴氏合金表面滲透探傷(PT)不合格。
3.3 軸瓦澆注巴氏合金液體后通過水冷瓦背來快速降低軸瓦的溫度,凝固的方向是由巴氏合金液體與基體的結(jié)合面向巴氏合金液體表面順序凝固,巴氏合金這種凝固方向有效增加結(jié)合面的結(jié)合強度,可避免產(chǎn)生超聲波探傷(UT)不合格的現(xiàn)象。在生產(chǎn)實際過程中,操作者如果沒有快速冷卻軸瓦,致使巴氏合金表面先凝固,破壞了巴氏合金順序凝固原理,大大降低了軸瓦UT和PT的合格率。
3.4 軸瓦澆鑄巴氏合金是非常復(fù)雜的特種鑄造過程,搪錫層的形成過程是關(guān)鍵的環(huán)節(jié),搪錫層直接連接基體和巴氏合金又稱過渡層,其厚度要適宜并且要均勻,否則,會直接影響軸瓦的結(jié)合強度,甚至?xí)斐沙暡ㄌ絺?UT)不合格。依據(jù)多年來生產(chǎn)實踐經(jīng)驗,總結(jié)出影響搪錫層質(zhì)量的因素有:
(1) 澆鑄表面不規(guī)則,表面粗糙度數(shù)值達不到Ra3.2 μm的要求;
(2) 澆鑄表面不干凈,附著油污冷卻液,致使空氣對瓦坯有腐蝕作用,產(chǎn)生銹蝕,氧化物等;
(3) 錫液溫度控制不精準,溫度太高會使剛出錫液的瓦坯澆注表面快速氧化,澆鑄表面快速形成氧化層,澆鑄時不利于懸浮,易造成合金內(nèi)部夾雜現(xiàn)象;
(4) 瓦坯未進行預(yù)熱造成瓦坯與搪錫液溫差太大,易形成激冷層,使生成的搪錫層較厚,在厚大瓦坯或冬天溫度較低時表現(xiàn)的較為明顯[1]。
3.5 為適應(yīng)高速、重載的工況要求,軸承襯合金必須具備:
(1) 好的表面潤滑性,便于形成油膜和防止卡死;
(2) 足夠的材料強度和硬度,防止徑向載荷或載荷沖擊引起的變形和磨損;
(3) 良好的適應(yīng)性和容納性,可以補償旋轉(zhuǎn)幾何尺寸誤差和吸收油泥及有機物殘渣;
(4) 較好的耐腐蝕性[2]。巴氏合金化學(xué)成分的控制,防止出現(xiàn)成分偏析,也是質(zhì)量控制的重要一環(huán)。巴氏合金澆鑄過程中離心轉(zhuǎn)數(shù)、澆鑄溫度及水冷時間的選擇不當(dāng)都會產(chǎn)生巴氏合金偏析現(xiàn)象。另外,操作不規(guī)范也會直接影響巴氏合金的組織成分,如:融化巴氏合金過程中沒有及時攪拌,在爐底有沉淀產(chǎn)生;澆注巴氏合金液體后沒有用釬子“8”字形攪拌,由于重力因素使巴氏合金分層出現(xiàn)偏析。
4.1 水輪機澆鑄巴氏合金的產(chǎn)品為瓦塊形狀,瓦塊澆鑄巴氏合金平面為弧面,采用水平位置澆鑄巴氏合金,有利于巴氏合金與導(dǎo)瓦基體的結(jié)合。澆鑄巴氏合金后中間最厚的巴氏合金層能達到50 mm,有時能達到60 mm。這樣不僅浪費大量巴氏合金,而且根據(jù)巴氏合金液體的凝固原理,對巴氏合金的收縮產(chǎn)生影響,降低了基體與巴氏合金的結(jié)合力,容易產(chǎn)生脫殼現(xiàn)象,并且在后期產(chǎn)生了大量的修復(fù)費用,影響生產(chǎn)周期?;诎褪虾辖饘訚茶T厚度大小直接影響巴氏合金與基體的結(jié)合強度的情況,在胎具設(shè)計上進行了創(chuàng)新,采用壓胎的方法(如圖2~圖5)減薄巴氏合金層的厚度。針對不同的瓦塊,設(shè)計隨形的壓胎,并且歸納總結(jié)了所生產(chǎn)的瓦塊的內(nèi)圓、長及高尺寸,對所設(shè)計的壓胎進行優(yōu)化,設(shè)計出10種通用壓胎,來滿足不同的瓦塊掛鑄巴氏合金的需要。
圖2 沒有澆鑄前瓦塊與胎具裝配
圖3 澆鑄后瓦塊與胎具裝配
圖4 澆鑄后瓦塊的剖視圖
圖5 采用壓胎新工藝澆鑄后瓦塊的剖視圖
4.2 嚴格控制巴氏合金液體純度,我廠使用的軸承合金為錫基巴氏合金,牌號為ZSnSb11Cu6,是軸承合金中應(yīng)用較多的一種,錫基巴氏合金含(80.35~83.35)%Sn、11%Sb和6%Cu。圖6所示為巴氏合金的顯微組織,暗黑色基體為軟的α相,白色方塊為硬的β相,而白色枝狀析出物則為Cu6Sn5,它也起硬質(zhì)點作用。這種軟基體硬質(zhì)點混合組織能保證軸承合金具有必要的強度、塑性和韌性,以及良好的抗振減磨性能等等。如果澆鑄溫度過低或冷速太慢,都會造成晶粒粗大,形成枝晶間隙,組織不細密,產(chǎn)生微觀縮孔,達不到PT探傷的要求,并且手工無法修復(fù)。為了獲得細化的合金組織,首先,必須有一定的溫度(450°)使銅和銻充分溶化在錫液中,精煉及充分攪拌合金液體,在不低于430°的情況下澆鑄,因為Cu6Sn5的形成溫度為410°,他的組織為枝晶結(jié)構(gòu),然后快速冷卻,能夠顯著細化合金的微觀結(jié)構(gòu)尺寸,從而達到細化晶粒和減少組織偏析,保證巴氏合金的性能。
圖6 巴氏合金的顯微組織
4.3 嚴格控制巴氏合金融化溫度和巴氏合金澆鑄溫度,避免錫化銅過早形成。定期檢查熱電偶、測溫儀表,并且及時從巴氏合金爐內(nèi)取出溫度曲線,進行校核。
4.4 加快冷卻速度,采用循環(huán)加壓水冷卻系統(tǒng)。水壓從以前的2 kg增加到4 kg。改變現(xiàn)有的侵入式水冷方式,變?yōu)閲娝剑蟠蠹涌鞂?dǎo)瓦的水冷時間,減少汽孔的產(chǎn)生,并細化組織,避免組織粗大。
4.5 精煉巴氏合金熔液。在融化巴氏合金時,對巴氏合金液體進行多次精煉,規(guī)定每一小時精煉一次巴氏合金,大大提高巴氏合金的純度,使雜質(zhì)、氣孔排除。
4.6 嚴格執(zhí)行工藝,組織定期培訓(xùn),發(fā)生問題及時進行質(zhì)量分析,對于人為因素造成的質(zhì)量問題,要及時制定措施及改進。
根據(jù)上述科學(xué)的因果分析方法,抓住主要矛盾,對分析出的問題逐一制定解決措施,控制每一關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)用。實驗首批生產(chǎn)的水輪機導(dǎo)瓦及推力瓦223件,PT合格率達85%以上,UT合格率達95%以上。