王昌皓，李必文，鄧 彬，楊 涵，翦奉林

（1.南華大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，湖南 衡陽 421000；2.湖南工學(xué)院，湖南 衡陽 421000）

錫基巴氏合金因其良好的減摩特性、自適應(yīng)性和壓入性被作為軸承合金廣泛應(yīng)用于交直流發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)、風(fēng)機(jī)和渦輪機(jī)等大中型旋轉(zhuǎn)機(jī)械[1]。采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG 焊）堆焊制備的巴氏合金軸瓦組織均勻致密，相較于澆鑄法，既不需要先行掛錫以提高結(jié)合強(qiáng)度，也不易產(chǎn)生偏析、夾雜、氣孔和裂紋等缺陷；相較于噴涂法，其結(jié)合強(qiáng)度更高、尺寸更厚、孔隙率大幅度降低。進(jìn)一步提升巴氏合金軸瓦與底瓦的結(jié)合強(qiáng)度，才能有效避免使用過程中的脫落、碎裂現(xiàn)象[2-5]。本文以表面開有深度為0.1mm、縱橫間距為1mm 的Q235B 鋼板為基體，施以SnSb8Cu4 巴氏合金的MIG 堆焊，進(jìn)行堆焊層的組織檢測與機(jī)械性能分析，考察中型軸瓦鑲焊工藝的可行性、堆焊層的質(zhì)量及性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

基體材料為常用作軸瓦底座的Q235B鋼，尺寸300mm×300mm×2.7mm，表面用R0.5mm 成形刨刀開有如圖1 所示深0.1mm、縱橫間距為1mm 的網(wǎng)格槽，焊前用鹽酸、丙酮依次清洗表面鐵銹和油污，再用無水乙醇進(jìn)行脫水處理并烘干；MIG 焊采用直徑1.2mm 的SnSb8Cu4 焊絲，化學(xué)成分如表1，焊前先經(jīng)70℃×1h 烘干處理。

圖1 Q235B 鋼基體表面網(wǎng)格

表1 SnSb8Cu4 合金化學(xué)成分

1.2 堆焊設(shè)備與工藝

（1）焊機(jī)：選用福尼斯TPS-5000 CMT 焊機(jī)，以送絲與熔滴過渡過程數(shù)字化協(xié)調(diào)控制技術(shù)來保證薄板MIG 焊時所要求的低熱輸入量和無飛濺冷熔滴過渡。

（2）保護(hù)氣體：純度99.99%的氬氣。

（3）運(yùn)條方式與堆焊層高度：采用多層多道焊接，第1 層6 道，為減小薄焊件的熱影響區(qū)，第1 層作為打底焊采用了直線運(yùn)條，搭接率25%，層高2.4mm；第2、3 層每層3 道，每道采用如圖2 所示的橫向Z 字形擺焊，搭接率30%，層高均為2.1mm；堆焊層總高度6.6mm。

圖2 堆焊運(yùn)條方式

（4）堆焊參數(shù)：基于MIG 焊焊接規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，送絲速度定為3.8m/min，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)后其他工藝參數(shù)的選用如表2。

表2 堆焊參數(shù)

（5）層間溫度：第1 層的層間溫度為室溫，第1、2層施焊后冷卻時間為1min。

第1 層施焊前未預(yù)熱基體是為了防止堆焊層晶粒粗化及塑性、韌性降低；第2、3 層施焊采用較小的焊接參數(shù)，旨在降低熱輸入量，防止前一堆焊層巴氏合金熔化流淌；采用擺動焊接目的在于增大熔寬、降低余高、減少氣孔、避免咬邊[6]。

1.3 測試設(shè)備及方法

在立式加工中心用端銑刀將堆焊層切去1.8mm后，使用DK-900 型超聲波檢測儀進(jìn)行探傷，如圖3所示。電火花線切割制成10mm×10mm×7.5mm 試樣，截面打磨拋光后使用ZeissSigma 掃描電子顯微鏡（SEM）、Smartedx 能譜儀（EDS）和XRD-7000S 型X 射線衍射儀進(jìn)行微觀形貌分析、元素及相分析、元素分布及擴(kuò)散分析；試樣經(jīng)4%的硝酸酒精腐蝕后使用GX51F 金相顯微鏡進(jìn)行低倍組織分析；使用KB30S 維氏硬度計檢測顯微硬度；使用MFT-5000多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)檢測摩擦性能。

圖3 超聲波探傷

2 組織檢測及分析

在直道焊的第1 堆焊層產(chǎn)生了弧坑縮孔，如圖2上方所示，分析應(yīng)是電流偏大、焊接速度偏快等造成的；經(jīng)第2 層Z 字形擺焊，起到弧坑處補(bǔ)焊蓋面效果；堆焊完成第3 層后，銑低1.8mm 可得到均勻、連續(xù)、組織致密、無宏觀裂紋的堆焊層。經(jīng)超聲波探傷，觀察分析DAC 曲線和TCG 曲線，發(fā)現(xiàn)堆焊層僅為1級缺陷且與基體結(jié)合良好。

2.1 相分析及元素擴(kuò)散分析

用SEM觀察經(jīng)腐蝕樣品的橫截面形貌相，可見界面層厚度約為7μm，顯微組織遠(yuǎn)離界面的生長規(guī)律為平面晶、胞狀晶、多向生長樹枝晶、細(xì)小樹枝晶。圖4a 為界面處SEM 形貌相，圖4b 為EDS 線掃描圖。圖4b 顯示堆焊層中的Sn、Sb 和Cu 元素?zé)釘U(kuò)散至基體的深度有80μm 以上，基體的Fe 元素?zé)釘U(kuò)散至堆焊層的深度有100μm 以上，Cu 元素在界面層與堆焊層較大的變化幅度說明其在該范圍存在富集現(xiàn)象。

圖4 界面處SEM形貌相與EDS 線掃描圖

圖5 為距界面3mm 處堆焊層的XRD 圖譜，顯示堆焊層合金的物相主要組成有Sn 基固溶體α 相、SnSb 晶體β 硬質(zhì)相和Cu6Sn5 的ε 硬質(zhì)相。

圖5 距界面3mm 處堆焊層XRD 圖譜

圖6 為對界面處進(jìn)行EDS 面掃描的結(jié)果，用于進(jìn)行元素擴(kuò)散分析。面掃描結(jié)果顯示Sn 和Sb 元素在堆焊層、Fe 元素在基體中都呈均勻分布，而Cu 元素在堆焊層中的富集可為溶于Sn 基固溶體的過飽和固溶體或最先由包晶反應(yīng)從液相中析出的Cu6Sn5 硬質(zhì)相，Cu6Sn5 相沿界面層的富集分布對Fe 原子產(chǎn)生的釘扎效應(yīng)阻礙了其向堆焊層的進(jìn)一步擴(kuò)散?？梢奀u 元素不但提高了SnSb8Cu4 合金的強(qiáng)度和硬度[6]，還對降低堆焊層的稀釋率十分有利。

圖6 界面處面掃描結(jié)果

2.2 金相組織分析

圖7a 為界面處、7b 為距界面3mm 處的金相組織圖。觀察制成的6 個樣品的金相組織圖，發(fā)現(xiàn)第1堆焊層的弧坑縮孔均已填滿，而Q235B 基體網(wǎng)格槽與上平面在施焊前的尖角過渡已變成圖7a 所示鑲焊后的R0.1～R0.3mm 圓弧過渡。堆焊層中黑色基體為軟質(zhì)的Sn 基α 固溶體，彌散分布的白色顆粒物為硬度370HB 的ε 相Cu6Sn5、白色立方塊為硬度100HB 的β 相SnSb[8]。β 相SnSb 白色立方塊的尺寸細(xì)化為約25μm，數(shù)量大幅度增加，圖7b 進(jìn)一步表明隨著向堆焊層表面推移，SnSb 晶粒尺寸不斷減小、數(shù)量不斷增加、分布更為均勻，這說明采用MIG 焊制備的SnSb8Cu4 巴氏合金組織更為細(xì)小，應(yīng)該對提升工作面平均硬度非常有利。

圖7 MIG 堆焊SnSb8Cu4 金相組織圖

3 機(jī)械性能分析

3.1 顯微硬度檢測

將總高度6.6mm 的堆焊層銑低1.8mm 后以點(diǎn)距200μm 檢測表面顯微硬度，結(jié)果如表3，表明硬度分布均勻性較好，與常用離心澆鑄3mm 厚軸瓦比對，本文4.8mm 厚軸瓦工作面顯微硬度提高了3HV0.2。

表3 表面顯微硬度值

對樣品截面進(jìn)行顯微硬度檢測，與熔合線垂直方向檢測點(diǎn)間距為100μm，每層打3 個點(diǎn)、點(diǎn)距0.4mm，得到圖8a 的截面平均顯微硬度分布圖。堆焊層界面處的顯微硬度為介于基體硬度（140HV0.2）和堆焊層硬度之間的78HV0.2，距界面0.35mm 處則驟降為30HV0.2，之后穩(wěn)定在26～30HV0.2，均大于GB/T8740 中對SnSb8Cu4 鑄造合金23.7HV0.2的硬度值要求，可見MIG 堆焊層晶粒度的提高、硬質(zhì)相的細(xì)小彌散有效改進(jìn)了SnSb8Cu4 合金的硬度。應(yīng)用二維曲線擬合軟件TableCurve 2D 對截面顯微硬度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到圖8b 所示的連續(xù)性、光滑性、保形性均好且標(biāo)準(zhǔn)誤差小的高可信度曲線，可用于預(yù)測一定厚度下堆焊層的表面硬度。

圖8 截面顯微硬度分布與曲線擬合效果

3.2 摩擦磨損性能測試

將MIG 堆焊SnSb8Cu4 的工件線切割出直徑26mm 的磨環(huán)，在室溫下用MFT-5000 多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試堆焊層的干摩擦性能，如圖9 所示。對磨件為直徑4mm 的40Cr 鋼球，加載載荷為4.9N，轉(zhuǎn)速150r/min，旋轉(zhuǎn)半徑11mm，摩擦磨損時間20min。觀察試驗(yàn)過程，發(fā)現(xiàn)在較小的載荷和較低的速度下，磨環(huán)在經(jīng)歷20s 的塑性變形后進(jìn)入磨粒磨損和塑性變形混合的輕微磨損階段，60s 后趨于穩(wěn)定；由于試樣溫度較低，磨環(huán)未出現(xiàn)熔融磨損[9]。圖10 摩擦因數(shù)曲線顯示在穩(wěn)定期摩擦因數(shù)的加權(quán)平均值為0.32，小于離心澆鑄的ZSnSb8Cu4 測試值0.35[10]，而磨環(huán)失重量測得僅為4.1mg，證明MIG 堆焊層α-Sn 相晶粒度的提高、Cu6Sn5 和SnSb 硬質(zhì)相的細(xì)小彌散有效改進(jìn)了SnSb8Cu4 合金的干摩擦耐磨性。

圖9 摩擦磨損試驗(yàn)

圖10 試樣瞬時摩擦因數(shù)變化曲線

4 結(jié)論

采用低熱輸入量和無飛濺冷熔滴過渡的MIG 焊工藝技術(shù)在Q235B 網(wǎng)格槽表面制備了SnSb8Cu4 錫基巴氏合金厚堆焊層，組織均勻致密、與基體結(jié)合良好，第2 層Z 字形擺焊彌合了第1 層直道焊的弧坑縮孔，晶粒度的提高、硬質(zhì)相的細(xì)小彌散提升了巴氏合金的表面硬度及干摩擦耐磨性，相對于離心澆鑄層有比較優(yōu)勢。研究證明了厚層SnSb8Cu4 巴氏合金MIG 鑲焊工藝及工藝參數(shù)的可行性，為中厚度軸瓦制備與補(bǔ)焊提供了技術(shù)參考。