電弧增材制造技術(shù)在滑動(dòng)軸承領(lǐng)域的應(yīng)用（3）

3.1 電弧增材制造在錫基巴氏合金軸瓦上的應(yīng)用

據(jù)業(yè)內(nèi)統(tǒng)計(jì)，2017年錫基巴氏合金鑄錠的消耗量在4000 t左右，直到2019年用于軸瓦的錫基巴氏合金仍不超過(guò)200 t，因此增材制造在軸瓦領(lǐng)域有巨大的潛力和社會(huì)效益。目前國(guó)內(nèi)軸瓦領(lǐng)域除數(shù)家龍頭企業(yè)積極引進(jìn)增材制造技術(shù)替代鑄造工藝并取得了實(shí)效外，絕大部分中小企業(yè)由于一次性投入較大及對(duì)技術(shù)的可靠性存在顧慮，尚在觀察和猶豫中。隨著下游企業(yè)高可靠性要求的不斷提高，大中型和平面軸瓦將逐步向擁有增材制造技術(shù)的企業(yè)集中。

離心鑄造雖然存在許多不足，但作為成熟技術(shù)且具有鑄造速度快的特點(diǎn)，仍將在結(jié)合強(qiáng)度要求不高的小尺寸、大批量軸瓦制造中發(fā)揮作用。釬焊作為軸瓦修復(fù)技術(shù)仍將在業(yè)界流行，但與MIG焊技術(shù)相比，自動(dòng)釬焊技術(shù)制造軸瓦需要使用助焊劑，增材過(guò)程需要保持基體較高的溫度，且結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)不明顯，不可能成為主流技術(shù)，國(guó)內(nèi)首家采用釬焊技術(shù)的摩根油膜軸承(上海)有限公司已改用TIG焊技術(shù)替代釬焊技術(shù)。

噴涂工藝較MIG焊、TIG焊技術(shù)復(fù)雜，且結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)不明顯，不具備規(guī)?；夹g(shù)推廣的基礎(chǔ)。激光熔覆增材技術(shù)效率低，成本高，不具備實(shí)用基礎(chǔ)。

以錫基巴氏合金為減摩材料的軸瓦制造領(lǐng)域，增材制造將替代鑄造技術(shù)的趨勢(shì)難以改變。TIG焊技術(shù)雖可獲得較佳增材層(瓦背上堆焊一層錫基巴氏合金層)，但堆焊增材速度低及略顯遜色的結(jié)合強(qiáng)度制約了其發(fā)展和推廣；MIG焊技術(shù)雖具有諸多優(yōu)勢(shì)，但受到增材過(guò)程飛濺物的困擾。新型數(shù)字化MIG焊技術(shù)具備的高速伺服送絲技術(shù)的出現(xiàn)，解決了熔滴汽化爆斷引起的飛濺難題，進(jìn)一步提高了堆焊增材速度。

文獻(xiàn)[31]指出我國(guó)已在激光-電弧復(fù)合技術(shù)方面獲得突破，用于不銹鋼等焊接接頭時(shí)其性能與TIG焊相當(dāng)，焊接效率提高了5倍，已廣泛用于國(guó)家重大裝備。若該技術(shù)能在軸瓦制造領(lǐng)域應(yīng)用，將為我國(guó)制造出高質(zhì)量和高可靠性的滑動(dòng)軸承發(fā)揮重要作用。

綜上所述，隨著各種裝備的發(fā)展，特別是應(yīng)重大裝備國(guó)產(chǎn)化的要求，軸瓦必然將向高效率，高精度，高技術(shù)含量，高可靠性，長(zhǎng)壽命和EHS友好型發(fā)展，電弧增材技術(shù)符合該發(fā)展趨勢(shì)，將在行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

3.2 錫基巴氏合金成分

錫基巴氏合金成分的研究基于高可靠性的基礎(chǔ)進(jìn)行，主要圍繞著提高結(jié)合強(qiáng)度，細(xì)化晶粒，減少偏析，提升高溫抗蠕變性能、耐磨性和抗氧化性等展開(kāi)。Cd類(lèi)軟釬焊料能提高潤(rùn)濕性，改善焊接性能，降低合金熔點(diǎn)，改善合金流動(dòng)性，但其劇烈的毒性在軟釬焊領(lǐng)域被嚴(yán)格限制使用；As起到細(xì)化組織作用，但其毒性也被業(yè)界所關(guān)注；Zn可提升高溫抗蠕變性能，但Zn是一種極易氧化金屬，形成的合金潤(rùn)濕性差,鑄造過(guò)程影響結(jié)合強(qiáng)度，因此難以在鑄造法生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用；短碳纖維和碳納米管作為錫基巴氏合金的增強(qiáng)材料，尚無(wú)實(shí)際應(yīng)用前途。

電弧增材過(guò)程受到氬氣保護(hù)，因此錫基巴氏合金中不需要添加抗氧化元素，同時(shí)熔覆層厚度薄，冷速快，組織得到細(xì)化，不需要添加細(xì)化組織的元素，由于增材過(guò)程的高溫熔池和氬氣保護(hù)，不需要添加提高潤(rùn)濕性和降低合金熔點(diǎn)的元素；因此錫基巴氏合金成分優(yōu)化的趨勢(shì)主要是以Sn，Sb，Cu為基體，添加可提高耐磨性的元素(如Ni)和提升高溫抗蠕變性能的元素(如Ag，Zn)。

Ni，Ag，Zn等元素的添加將在錫基巴氏合金得到工業(yè)化的實(shí)際應(yīng)用，As和Cd僅在特殊行業(yè)使用，添加的其他改良元素應(yīng)考慮產(chǎn)業(yè)化難度、環(huán)保、成本和線材加工等因素。

3.3 配套的檢測(cè)技術(shù)

軸瓦鑄造技術(shù)經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展，形成了比較完善的檢測(cè)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。利用電弧等增材技術(shù)制備軸瓦，是國(guó)內(nèi)近10年才發(fā)展起來(lái)的技術(shù)。雖然多項(xiàng)持續(xù)研究表明該技術(shù)明顯優(yōu)于常規(guī)鑄造技術(shù)，但推廣過(guò)程仍有困難，因此需要國(guó)家層面的技術(shù)支持，完善相關(guān)的檢測(cè)技術(shù)和形成新標(biāo)準(zhǔn)體系，有助于加快推廣增材技術(shù)的應(yīng)用。

3.3.1 形成增材技術(shù)導(dǎo)則

增材制造在軸瓦領(lǐng)域是新技術(shù)，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，因此需要國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)牽頭完成增材技術(shù)導(dǎo)則或規(guī)范制定，形成國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)和協(xié)調(diào)上下游企業(yè)共同推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步。

3.3.2 錫基巴氏合金線材標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)內(nèi)外僅有鑄造用錫基巴氏合金錠的標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 1174—1992的雜質(zhì)含量控制較GB/T 8740—2013的寬，GB/T 12608—2003《熱噴涂  火焰和電弧噴涂用線材、棒材和芯材分類(lèi)和供貨技術(shù)條件》給出噴涂用SnSb8Cu4的線材成分和線徑要求，雜質(zhì)含量和線徑控制要求不嚴(yán)格。目前國(guó)內(nèi)錫基巴氏合金生產(chǎn)企業(yè)按照各自企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量差異較大。由紹興市天龍錫材有限公司牽頭，組織國(guó)內(nèi)數(shù)家軸瓦龍頭企業(yè)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、設(shè)備供應(yīng)商向國(guó)家有色金屬標(biāo)委會(huì)申請(qǐng)立項(xiàng)編制的《滑動(dòng)軸承堆焊用錫基巴氏合金線材》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已通過(guò)會(huì)議評(píng)審。

3.3.3 更接實(shí)際近工況的疲勞試驗(yàn)方法

GB/T 18325.2—2009《 滑動(dòng)軸承  軸承疲勞第2部分：金屬軸承材料圓柱形試樣試驗(yàn)》通過(guò)折彎方法來(lái)檢驗(yàn)滑動(dòng)軸承的結(jié)合疲勞強(qiáng)度，與實(shí)際工況的差異較大。文獻(xiàn)[32]采用英國(guó)DANA Glacier Vandervell軸承公司的DE972SAPPHIRE(藍(lán)寶石)軸瓦疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)軸瓦進(jìn)行更接近實(shí)際工況的疲勞試驗(yàn)，雖然獲得的數(shù)據(jù)較理想，但試驗(yàn)材料均非錫基巴氏合金，缺乏參考價(jià)值。因此，需要國(guó)內(nèi)企業(yè)研究接近實(shí)際工況的錫基巴氏合金軸瓦疲勞試驗(yàn)方法，以形成各方共識(shí)的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.4 高溫蠕變?cè)囼?yàn)方法

錫基巴氏合金中添加Ni，Ag和Zn，通過(guò)增材制造技術(shù)獲得的減摩層結(jié)合強(qiáng)度佳和高溫抗蠕變性能優(yōu)，但目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)高溫抗蠕變?cè)囼?yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)均是針對(duì)黑色金屬的，錫基巴氏合金高溫抗蠕變?cè)囼?yàn)方法還是空白。紹興市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院牽頭國(guó)內(nèi)數(shù)家軸瓦龍頭企業(yè)、錫基巴氏合金線材生產(chǎn)企業(yè)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)已完成前期準(zhǔn)備工作，擬向國(guó)家相關(guān)標(biāo)委會(huì)提出立項(xiàng)申請(qǐng)。

3.4 存在的問(wèn)題

軸瓦鑄造技術(shù)較為成熟，但電弧增材等增材制造技術(shù)在軸瓦領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)間較短，尚存在一些問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究和試驗(yàn)。

3.4.1 過(guò)細(xì)的SnSb相是否會(huì)加速軸徑的磨損

普遍認(rèn)為軸瓦減摩層SnSb相的尺寸越小，其耐磨性越佳。增材制造技術(shù)制得的軸瓦減摩層充分細(xì)化的SnSb相固然能提高軸瓦的耐磨性，但是否會(huì)引起軸徑的過(guò)度磨損尚未得到共識(shí)，有待試驗(yàn)或?qū)嶋H應(yīng)用數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

3.4.2 多次電弧堆焊增材是否會(huì)影響結(jié)合強(qiáng)度

要使電弧堆焊增材的錫基巴氏合金層堆焊厚度達(dá)到5 mm，需要至少2~3次堆焊作業(yè)，某企業(yè)發(fā)現(xiàn)多次堆焊增材后結(jié)合強(qiáng)度大幅度降低至與鑄造技術(shù)相當(dāng)?shù)乃?，但東南大學(xué)開(kāi)展的試驗(yàn)表明多次堆焊作業(yè)并不會(huì)影響結(jié)合強(qiáng)度，業(yè)界分析認(rèn)為可能是堆焊時(shí)輸入的能量、速度和冷卻強(qiáng)度參.數(shù)的匹配影響所致。因此，多次堆焊作業(yè)影響結(jié)合強(qiáng)度的機(jī)理及如何避免該現(xiàn)象出現(xiàn)有待進(jìn)一步研究。

滑動(dòng)軸承的特點(diǎn)是多材料(雙金屬)相互配合以達(dá)到支承和保護(hù)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的作用。減摩層(巴氏合金)的加工工藝選擇多樣，但發(fā)展趨勢(shì)是短流程和柔性化。增材制造是厚壁滑動(dòng)軸承的一種新工藝，在提高層間結(jié)合性能的同時(shí)簡(jiǎn)化了工藝流程，且適用于多種結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，電弧增材制造設(shè)備可以兼容多種材料，為滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)時(shí)的材料選擇提供了更大的余地。為此，我國(guó)滑動(dòng)軸承行業(yè)與研究機(jī)構(gòu)正通過(guò)材料、工藝、裝備一體化開(kāi)發(fā)找到能提高滑動(dòng)軸承性能，降低成本和工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善生產(chǎn)環(huán)境的有效方法。