面向高速工況的軸承材料成形工藝

賈 謙 李躍宗 陳潤(rùn)霖 奚延輝 董光能 袁小陽(yáng)

1.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安，710049

2.西安交通大學(xué)蘇州研究院，蘇州，215123

0 引言

錫基巴氏合金和鉛基巴氏合金為油潤(rùn)滑軸承的首選潤(rùn)滑界面材料，其中，鑄造錫基合金ZSnSb11Cu6（美國(guó)牌號(hào)為B83）的使用最為廣泛［1］。滑動(dòng)軸承運(yùn)行中，軸頸與軸瓦接觸區(qū)域溫度起伏波動(dòng)較大，軸承表面的最大應(yīng)力和最大變形與溫度變化密切相關(guān)［2］。錫基合金自身強(qiáng)度較低，表面硬度隨溫度升高下降明顯，致使巴氏合金對(duì)外界溫度的變化十分敏感，巴氏合金在150℃時(shí)的硬度和疲勞強(qiáng)度大約是常溫時(shí)的1/3［3］。滑動(dòng)軸承與軸頸之間出現(xiàn)潤(rùn)滑不良或干摩擦?xí)r，巴氏合金軸瓦會(huì)因溫度的上升而發(fā)生劇烈的黏著磨損，引起燒瓦事故。通常，可通過加入添加劑的方法來(lái)改善巴氏合金的使用性能，特別是提高其在高溫下的硬度［4－5］。加入Cu可阻止巴氏合金中β相的上浮，形成β相分布較均勻的合金材料，此舉可提高巴氏合金的耐溫性能，同樣的硬度下其耐溫性能幾乎可提高2倍［5］。巴氏合金的澆鑄成形過程也很重要。作為軸承材料的錫基巴氏合金，其性能受不同冷卻速度及熱處理方式影響：快速冷卻可減少雜質(zhì)沉降，高溫?zé)崽幚砜墒刮龀鑫锏男螤畈辉偌怃J［6］。將巴氏合金加熱至100℃退火和鐓粗，而后在銷盤試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)處理后巴氏合金的磨損率較未處理前降低了25%，可見對(duì)巴氏合金進(jìn)行變形加熱處理可提高其耐磨性［7］。從系統(tǒng)性研究角度來(lái)說(shuō)，提高軸承的性能必須從設(shè)計(jì)學(xué)入手，進(jìn)行系統(tǒng)化的材料及成形工藝設(shè)計(jì)，并通過集成的方式將技術(shù)手段進(jìn)行組合得到一套完整的工藝［8－9］。

本文對(duì)高速磨床電主軸用軸承的材料及其成形過程進(jìn)行了研究，利用公理設(shè)計(jì)方法通過對(duì)傳統(tǒng)的巴氏合金軸承材料的改性及成形工藝流程的設(shè)計(jì)，而不是簡(jiǎn)單的試錯(cuò)來(lái)進(jìn)行巴氏合金的性能改進(jìn)，使之在改進(jìn)后能夠適用于高速機(jī)床電主軸的工作。針對(duì)高速、高可靠性軸承的特殊要求制定了增強(qiáng)巴氏合金耐溫性能、壓縮屈服強(qiáng)度和結(jié)合強(qiáng)度的方案。該方案改進(jìn)了原有軸承巴氏合金材料澆注成形工藝。對(duì)比新工藝軸承材料和原工藝軸承材料的機(jī)械性能、微觀組織、摩擦學(xué)性能和服役性能可知，新工藝制備的試樣提高了使用溫度和抗壓縮能力，增強(qiáng)了高速下的使用性能，提高了結(jié)合強(qiáng)度，增強(qiáng)了使用可靠性。

1 Cu比例與冷卻工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.1 工藝改進(jìn)的公理化設(shè)計(jì)矩陣

滑動(dòng)軸承在高速工況下工作時(shí)，過大的溫升會(huì)使巴氏合金材料的力學(xué)性能變差，導(dǎo)致巴氏合金層變形，油膜厚度增大，承載力降低，甚至使巴氏合金層發(fā)生塑性流變，引起嚴(yán)重?zé)呤鹿省］S承使用可靠性的提高依賴于軸承材料的結(jié)合強(qiáng)度，持續(xù)變化的剪切力極有可能使高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的軸承發(fā)生巴氏合金材料脫落。本文根據(jù)文獻(xiàn)［10］的公理設(shè)計(jì)理論，得到4個(gè)域，如圖1所示。與文獻(xiàn)［5］中的4個(gè)域有所區(qū)別的是，在增加添加劑改進(jìn)材料性能的基礎(chǔ)之上，增加了澆鑄工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，擬通過一整套完備而嚴(yán)格的工藝來(lái)保證軸承使用性能的提高。

圖1 材料成形工藝設(shè)計(jì)的4個(gè)域

軸承工藝改進(jìn)的目標(biāo)是在原有錫基合金澆注成形工藝（稱為“老工藝”）的基礎(chǔ)上提高軸承材料高速下的使用性能。如前所述，巴氏合金材料新工藝過程含用戶域、功能域、物理域和過程域，如表1所示。軸承材料使用性能在功能域｛FR｝中體現(xiàn)，F(xiàn)R1表示提高巴氏合金軟化溫度，F(xiàn)R2表示提高巴氏合金壓縮屈服強(qiáng)度，F(xiàn)R3表示提高巴氏合金與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度。即通過硬度、抗壓強(qiáng)度及結(jié)合強(qiáng)度來(lái)提高巴氏合金材料使用性能。

巴氏合金的軟化溫度主要由其微觀結(jié)構(gòu)中β相（SnSb）的密度決定，提高β相密度可增加巴氏合金在高溫下的硬度。圖2所示為巴氏合金的典型金相組織，白色三角或方塊為β相。β相質(zhì)點(diǎn)硬而脆，大的β相在工作過程中易脫落，這種剝落加快了巴氏合金的失效，因此減小β相的晶粒尺寸就成為提高巴氏合金壓縮屈服強(qiáng)度的重要手段。巴氏合金材料與軸瓦背襯的結(jié)合強(qiáng)度主要取決于澆注時(shí)的冷卻過程，和冷卻速度有關(guān)。所以，為實(shí)現(xiàn)功能域｛FR｝，在物理域｛DP｝中就需要控制β相密度ρβ、β相尺寸sβ及冷卻速度v這幾項(xiàng)指標(biāo)。

表1 巴氏合金材料新工藝過程的4個(gè)域

圖2 巴氏合金組織中的β相

過程域｛PV｝中所列的是可控制物理域｛DP｝中各項(xiàng)的工藝保證。巴氏合金中含有Cu，其質(zhì)量一般占合金質(zhì)量的3%～5%，微量的Cu能溶入α固溶體并使之強(qiáng)化，提高材料硬度，Cu還可控制β相的偏析，故本文采取PV1，即添加微量銅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%）以達(dá)到增加原巴氏合金的硬度的目的，并控制β相的尺寸以提高壓縮屈服強(qiáng)度。錫基巴氏合金的熱膨脹系數(shù)為2.3×10－5/K，碳素鋼瓦體的熱膨脹系數(shù)為1.38×10－5/K，兩者相差較大。軸承合金澆鑄后，過快冷卻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能會(huì)使軸瓦材料與金屬基體脫離脫殼。高的冷卻速度可以減小晶粒，也可以防止偏析，但過快的冷卻會(huì)導(dǎo)致合金層的溫差增大，容易產(chǎn)生縮孔，最后導(dǎo)致合金組織不致密，強(qiáng)度降低，因此要合理選擇冷卻速度。本文選擇的冷卻措施為PV2，即澆注軸瓦后，在液態(tài)合金開始凝固時(shí)再水冷，以保持液態(tài)合金的流動(dòng)性。

1.2 設(shè)計(jì)檢驗(yàn)

在設(shè)計(jì)付諸實(shí)踐之前，需采用數(shù)學(xué)方法對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)。較佳的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足公理設(shè)計(jì)理論中獨(dú)立公理和信息公理的要求。獨(dú)立公理要求設(shè)計(jì)本身是解耦的；信息公理規(guī)定，設(shè)計(jì)中需獲取的新信息的含量應(yīng)盡可能少。由功能域映射到物理域的設(shè)計(jì)方程可寫成

式中，X為非零的數(shù)字。

可以看出，設(shè)計(jì)矩陣是一個(gè)典型的下三角矩陣，因此這個(gè)設(shè)計(jì)是一個(gè)解耦設(shè)計(jì)，滿足獨(dú)立公理的要求，設(shè)計(jì)是成立的。

為了達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)即滿足功能（FRs），實(shí)施過程中會(huì)有多種的設(shè)計(jì)方案供選擇，本文提出了3個(gè)設(shè)計(jì)功能。它們的實(shí)施方案都是有工藝保障的，所以在實(shí)施過程中幾乎不需要去獲取新的未知知識(shí)或信息即可順利完成，這樣的設(shè)計(jì)保障性好、可靠性高，屬于較佳的設(shè)計(jì)。

2 新工藝與原工藝軸承材料性能對(duì)比

對(duì)新工藝軸承材料考核的性能有四項(xiàng)：機(jī)械性能、微觀組織、摩擦學(xué)性能、服役性能，如圖3所示。分別將新老工藝下制造的軸承材料進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。

圖3 新老工藝軸承材料性能對(duì)比框架

2.1 機(jī)械性能測(cè)試

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB231－84規(guī)定的布氏硬度試驗(yàn)測(cè)試方法，對(duì)新老工藝下制作成形的軸承材料進(jìn)行了硬度檢測(cè)，測(cè)量溫度為25℃、50℃和90℃，測(cè)量結(jié)果見表2。新工藝巴氏合金的布氏硬度在25℃時(shí)，增加了25.3%；在90℃時(shí)，增加了8.3%。

表2 新老工藝軸承材料硬度隨溫度變化的測(cè)量值

巴氏合金的布氏硬度值減少到12HB以下時(shí)的溫度稱為軟化溫度，即巴氏合金的極限工作溫度［10］。軸承的安全使用溫度一般應(yīng)為其軟化溫度的60%。通過表2可看出，90℃時(shí)，新工藝巴氏合金的布氏硬度高于老工藝巴氏合金的布氏硬度，即新工藝使得巴氏合金的軟化溫度有所提高，提高了軸承的安全使用溫度。

工藝改進(jìn)后，巴氏合金的壓縮屈服極限σ0.2的均值由70.24MPa提高到82.04MPa，見表3。因此，與老工藝巴氏合金相比，新工藝巴氏合金可以應(yīng)用到更高的載荷狀況下。

表3 兩種巴氏合金的壓縮屈服極限 MPa

2.2 微觀組織檢測(cè)

金相組織觀察及分析設(shè)備為研究型倒置式金相顯微鏡。圖4為分析試樣照片。

圖4 工藝改進(jìn)前后巴氏合金金相組織比較

從圖4可以看出，添加2%的銅后，巴氏合金中白色方塊狀或三角狀的SnSb分布更加均勻，而且比原工藝時(shí)更加細(xì)小，產(chǎn)生了更多細(xì)小的短桿狀或點(diǎn)狀、枝狀的ε相。ε相所組成的骨架阻止了β相的集聚及偏析，使得巴氏合金的組織更加均勻，這說(shuō)明金屬銅的加入影響到了各組分的分布，且快速冷卻限制了β相晶粒的生長(zhǎng)。β相的平均尺寸由40μm降低為30μm，SnSb所占比率變化不大，由15%上升為18%，說(shuō)明Cu的加入并不影響SnSb的生成。微觀結(jié)構(gòu)中各組相尺寸的縮小將顯提高巴氏合金的強(qiáng)度、塑性和韌性。

2.3 摩擦學(xué)性能測(cè)試

試驗(yàn)設(shè)備為銷盤式試驗(yàn)機(jī)，用巴氏合金制作磨銷，用GCr15制作摩擦盤。試驗(yàn)時(shí)間為30min，分別獲取新老工藝下軸承材料的摩擦因數(shù)和磨損量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。滑動(dòng)軸承瓦面磨損主要存在于啟停階段，在試驗(yàn)時(shí)需根據(jù)實(shí)際工況來(lái)設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)。本次試驗(yàn)設(shè)定參數(shù)為pv值，p為比壓，v為線速度。試驗(yàn)設(shè)定3組pv值，這三組pv值均為高速磨床電主軸在開始啟動(dòng)或即將停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸承瓦面比壓和軸頸線速度的乘積，具有一定代表性。可以看出，新工藝下軸承材料的減摩能力和抗磨性能都得到了增強(qiáng)。

表4 摩擦學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.4 服役性能測(cè)試

采用材料拉伸試驗(yàn)的方法來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)合面的結(jié)合強(qiáng)度，試驗(yàn)原理為：在2個(gè)拉伸試驗(yàn)件的平面之間澆鑄巴氏合金后，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試件加載，記錄試件斷裂時(shí)的載荷，即可通過計(jì)算求出結(jié)合面的結(jié)合強(qiáng)度。試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)GB1174－92《鑄造軸承合金》下指導(dǎo)完成，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為Instron 5500R電子拉伸壓縮試驗(yàn)機(jī)，加載速度為0.5mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見表5，可以看出，根據(jù)新工藝鑄造出的試驗(yàn)件的結(jié)合強(qiáng)度已經(jīng)超過老工藝制作材料的結(jié)合強(qiáng)度。

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3 新工藝軸承運(yùn)行的初步試驗(yàn)考核

為驗(yàn)證新工藝的可行性，在高速試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)采用新工藝制造的軸承進(jìn)行初步試驗(yàn)考核。試驗(yàn)軸承為5瓦可傾瓦軸承，軸承內(nèi)徑為50mm，軸瓦寬度為20mm，瓦張角為60°，寬頸比為0.4，偏心率為0.107，支點(diǎn)類型為線支撐。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速分別為 8000r/min、15 000r/min，施 加 載 荷 為18.6kN，軸心距平臺(tái)的高度為300mm，潤(rùn)滑油牌號(hào)為32＃，進(jìn)油溫度為40℃。試驗(yàn)獲得了軸承的靜動(dòng)特性參數(shù)，表6中，Hmin為最小油膜厚度，Q為流量，TD為 溫 升，N為 功 耗，KXX、KXY、KYX、KYY為剛度，CXX、CXY、CYX、CYY為阻尼。試驗(yàn)軸承運(yùn)行平穩(wěn)，在溫升19.9℃及42.0℃下，各項(xiàng)指標(biāo)滿足在高速下的使用要求。

表6 試驗(yàn)軸承的靜特性參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了適用于高速高可靠性軸承的軸承材料成形工藝。針對(duì)高速、高可靠性軸承的特殊要求制定了增強(qiáng)巴氏合金耐溫性能、壓縮屈服強(qiáng)度和結(jié)合強(qiáng)度的方案。對(duì)原有軸承材料成形工藝進(jìn)行了改進(jìn)，具體做法為：在合金融化時(shí)添加微量Cu；澆鑄時(shí)設(shè)置控制冷卻速度的新環(huán)節(jié)。新工藝軸承材料提高了使用溫度、抗壓縮能力和結(jié)合強(qiáng)度，改善了減摩抗磨性能。為驗(yàn)證新工藝的可行性，在高速試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)采用新工藝制造的軸承進(jìn)行了初步試驗(yàn)考核，試驗(yàn)軸承運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足在高速下的使用要求。

［1］ 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社第三編輯室，全國(guó)滑動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).中國(guó)機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編滑動(dòng)軸承卷（上）［M］.2版.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［2］ 王步康，董光能，謝友柏.滑動(dòng)接觸中摩擦發(fā)熱的數(shù)值分析［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2002，13（21）：1880－1884.Wang Bukang，Dong Guangneng，Xie Youbai.Numerical Analysis of Rolling－sliding Contact with Frictional Heating［J］.China Mechanical Engineering，2002，13（21）：1880－1884.

［3］ 尹延國(guó)，焦明華，解挺，等.滑動(dòng)軸承材料的研究進(jìn)展［J］.潤(rùn)滑與密封，2006（5）：183－187.Yin Yanguo，Jiao Minghua，Xie Ting，et al.Research Progress in Sliding Bearing Materials［J］.Lubrication Engineering，2006（5）：183－187.

［4］ 賀林，朱均.短碳纖維增強(qiáng)錫基巴氏合金摩擦學(xué)特性［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1998，8（2）：223－227.He Lin，Zhu Jun.Tribological Characteristics of Short Carbon Fiber－reinforced Sn－matrix Babbitt Alloy［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，1998，8（2）：223－227.

［5］ 賀林.短切碳纖維增強(qiáng)錫基巴氏合金及其摩擦學(xué)特性［D］.西安：西安交通大學(xué)，1996.

［6］ Reddyhoff T，Kasolang S，Dwyer－Joyce R S，et al.Auto－calibration of Ultrasonic Lubricant－film Thickness Measurements［J］.Measurement Science ＆Technology，2008，19（4）：1－8.

［7］ Moazami Goudarzi M，Jenabali Jahromi S A，Nazarboland A.Investigation of Characteristics of Tin－based White Metals as a Bearing Material［J］.Materials and Design，2009，30（6）：2283－2288.

［8］ 董光能，白風(fēng)科，袁小陽(yáng)，等.基于公理設(shè)計(jì)的巴氏合金摩擦學(xué)新工藝研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，38（增刊）：328－331.Dong Guangneng，Bai Fengke，Yuan Xiaoyang，et al.Study of Babbitt Alloy Modification Based on Axiom Design［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2001，38（S）：328－331.

［9］ 白風(fēng)科.基于公理設(shè)計(jì)的軸承材料研究［D］.西安：西安交通大學(xué)，2005.

［10］ Nam Pyo Suh.公理設(shè)計(jì)——發(fā)展與應(yīng)用［M］.謝友柏，徐華，袁小陽(yáng)，等，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.