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電弧增材制造技術在滑動軸承領域的應用(3)

3、電弧增材制造的發展趨勢

3.1 電弧增材制造在錫基巴氏合金軸瓦上的應用

據業內統計,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200 t,因此增材制造在軸瓦領域有巨大的潛力和社會效益。目前國內軸瓦領域除數家龍頭企業積極引進增材制造技術替代鑄造工藝并取得了實效外,絕大部分中小企業由于一次性投入較大及對技術的可靠性存在顧慮,尚在觀察和猶豫中。隨著下游企業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的企業集中。


離心鑄造雖然存在許多不足,但作為成熟技術且具有鑄造速度快的特點,仍將在結合強度要求不高的小尺寸、大批量軸瓦制造中發揮作用。釬焊作為軸瓦修復技術仍將在業界流行,但與MIG焊技術相比,自動釬焊技術制造軸瓦需要使用助焊劑,增材過程需要保持基體較高的溫度,且結合強度優勢不明顯,不可能成為主流技術,國內首家采用釬焊技術的摩根油膜軸承(上海)有限公司已改用TIG焊技術替代釬焊技術。


噴涂工藝較MIG焊、TIG焊技術復雜,且結合強度優勢不明顯,不具備規?;夹g推廣的基礎。激光熔覆增材技術效率低,成本高,不具備實用基礎。


以錫基巴氏合金為減摩材料的軸瓦制造領域,增材制造將替代鑄造技術的趨勢難以改變。TIG焊技術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合強度制約了其發展和推廣;MIG焊技術雖具有諸多優勢,但受到增材過程飛濺物的困擾。新型數字化MIG焊技術具備的高速伺服送絲技術的出現,解決了熔滴汽化爆斷引起的飛濺難題,進一步提高了堆焊增材速度。


文獻[31]指出我國已在激光-電弧復合技術方面獲得突破,用于不銹鋼等焊接接頭時其性能與TIG焊相當,焊接效率提高了5倍,已廣泛用于國家重大裝備。若該技術能在軸瓦制造領域應用,將為我國制造出高質量和高可靠性的滑動軸承發揮重要作用。


綜上所述,隨著各種裝備的發展,特別是應重大裝備國產化的要求,軸瓦必然將向高效率,高精度,高技術含量,高可靠性,長壽命和EHS友好型發展,電弧增材技術符合該發展趨勢,將在行業內得到廣泛應用。


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進行,主要圍繞著提高結合強度,細化晶粒,減少偏析,提升高溫抗蠕變性能、耐磨性和抗氧化性等展開。Cd類軟釬焊料能提高潤濕性,改善焊接性能,降低合金熔點,改善合金流動性,但其劇烈的毒性在軟釬焊領域被嚴格限制使用;As起到細化組織作用,但其毒性也被業界所關注;Zn可提升高溫抗蠕變性能,但Zn是一種極易氧化金屬,形成的合金潤濕性差,鑄造過程影響結合強度,因此難以在鑄造法生產中得到廣泛應用;短碳纖維和碳納米管作為錫基巴氏合金的增強材料,尚無實際應用前途。


電弧增材過程受到氬氣保護,因此錫基巴氏合金中不需要添加抗氧化元素,同時熔覆層厚度薄,冷速快,組織得到細化,不需要添加細化組織的元素,由于增材過程的高溫熔池和氬氣保護,不需要添加提高潤濕性和降低合金熔點的元素;因此錫基巴氏合金成分優化的趨勢主要是以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化的實際應用,As和Cd僅在特殊行業使用,添加的其他改良元素應考慮產業化難度、環保、成本和線材加工等因素。


3.3 配套的檢測技術

軸瓦鑄造技術經過近百年的發展,形成了比較完善的檢測和評價標準體系。利用電弧等增材技術制備軸瓦,是國內近10年才發展起來的技術。雖然多項持續研究表明該技術明顯優于常規鑄造技術,但推廣過程仍有困難,因此需要國家層面的技術支持,完善相關的檢測技術和形成新標準體系,有助于加快推廣增材技術的應用。


3.3.1 形成增材技術導則

增材制造在軸瓦領域是新技術,國內外還沒有相應的技術規范,因此需要國內龍頭企業牽頭完成增材技術導則或規范制定,形成國家或行業標準,引導和協調上下游企業共同推動技術進步。


3.3.2 錫基巴氏合金線材標準

目前國內外僅有鑄造用錫基巴氏合金錠的標準,GB/T 1174—1992的雜質含量控制較GB/T 8740—2013的寬,GB/T 12608—2003《熱噴涂  火焰和電弧噴涂用線材、棒材和芯材分類和供貨技術條件》給出噴涂用SnSb8Cu4的線材成分和線徑要求,雜質含量和線徑控制要求不嚴格。目前國內錫基巴氏合金生產企業按照各自企業標準組織生產,產品質量差異較大。由紹興市天龍錫材有限公司牽頭,組織國內數家軸瓦龍頭企業、檢測機構、設備供應商向國家有色金屬標委會申請立項編制的《滑動軸承堆焊用錫基巴氏合金線材》行業標準已通過會議評審。


3.3.3 更接實際近工況的疲勞試驗方法

GB/T 18325.2—2009《 滑動軸承  軸承疲勞第2部分:金屬軸承材料圓柱形試樣試驗》通過折彎方法來檢驗滑動軸承的結合疲勞強度,與實際工況的差異較大。文獻[32]采用英國DANA Glacier Vandervell軸承公司的DE972SAPPHIRE(藍寶石)軸瓦疲勞試驗機對軸瓦進行更接近實際工況的疲勞試驗,雖然獲得的數據較理想,但試驗材料均非錫基巴氏合金,缺乏參考價值。因此,需要國內企業研究接近實際工況的錫基巴氏合金軸瓦疲勞試驗方法,以形成各方共識的國家或行業標準。


3.3.4 高溫蠕變試驗方法

錫基巴氏合金中添加Ni,Ag和Zn,通過增材制造技術獲得的減摩層結合強度佳和高溫抗蠕變性能優,但目前國內外有關高溫抗蠕變試驗方法的標準均是針對黑色金屬的,錫基巴氏合金高溫抗蠕變試驗方法還是空白。紹興市質量技術監督檢測院牽頭國內數家軸瓦龍頭企業、錫基巴氏合金線材生產企業和檢測機構已完成前期準備工作,擬向國家相關標委會提出立項申請。


3.4 存在的問題

軸瓦鑄造技術較為成熟,但電弧增材等增材制造技術在軸瓦領域應用時間較短,尚存在一些問題,有待進一步研究和試驗。


3.4.1 過細的SnSb相是否會加速軸徑的磨損

普遍認為軸瓦減摩層SnSb相的尺寸越小,其耐磨性越佳。增材制造技術制得的軸瓦減摩層充分細化的SnSb相固然能提高軸瓦的耐磨性,但是否會引起軸徑的過度磨損尚未得到共識,有待試驗或實際應用數據的驗證。


3.4.2 多次電弧堆焊增材是否會影響結合強度

要使電弧堆焊增材的錫基巴氏合金層堆焊厚度達到5 mm,需要至少2~3次堆焊作業,某企業發現多次堆焊增材后結合強度大幅度降低至與鑄造技術相當的水平,但東南大學開展的試驗表明多次堆焊作業并不會影響結合強度,業界分析認為可能是堆焊時輸入的能量、速度和冷卻強度參.數的匹配影響所致。因此,多次堆焊作業影響結合強度的機理及如何避免該現象出現有待進一步研究。


滑動軸承的特點是多材料(雙金屬)相互配合以達到支承和保護轉動軸的作用。減摩層(巴氏合金)的加工工藝選擇多樣,但發展趨勢是短流程和柔性化。增材制造是厚壁滑動軸承的一種新工藝,在提高層間結合性能的同時簡化了工藝流程,且適用于多種結構形式。同時,電弧增材制造設備可以兼容多種材料,為滑動軸承設計時的材料選擇提供了更大的余地。為此,我國滑動軸承行業與研究機構正通過材料、工藝、裝備一體化開發找到能提高滑動軸承性能,降低成本和工人勞動強度,改善生產環境的有效方法。

(來源:軸承雜志社)



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