電弧增材制造技術在滑動軸承領域的應用（3）

3.1 電弧增材制造在錫基巴氏合金軸瓦上的應用

據(jù)業(yè)內(nèi)統(tǒng)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(nèi)軸瓦領域除數(shù)家龍頭企業(yè)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(yè)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(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，但作為成熟技術且具有鑄造速度快的特點，仍將在結(jié)合強度要求不高的小尺寸、大批量軸瓦制造中發(fā)揮作用。釬焊作為軸瓦修復技術仍將在業(yè)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(jié)合強度優(yōu)勢不明顯，不可能成為主流技術，國內(nèi)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(jié)合強度優(yōu)勢不明顯，不具備規(guī)?；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(jié)合強度制約了其發(fā)展和推廣；MIG焊技術雖具有諸多優(yōu)勢，但受到增材過程飛濺物的困擾。新型數(shù)字化MIG焊技術具備的高速伺服送絲技術的出現(xiàn)，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(zhì)量和高可靠性的滑動軸承發(fā)揮重要作用。

綜上所述，隨著各種裝備的發(fā)展，特別是應重大裝備國產(chǎn)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(fā)展，電弧增材技術符合該發(fā)展趨勢，將在行業(yè)內(nèi)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(jié)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(yè)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(jié)合強度，因此難以在鑄造法生產(chǎn)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(yōu)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(yè)化的實際應用，As和Cd僅在特殊行業(yè)使用，添加的其他改良元素應考慮產(chǎn)業(yè)化難度、環(huán)保、成本和線材加工等因素。

3.3 配套的檢測技術

軸瓦鑄造技術經(jīng)過近百年的發(fā)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(nèi)近10年才發(fā)展起來的技術。雖然多項持續(xù)研究表明該技術明顯優(yōu)于常規(guī)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(nèi)外還沒有相應的技術規(guī)范，因此需要國內(nèi)龍頭企業(yè)牽頭完成增材技術導則或規(guī)范制定，形成國家或行業(yè)標準，引導和協(xié)調(diào)上下游企業(yè)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(nèi)外僅有鑄造用錫基巴氏合金錠的標準，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(zhì)含量和線徑控制要求不嚴格。目前國內(nèi)錫基巴氏合金生產(chǎn)企業(yè)按照各自企業(yè)標準組織生產(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，組織國內(nèi)數(shù)家軸瓦龍頭企業(yè)、檢測機構(gòu)、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(yè)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(jié)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(shù)據(jù)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(nèi)企業(yè)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(yè)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(jié)合強度佳和高溫抗蠕變性能優(yōu)，但目前國內(nèi)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(zhì)量技術監(jiān)督檢測院牽頭國內(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)和檢測機構(gòu)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?qū)嶋H應用數(shù)據(jù)的驗證。

3.4.2 多次電弧堆焊增材是否會影響結(jié)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(yè)，某企業(yè)發(fā)現(xiàn)多次堆焊增材后結(jié)合強度大幅度降低至與鑄造技術相當?shù)乃?，但東南大學開展的試驗表明多次堆焊作業(yè)并不會影響結(jié)合強度，業(yè)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(shù)的匹配影響所致。因此，多次堆焊作業(yè)影響結(jié)合強度的機理及如何避免該現(xiàn)象出現(xiàn)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(zhuǎn)動軸的作用。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(jié)合性能的同時簡化了工藝流程，且適用于多種結(jié)構(gòu)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(yè)與研究機構(gòu)正通過材料、工藝、裝備一體化開發(fā)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(chǎn)環(huán)境的有效方法。