CN103949614A

CN103949614A - 对开式径向轴瓦产品及其制作方法和激光重熔装置

Info

Publication number: CN103949614A
Application number: CN201410187569.3A
Authority: CN
Inventors: 张伟; 赵光良
Original assignee: Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering Co Ltd
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2034-05-06
Also published as: CN103949614B

Abstract

一种对开式径向轴瓦的制作方法，制作步骤如下：1）将预先制作好的轴瓦钢背内表面挖有定位槽；2）将轴瓦钢背装入离心浇注机，在轴瓦钢背的内表面浇铸上液态巴氏合金；3）巴氏合金凝固形成巴氏合金层后，在充入保护气体的密闭空间中，并用激光装置对巴氏合金层后进行激光重熔。上述方法制作而成的对开式径向轴瓦，包括外层的轴瓦钢背和浇铸在轴瓦钢背内表面的巴氏合金层，轴瓦钢背外表面的径向设有一组间隔设置的径向定位槽，轴瓦钢背左右两端上设有轴向定位槽。配合一种用于加工上述对开式径向轴瓦的激光重熔装置，采用激光重熔工艺，以改善离心浇铸巴氏合金的组织和性能。

Description

对开式径向轴瓦产品及其制作方法和激光重熔装置

技术领域

本发明涉及轴承技术领域，尤其是一种用于对开式径向滑动轴承的轴瓦及其加工和激光重熔装置。

背景技术

目前，滑动轴承因其结构紧凑、承载能力强、抗震性好、运转精度高、工作平稳、噪声小、使用寿命长等特性，广泛应用于高速、重载、高精度、大功率的装备中，是汽轮机、水轮机、核电机组、发电机、大中型电动机、汽车发动机、核潜艇、军舰、大型轮船、工业泵、鼓风机、压缩机、轧钢机、齿轮箱、磨煤机等装备的关键部件，对保证大型设备的正常安全运转起着至关重要的作用。以对开式径向滑动轴承为例，其结构主要有轴承盖、轴瓦、轴承底座等。其中轴瓦直接与轴接触，工作时承受较大的挤压与摩擦，常出现磨粒磨损、刮伤、胶合、疲劳剥落和腐蚀磨损等损伤。轴瓦的损伤会影响滑动轴承的运行，造成额外的成本支出及维护工作的增加，延长非正常的停机时间。为保障滑动轴承运行的稳定、安全，要求轴瓦的摩擦系数和磨损量要小。轴瓦材料通常采用巴氏合金、铜合金、灰口铸铁和非金属材料等，其中尤以巴氏合金材料的应用最广。特别是对于那些批量小、尺寸大的轴瓦，通常采用离心浇铸工艺，将巴氏合金浇铸在轴瓦钢背的内表面，形成巴氏合金层，制成双金属轴瓦。

轴瓦能否长期正常地工作，与巴氏合金的浇铸质量密切相关。在离心浇铸过程中，巴氏合金中的元素会随着离心机转速的提高而产生偏析，铜元素会向钢背方向聚集，锑元素会在远离钢背的一面占有较多的成份，最大的偏析可以达到50%以上，使得巴氏合金本身的元素分布发生了根本性的变化，由此造成滑动轴承的使用性能的下降。此外，如果巴氏合金在离心浇铸时温度过高，合金中有杂质，瓦胎清洗不干净，浇铸后冷却速度控制不好等，将会造成巴氏合金化合物粗大、夹渣、气孔、裂纹、脱胎等缺陷，影响滑动轴承的耐疲劳、耐腐蚀和耐磨损等性能。

如附图1所示离心浇铸巴氏合金轴瓦的金相组织形貌，灰色的基体为α相，即锑在锡中的固溶体。在基体上分布着大量白色的方形SnSb金属间化合物、针状及星状的Cu₆Sn₅金属间化合物大块粒子。此外，还存在大量黑色的球形气孔。气孔降低了巴氏合金的致密度，气孔减少了轴瓦的有效承载面积，造成应力集中而降低了铸件的塑性、韧性和抗疲劳性能等力学性能；粗大化合物破坏了组织的均匀性，将使巴氏合金强度降低，脆性增大，导致巴氏合金层在使用中容易剥落。此外，由于轴瓦在受挤压后会发生变形，在变形过程中，在粗大化合物与锡基的界面处将产生很大应力集中，容易产生裂纹，降低了轴瓦的强度和耐疲劳性能，从而影响滑动轴承的使用安全性，降低其工作寿命。

发明内容

本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种晶粒及化合物细小，无表层裂纹、偏析、气孔等缺陷的巴氏合金轴瓦及其激光重熔方法与工艺，可大大提高轴瓦的使用寿命。轴瓦离心浇铸巴氏合金后，配合激光重熔装置，采用激光重熔工艺，以改善离心浇铸巴氏合金的组织和性能。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种对开式径向轴瓦的制作方法，制作步骤如下：

1）将预先制作好的轴瓦钢背内表面挖有定位槽；

2）将轴瓦钢背装入离心浇注机，在轴瓦钢背的内表面浇铸上液态巴氏合金；

3）巴氏合金凝固形成巴氏合金层后，在充入保护气体的密闭空间中，并用激光装置对巴氏合金层后进行激光重熔。

上述方法制作而成的对开式径向轴瓦，包括外层的轴瓦钢背和浇铸在轴瓦钢背内表面的巴氏合金层，轴瓦钢背外表面的径向设有一组间隔设置的径向定位槽，轴瓦钢背左右两端上设有轴向定位槽。

这种加工上述对开式径向轴瓦的激光重熔装置，包括旋转工作台，旋转工作台上设有卡盘，卡盘上安装有套筒，套筒内设有安装轴瓦的内腔，内腔上设有定位钢圈，套筒一端封闭并卡接在卡盘上，套筒另一端设有密封端盖，密封端盖的中心孔设有可内外伸缩和一定程度旋转的橡胶褶皱套，橡胶褶皱套为软性材料，橡胶褶皱套中穿入激光传输装置，橡胶褶皱套的内端密封连接在密封端盖的中心孔上，橡胶褶皱套的外端设有可套在激光传输装置外表面上的压圈；套筒上设有进气接口和气压计；激光传输装置包括激光聚焦镜头和喷嘴，激光聚焦镜头连接有与其同轴的水平调节套管，水平调节套管右端设有激光反射镜头和与其呈垂直的竖直调节套管，压圈套在水平调节套管外表面上；激光聚焦镜头和激光反射镜头均设有进水口和出水口，密封端盖上设有进水接口和出水接口，进水接口、出水接口分别通过导管连接激光聚焦镜头的进水口和出水口，进水接口、出水接口外端连接冷水机。

巴氏合金层的主要成分为锑8%，铜6%，镉0.5%，锡85.5%。其中，锑和铜主要作用是与锡形成金属间化合物，提高合金的强度、硬度和耐磨性。

内腔的内壁上开有通气槽，通气槽一端连接着进气接口，另一端连接密封端盖。这样通气槽引导进气接口进入的保护气体，使保护气体充满整个内腔。

其中离心浇铸工艺为浇铸温度390～420℃，钢背预热温度200～230℃，浇铸后空冷4～5s后水冷到120～150℃，取出空冷至室温。

激光重熔工艺为激光功率2.5～3.5Kw，卡盘转速0.2～0.4r/min，激光光束尺寸10mm×2mm，保护气体流速5～10L/min。激光重熔开始时，激光功率取3.5Kw，随着重熔的进行，激光功率逐渐减小，防止过热。

本发明有益的效果是：本发明提供高性能的滑动轴承轴瓦制造方法，轴瓦离心浇铸巴氏合金后，采用激光重熔工艺，以改善离心浇铸巴氏合金的组织和性能。采用高能激光束在离心浇铸巴氏合金表面做快速扫描，被辐照到的巴氏合金表层吸收激光的能量，迅速熔化形成液态熔池。当激光束移开后，热量通过基体的传导迅速散失掉，液态熔池迅速凝固。激光重熔消除了离心浇铸巴氏合金的粗大化合物，消除气孔，使巴氏合金更致密，同时由于迅速冷却而使晶粒得到细化。由于冷却时间极短，元素来不及偏析，元素分布非常均匀，消除了偏析，可大大提高巴氏合金的性能。本发明提供的激光重熔装置解决了巴氏合金氧化和过热的关键问题，使其激光重熔成为可能。巴氏合金熔点低，与氧接触极易发生氧化、燃烧。本发明的激光重熔装置在套筒中构建了一个惰性气体环境（惰性气体从套筒进气接口进入套筒，沿着通气槽充满整个套筒，而后从喷嘴流入激光传输装置，从激光传输装置上部流出），而又不影响激光传输装置的运动。激光重熔过程中，激光束的热量被巴氏合金吸收，巴氏合金凝固后释放出的热量一部分通过惰性气体的对流换热，被惰性气体吸收，通过惰性气体的流动带出套筒及激光传输装置；另一部分热量通过传导被钢背吸收，并通过钢背传导给套筒散失掉，从而避免了因热量累积而使巴氏合金重熔时过热。

附图说明

图1为本发明中轴瓦离心浇铸后巴氏合金的金相组织图；

图2为本发明中轴瓦激光重熔后巴氏合金的金相组织图；

图3为本发明中轴瓦的结构示意图；

图4为本发明中轴瓦钢背的结构示意图；

图5为本发明中激光重熔装置的主视图；

图6为本发明中激光重熔装置的立体结构示意图；

图7为图6中A部分的放大示意图；

图8为本发明中套筒的内部结构示意图；

图9为本发明中激光传输装置的内部剖视图。

附图标记说明：轴瓦1，轴瓦钢背2，径向定位槽2-1，轴向定位槽2-2，巴氏合金层3，旋转工作台4，卡盘5，套筒6，内腔6-1，通气槽6-2，定位钢圈7，密封端盖8，进水口8-1，出水口8-2，橡胶褶皱套9，激光传输装置10，激光聚焦镜头10-1，喷嘴10-2，水平调节套管10-3，激光反射镜头10-4，竖直调节套管10-5，进水口10-6，出水口10-7，压圈11，进气接口12，气压计13，导管14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照附图：这种对开式径向轴瓦产品及其制作方法和激光重熔装置，制作步骤如下

1）将预先制作好的轴瓦钢背内表面挖有定位槽；

3）巴氏合金凝固形成巴氏合金层后，在充入保护气体的激光重熔装置中，并用激光传输装置对巴氏合金层后进行激光重熔；

由上述步骤制作而成的轴瓦1，包括外层的轴瓦钢背2和浇铸在轴瓦钢背2内表面的巴氏合金层3，轴瓦钢背2内表面的径向设有一组间隔设置的径向定位槽2-1，轴瓦钢背2左右两端上设有轴向定位槽2-2；

这种用于加工轴瓦的激光重熔装置，包括旋转工作台4，旋转工作台4上设有卡盘5，卡盘5上安装有套筒6，套筒6内设有安装轴瓦1的内腔6-1，内腔6-1上设有定位钢圈7，套筒6一端封闭并卡接在卡盘5上，套筒6另一端设有密封端盖8，密封端盖8的中心孔设有可内外伸缩及旋转的橡胶褶皱套9，橡胶褶皱套9中穿入激光传输装置10，橡胶褶皱套9的内端密封连接在密封端盖8的中心孔上，橡胶褶皱套9的外端设有套在激光传输装置10外表面上的压圈11；套筒6上设有进气接口12和气压计13；激光传输装置10包括激光聚焦镜头10-1和喷嘴10-2，激光聚焦镜头10-1连接有与其同轴的水平调节套管10-3，水平调节套管10-3右端设有激光反射镜头10-4和与其呈垂直的竖直调节套管10-5，压圈11套在水平调节套管10-3外表面上；激光聚焦镜头10-1和激光反射镜头10-4均设有进水口10-6和出水口10-7，密封端盖8上设有进水接口8-1和出水接口8-2，进水接口8-1、出水接口8-2的内端分别通过导管14连接激光聚焦镜头10-1的进水口10-6和出水口10-7，进水接口8-1和出水接口8-2外端连接有冷水机。内腔6-1的内壁上开有通气槽6-2，通气槽6-2一端连接着进气接口12，另一端连接密封端盖8。

当进行激光重熔时，激光束平行穿过竖直调节套管10-5后辐照在激光反射镜10-4上，被反射镜反射，传输方向发生90度改变。随后，激光束平行穿过水平调节套筒10-3，辐照到激光聚焦镜头10-1上，经再次反射、聚焦后，辐照在轴瓦巴氏合金的内壁上，形成熔池，当激光束移开后，热量通过轴瓦基体迅速散失，熔化的巴氏合金迅速凝固。

轴瓦1固定在轴瓦套筒6中，与轴瓦套筒6一同运动。套筒6通过卡盘5固定在立式旋转工作台4的卡盘5上，随卡盘5一起运动。当进行激光重熔时，激光光闸开启的瞬间，轴瓦1随轴瓦套筒6在卡盘5的带动下高速旋转，转速0.2~0.4r/min。在轴瓦及套筒的旋转过程中，激光光闸始终开启，激光功率为2.5~ 3.5Kw，激光重熔开始时，激光功率取3.5 Kw，随着重熔的进行，激光功率逐渐减小，防止过热。激光束聚焦为矩形光斑辐照在巴氏合金表面上，光斑尺寸为10mm×2mm。当转过一周后，激光光闸瞬间关闭，卡盘5往相反转回一周，激光头在数控机床的带动下水平向右运动一个光束宽度10mm,随后卡盘再次开始转动，激光光闸瞬间开启，进行激光重熔，重复上述过程，最终实现多个滑动轴承轴瓦的表面激光重熔。

本发明激光重熔的加热和冷却速度极快，轴瓦碳化物及晶粒大大细化，不存在组织偏析，消除气孔等缺陷，具有较高的强度、硬度、抗疲劳性和耐磨性，有利于提高轴瓦的使用寿命。附图2分别为激光重熔巴氏合金轴瓦的金相组织形貌。

图2中激光重熔层中的SnSb、Cu₆Sn₅尺寸大大缩小，呈现超细颗粒状。这是因为，激光重熔的加热和冷却速度非常快，大大增加了巴氏合金结晶时的过冷度，导致形核率大大增加。同时，因冷却过程很快，化合物来不及长大，使化合物大大细化。激光重熔后巴氏合金的晶粒很细，晶界较多，位错运动受到的阻碍较大，塑性变形难以进行，起到细晶强化的效果；重熔后较暗的基体相为锡基固溶体，因激光重熔的凝固速度很快，锑等溶质元素含量过饱和，引起晶格畸变，增加了晶粒强度，起到了固溶强化的效果；此外，重熔层中超细SnSb、Cu₆Sn₅硬质颗粒起到了弥散强化的作用。在上述细晶强化、固溶强化和弥散强化的共同作用下，巴氏合金轴瓦的强度、硬度、抗疲劳性和耐磨性大大提高。

在轴瓦激光重熔前，首先把离心浇铸的滑动轴承巴氏合金轴瓦1装入具有相应尺寸的轴瓦套筒6内。轴瓦1主要由轴瓦钢背2和离心浇铸的巴氏合金层3组成。离心浇铸用的巴氏合金为锡基巴氏合金，其主要成分为：锑8%，铜6%，镉0.5%，锡余量85.5%。其中，锑和铜主要作用是与锡形成金属间化合物，提高合金的强度、硬度和耐磨性。

用定位钢圈7通过锁紧螺丝将轴瓦1固定，将轴瓦套筒6通过卡盘5固定在立式旋转工作台4上。将激光装置10穿入橡胶褶皱套9，通过压圈11固定并密封安装激光传输装置10，激光传输装置10伸入轴瓦套筒6的底部。激光传输装置10上部通过激光头上部套筒螺纹与数控机床相连接。密封端盖8与橡胶褶皱套9通过压圈11和螺丝连接为防止漏气，可涂胶。橡胶褶皱套9通过压圈11和螺丝与激光传输装置10连接为防止漏气，可涂胶。橡胶褶皱套9可随激光头整体做水平方向往复运动，也可以沿顺时针及逆时针方向扭转一周。密封端盖8上设有进水接口8-1和出水接口8-2，进水接口8-1、出水接口8-2的内端分别通过导管（14）连接激光聚焦镜头（10-1）的进水口（10-6）和出水口（10-7），外端通过导管连接冷水机。随后，将密封端盖8用螺栓与轴瓦套筒6壁锁牢，密封端盖8与轴瓦套筒6之间通过密封圈密封，这样增强密封性。在轴承套筒6上部装上气压计13，实时监测轴瓦套筒中的气压。

激光重熔前，用塑料导管将装有惰性气体氦气、氩气的高压气瓶的出气阀门与轴瓦套筒6下部开设的进气接口12相连。激光重熔时，将高压气瓶的出气阀门打开，高压气体通过塑料导管从进气接口12进入套筒6，保护气体流速5~10L/min。在套筒6下部还开有通气槽6-2，确保气体在整个轴承套筒中均匀分布。观察气压计13的实时监测气压，当气压过大时，减小高压气瓶出气口气流速率或关闭气流。反之，当气压过小时，增大气流速率。惰性气体从套筒进气接口12进入套筒，沿着通气槽6-2充满整个套筒，而后从喷嘴10-2流入激光传输装置10，从激光传输装置上部流出，从而形成一惰性气体环境，防止巴氏合金在激光重熔时发生氧化和烧损。

激光重熔前，首先编制好数控程序。通过激光装置10辐照在轴瓦巴氏合金离心浇铸内表面。在激光光闸开启的瞬间，轴瓦1随轴瓦套筒6在卡盘5的带动下高速旋转。当转过一周后，激光光闸瞬间关闭，卡盘5往相反转回一周，激光头在数控机床的带动下水平向右运动一个光束宽度10mm,随后卡盘再次开始转动，激光光闸瞬间开启，进行激光重熔，重复上述过程，最终实现多个滑动轴承轴瓦的表面激光重熔。轴瓦激光重熔完后，关闭激光光闸，关闭高压气瓶出气阀门，关闭冷水机入水口阀门和出水口阀门。将密封端盖8固定螺丝拧出，激光装置10在数控机床的带动下移出轴瓦套筒6，松开定位钢圈7上的锁紧螺丝，将轴瓦1从轴瓦套筒6中取出，再装入新的离心浇铸轴瓦，继续进行激光重熔。取下的激光重熔后的轴瓦进行表面少许后续车、铣等精加工，达到尺寸要求。

虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

Claims

1.一种对开式径向轴瓦产品及其制作方法和激光重熔装置，其特征是：制作步骤如下

1）将预先制作好的轴瓦钢背内表面挖有定位槽；

由上述步骤制作而成的轴瓦（1），包括外层的轴瓦钢背（2）和浇铸在轴瓦钢背（2）内表面的巴氏合金层（3），轴瓦钢背（2）内表面的径向设有一组间隔设置的径向定位槽（2-1），轴瓦钢背（2）左右两端设有轴向定位槽（2-2）；

一种用于加工所述轴瓦的激光重熔装置，包括旋转工作台（4），所述旋转工作台（4）上设有卡盘（5），卡盘（5）上安装有套筒（6），套筒（6）内设有安装轴瓦（1）的内腔（6-1），内腔（6-1）上设有定位钢圈（7），套筒（6）一端封闭并卡接在卡盘（5）上，套筒（6）另一端设有密封端盖（8），密封端盖（8）的中心孔设有可内外伸缩及旋转的橡胶褶皱套（9），橡胶褶皱套（9）中穿入激光传输装置（10），橡胶褶皱套（9）的内端密封连接在密封端盖（8）的中心孔上，橡胶褶皱套（9）的外端设有套在激光传输装置（10）外表面上的压圈（11）；套筒（6）上设有进气接口（12）和气压计（13）；所述激光传输装置（10）包括激光聚焦镜头（10-1）和喷嘴（10-2），激光聚焦镜头（10-1）连接有与其同轴的水平调节套管（10-3），水平调节套管（10-3）右端设有激光反射镜头（10-4）和与其呈垂直的竖直调节套管（10-5），所述压圈（11）套在水平调节套管（10-3）外表面上；所述激光聚焦镜头（10-1）和激光反射镜头（10-4）均设有进水口（10-6）和出水口（10-7），所述密封端盖（8）上设有进水接口（8-1）和出水接口（8-2），进水接口（8-1）、出水接口（8-2）分别通过导管（14）连接激光聚焦镜头（10-1）的进水口（10-6）和出水口（10-7）。

2.根据权利要求1所述的对开式径向轴瓦的制作方法及其产品和加工设备，其特征是：所述内腔（6-1）的内壁上开有通气槽（6-2），通气槽（6-2）一端连接着进气接口（12），另一端连接密封端盖（8）。

3.根据权利要求1所述的对开式径向轴瓦的制作方法及其产品和加工设备，其特征是：所述巴氏合金层（3）的主要成分为锑8%，铜6%，镉0.5%，锡85.5%。

4.根据权利要求1所述的对开式径向轴瓦的制作方法及其产品和加工设备，其特征是：所述离心浇铸工艺为浇铸温度390～420℃，钢背预热温度200～230℃，浇铸后空冷4～5s后水冷到120～150℃，取出空冷至室温。

5.根据权利要求1所述的对开式径向轴瓦的制作方法及其产品和加工设备，其特征是：所述激光重熔工艺为激光功率2.5～3.5Kw，卡盘转速0.2～0.4r/min，激光光束尺寸10mm×2mm，保护气体流速5～10L/min。