對開式徑向軸瓦產品及其制作方法和激光重熔裝置制造方法
【專利摘要】一種對開式徑向軸瓦的制作方法，制作步驟如下：1）將預先制作好的軸瓦鋼背內表面挖有定位槽；2）將軸瓦鋼背裝入離心澆注機，在軸瓦鋼背的內表面澆鑄上液態巴氏合金；3）巴氏合金凝固形成巴氏合金層后，在充入保護氣體的密閉空間中，并用激光裝置對巴氏合金層后進行激光重熔。上述方法制作而成的對開式徑向軸瓦，包括外層的軸瓦鋼背和澆鑄在軸瓦鋼背內表面的巴氏合金層，軸瓦鋼背外表面的徑向設有一組間隔設置的徑向定位槽，軸瓦鋼背左右兩端上設有軸向定位槽。配合一種用于加工上述對開式徑向軸瓦的激光重熔裝置，采用激光重熔工藝，以改善離心澆鑄巴氏合金的組織和性能。
【專利說明】對開式徑向軸瓦產品及其制作方法和激光重熔裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及軸承【技術領域】，尤其是一種用于對開式徑向滑動軸承的軸瓦及其加工和激光重熔裝置。
【背景技術】
[0002]目前，滑動軸承因其結構緊湊、承載能力強、抗震性好、運轉精度高、工作平穩、噪聲小、使用壽命長等特性，廣泛應用于高速、重載、高精度、大功率的裝備中，是汽輪機、水輪機、核電機組、發電機、大中型電動機、汽車發動機、核潛艇、軍艦、大型輪船、工業泵、鼓風機、壓縮機、軋鋼機、齒輪箱、磨煤機等裝備的關鍵部件，對保證大型設備的正常安全運轉起著至關重要的作用。以對開式徑向滑動軸承為例，其結構主要有軸承蓋、軸瓦、軸承底座等。其中軸瓦直接與軸接觸，工作時承受較大的擠壓與摩擦，常出現磨粒磨損、刮傷、膠合、疲勞剝落和腐蝕磨損等損傷。軸瓦的損傷會影響滑動軸承的運行，造成額外的成本支出及維護工作的增加，延長非正常的停機時間。為保障滑動軸承運行的穩定、安全，要求軸瓦的摩擦系數和磨損量要小。軸瓦材料通常采用巴氏合金、銅合金、灰口鑄鐵和非金屬材料等，其中尤以巴氏合金材料的應用最廣。特別是對于那些批量小、尺寸大的軸瓦，通常采用離心澆鑄工藝，將巴氏合金燒鑄在軸瓦鋼背的內表面，形成巴氏合金層，制成雙金屬軸瓦。
[0003]軸瓦能否長期正常地工作，與巴氏合金的澆鑄質量密切相關。在離心澆鑄過程中，巴氏合金中的元素會隨著離心機轉速的提高而產生偏析，銅元素會向鋼背方向聚集，銻元素會在遠離鋼背的一面占有較多的成份，最大的偏析可以達到50%以上，使得巴氏合金本身的元素分布發生了根本性的變化，由此造成滑動軸承的使用性能的下降。此外，如果巴氏合金在離心澆鑄時溫度過高，合金中有雜質，瓦胎清洗不干凈，澆鑄后冷卻速度控制不好等，將會造成巴氏合金化合物粗大、夾渣、氣孔、裂紋、脫胎等缺陷，影響滑動軸承的耐疲勞、耐腐蝕和耐磨損等性能。
[0004]如附圖1所示離心澆鑄巴氏合金軸瓦的金相組織形貌，灰色的基體為α相，即銻在錫中的固溶體。在基體上分布著大量白色的方形SnSb金屬間化合物、針狀及星狀的Cu6Sn5金屬間化合物大塊粒子。此外，還存在大量黑色的球形氣孔。氣孔降低了巴氏合金的致密度，氣孔減少了軸瓦的有效承載面積，造成應力集中而降低了鑄件的塑性、韌性和抗疲勞性能等力學性能；粗大化合物破壞了組織的均勻性，將使巴氏合金強度降低，脆性增大，導致巴氏合金層在使用中容易剝落。此外，由于軸瓦在受擠壓后會發生變形，在變形過程中，在粗大化合物與錫基的界面處將產生很大應力集中，容易產生裂紋，降低了軸瓦的強度和耐疲勞性能，從而影響滑動軸承的使用安全性，降低其工作壽命。

【發明內容】

[0005]本發明要解決上述現有技術的缺點，提供一種晶粒及化合物細小，無表層裂紋、偏析、氣孔等缺陷的巴氏合金軸瓦及其激光重熔方法與工藝，可大大提高軸瓦的使用壽命。軸瓦離心澆鑄巴氏合金后，配合激光重熔裝置，采用激光重熔工藝，以改善離心澆鑄巴氏合金的組織和性能。
[0006]本發明解決其技術問題采用的技術方案:這種對開式徑向軸瓦的制作方法，制作步驟如下:
1)將預先制作好的軸瓦鋼背內表面挖有定位槽；
2)將軸瓦鋼背裝入離心澆注機，在軸瓦鋼背的內表面澆鑄上液態巴氏合金；
3)巴氏合金凝固形成巴氏合金層后，在充入保護氣體的密閉空間中，并用激光裝置對巴氏合金層后進行激光重熔。
[0007]上述方法制作而成的對開式徑向軸瓦，包括外層的軸瓦鋼背和澆鑄在軸瓦鋼背內表面的巴氏合金層，軸瓦鋼背外表面的徑向設有一組間隔設置的徑向定位槽，軸瓦鋼背左右兩端上設有軸向定位槽。
[0008]這種加工上述對開式徑向軸瓦的激光重熔裝置，包括旋轉工作臺，旋轉工作臺上設有卡盤，卡盤上安裝有套筒，套筒內設有安裝軸瓦的內腔，內腔上設有定位鋼圈，套筒一端封閉并卡接在卡盤上，套筒另一端設有密封端蓋，密封端蓋的中心孔設有可內外伸縮和一定程度旋轉的橡膠褶皺套，橡膠褶皺套為軟性材料，橡膠褶皺套中穿入激光傳輸裝置，橡膠褶皺套的內端密封連接在密封端蓋的中心孔上，橡膠褶皺套的外端設有可套在激光傳輸裝置外表面上的壓圈；套筒上設有進氣接口和氣壓計；激光傳輸裝置包括激光聚焦鏡頭和噴嘴，激光聚焦鏡頭連接有與其同軸的水平調節套管，水平調節套管右端設有激光反射鏡頭和與其呈垂直的豎直調節套管，壓圈套在水平調節套管外表面上；激光聚焦鏡頭和激光反射鏡頭均設有進水口和出水口，密封端蓋上設有進水接口和出水接口，進水接口、出水接口分別通過導管連接激光聚焦鏡頭的進水口和出水口，進水接口、出水接口外端連接冷水機。
[0009]巴氏合金層的主要成分為銻8%，銅6%，鎘0.5%，錫85.5%。其中，銻和銅主要作用是與錫形成金屬間化合物，提高合金的強度、硬度和耐磨性。
[0010]內腔的內壁上開有通氣槽，通氣槽一端連接著進氣接口，另一端連接密封端蓋。這樣通氣槽引導進氣接口進入的保護氣體，使保護氣體充滿整個內腔。
[0011]其中離心澆鑄工藝為澆鑄溫度390?420°C，鋼背預熱溫度200?230°C，澆鑄后空冷4?5s后水冷到120?150°C，取出空冷至室溫。
[0012]激光重熔工藝為激光功率2.5?3.5Kw,卡盤轉速0.2?0.4r/min,激光光束尺寸IOmmX 2mm,保護氣體流速5?10L/min。激光重熔開始時，激光功率取3.5Kw,隨著重熔的進行，激光功率逐漸減小，防止過熱。
[0013]本發明有益的效果是:本發明提供高性能的滑動軸承軸瓦制造方法，軸瓦離心澆鑄巴氏合金后，采用激光重熔工藝，以改善離心澆鑄巴氏合金的組織和性能。采用高能激光束在離心澆鑄巴氏合金表面做快速掃描，被輻照到的巴氏合金表層吸收激光的能量，迅速熔化形成液態熔池。當激光束移開后，熱量通過基體的傳導迅速散失掉，液態熔池迅速凝固。激光重熔消除了離心澆鑄巴氏合金的粗大化合物，消除氣孔，使巴氏合金更致密，同時由于迅速冷卻而使晶粒得到細化。由于冷卻時間極短，元素來不及偏析，元素分布非常均勻，消除了偏析，可大大提高巴氏合金的性能。本發明提供的激光重熔裝置解決了巴氏合金氧化和過熱的關鍵問題，使其激光重熔成為可能。巴氏合金熔點低，與氧接觸極易發生氧化、燃燒。本發明的激光重熔裝置在套筒中構建了一個惰性氣體環境(惰性氣體從套筒進氣接口進入套筒，沿著通氣槽充滿整個套筒，而后從噴嘴流入激光傳輸裝置，從激光傳輸裝置上部流出)，而又不影響激光傳輸裝置的運動。激光重熔過程中，激光束的熱量被巴氏合金吸收，巴氏合金凝固后釋放出的熱量一部分通過惰性氣體的對流換熱，被惰性氣體吸收，通過惰性氣體的流動帶出套筒及激光傳輸裝置；另一部分熱量通過傳導被鋼背吸收，并通過鋼背傳導給套筒散失掉，從而避免了因熱量累積而使巴氏合金重熔時過熱。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發明中軸瓦離心澆鑄后巴氏合金的金相組織圖；
圖2為本發明中軸瓦激光重熔后巴氏合金的金相組織圖；
圖3為本發明中軸瓦的結構示意圖；
圖4為本發明中軸瓦鋼背的結構示意圖；
圖5為本發明中激光重熔裝置的主視圖；
圖6為本發明中激光重熔裝置的立體結構示意圖；
圖7為圖6中A部分的放大示意圖；
圖8為本發明中套筒的內部結構示意圖；
圖9為本發明中激光傳輸裝置的內部剖視圖。
[0015]附圖標記說明:軸瓦1，軸瓦鋼背2，徑向定位槽2-1，軸向定位槽2-2，巴氏合金層3，旋轉工作臺4，卡盤5，套筒6，內腔6-1，通氣槽6-2，定位鋼圈7，密封端蓋8，進水口 8_1，出水口 8-2，橡膠褶皺套9，激光傳輸裝置10，激光聚焦鏡頭10-1，噴嘴10-2，水平調節套管10-3，激光反射鏡頭10-4，豎直調節套管10-5，進水口 10-6，出水口 10_7，壓圈11，進氣接口12，氣壓計13，導管14。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明作進一步說明:
參照附圖:這種對開式徑向軸瓦產品及其制作方法和激光重熔裝置，制作步驟如下
1)將預先制作好的軸瓦鋼背內表面挖有定位槽；
2)將軸瓦鋼背裝入離心澆注機，在軸瓦鋼背的內表面澆鑄上液態巴氏合金；
3)巴氏合金凝固形成巴氏合金層后，在充入保護氣體的激光重熔裝置中，并用激光傳輸裝置對巴氏合金層后進行激光重熔；
由上述步驟制作而成的軸瓦1，包括外層的軸瓦鋼背2和澆鑄在軸瓦鋼背2內表面的巴氏合金層3，軸瓦鋼背2內表面的徑向設有一組間隔設置的徑向定位槽2-1，軸瓦鋼背2左右兩端上設有軸向定位槽2-2;
這種用于加工軸瓦的激光重熔裝置，包括旋轉工作臺4，旋轉工作臺4上設有卡盤5，卡盤5上安裝有套筒6，套筒6內設有安裝軸瓦I的內腔6-1，內腔6-1上設有定位鋼圈7，套筒6 —端封閉并卡接在卡盤5上，套筒6另一端設有密封端蓋8，密封端蓋8的中心孔設有可內外伸縮及旋轉的橡膠褶皺套9，橡膠褶皺套9中穿入激光傳輸裝置10，橡膠褶皺套9的內端密封連接在密封端蓋8的中心孔上，橡膠褶皺套9的外端設有套在激光傳輸裝置10外表面上的壓圈11 ;套筒6上設有進氣接口 12和氣壓計13 ;激光傳輸裝置10包括激光聚焦鏡頭10-1和噴嘴10-2，激光聚焦鏡頭10-1連接有與其同軸的水平調節套管10-3，水平調節套管 10-3右端設有激光反射鏡頭10-4和與其呈垂直的豎直調節套管10-5，壓圈11套在水平調節套管10-3外表面上；激光聚焦鏡頭10-1和激光反射鏡頭10-4均設有進水口 10-6和出水口 10-7，密封端蓋8上設有進水接口 8-1和出水接口 8-2，進水接口 8-1、出水接口8-2的內端分別通過導管14連接激光聚焦鏡頭10-1的進水口 10-6和出水口 10_7，進水接口 8-1和出水接口 8-2外端連接有冷水機。內腔6-1的內壁上開有通氣槽6-2，通氣槽6-2一端連接著進氣接口 12，另一端連接密封端蓋8。
[0017]當進行激光重熔時，激光束平行穿過豎直調節套管10-5后輻照在激光反射鏡10-4上，被反射鏡反射，傳輸方向發生90度改變。隨后，激光束平行穿過水平調節套筒10-3，輻照到激光聚焦鏡頭10-1上，經再次反射、聚焦后，輻照在軸瓦巴氏合金的內壁上，形成熔池，當激光束移開后，熱量通過軸瓦基體迅速散失，熔化的巴氏合金迅速凝固。
[0018]軸瓦I固定在軸瓦套筒6中，與軸瓦套筒6—同運動。套筒6通過卡盤5固定在立式旋轉工作臺4的卡盤5上，隨卡盤5 —起運動。當進行激光重熔時，激光光閘開啟的瞬間，軸瓦I隨軸瓦套筒6在卡盤5的帶動下高速旋轉，轉速0.2^0.4r/min。在軸瓦及套筒的旋轉過程中，激光光閘始終開啟，激光功率為2.5~3.5Kw，激光重熔開始時，激光功率取3.5Kw，隨著重熔的進行，激光功率逐漸減小，防止過熱。激光束聚焦為矩形光斑輻照在巴氏合金表面上，光斑尺寸為IOmmX2mm。當轉過一周后,激光光閘瞬間關閉，卡盤5往相反轉回一周，激光頭在數控機床的帶動下水平向右運動一個光束寬度10mm，隨后卡盤再次開始轉動，激光光閘瞬間開啟，進行激光重熔，重復上述過程，最終實現多個滑動軸承軸瓦的表面激光重熔。
[0019]本發明激光重熔的加熱和冷卻速度極快，軸瓦碳化物及晶粒大大細化，不存在組織偏析，消除氣孔等缺陷，具有較高的強度、硬度、抗疲勞性和耐磨性，有利于提高軸瓦的使用壽命。附圖2分別為激光重熔巴氏合金軸瓦的金相組織形貌。
[0020]圖2中激光重熔層中的SnSb、Cu6Sn5尺寸大大縮小，呈現超細顆粒狀。這是因為，激光重熔的加熱和冷卻速度非常快，大大增加了巴氏合金結晶時的過冷度，導致形核率大大增加。同時，因冷卻過程很快，化合物來不及長大，使化合物大大細化。激光重熔后巴氏合金的晶粒很細，晶界較多，位錯運動受到的阻礙較大，塑性變形難以進行，起到細晶強化的效果；重熔后較暗的基體相為錫基固溶體，因激光重熔的凝固速度很快，銻等溶質元素含量過飽和，引起晶格畸變，增加了晶粒強度，起到了固溶強化的效果；此外，重熔層中超細SnSbXu6Sn5硬質顆粒起到了彌散強化的作用。在上述細晶強化、固溶強化和彌散強化的共同作用下，巴氏合金軸瓦的強度、硬度、抗疲勞性和耐磨性大大提高。
[0021]在軸瓦激光重熔前，首先把離心澆鑄的滑動軸承巴氏合金軸瓦I裝入具有相應尺寸的軸瓦套筒6內。軸瓦I主要由軸瓦鋼背2和離心澆鑄的巴氏合金層3組成。離心澆鑄用的巴氏合金為錫基巴氏合金，其主要成分為:銻8%，銅6%，鎘0.5%，錫余量85.5%。其中，銻和銅主要作用是與錫形成金屬間化合物，提高合金的強度、硬度和耐磨性。
[0022]用定位鋼圈7通過鎖緊螺絲將軸瓦I固定，將軸瓦套筒6通過卡盤5固定在立式旋轉工作臺4上。將激光裝置10穿入橡膠褶皺套9，通過壓圈11固定并密封安裝激光傳輸裝置10，激光傳輸裝置10伸入軸瓦套筒6的底部。激光傳輸裝置10上部通過激光頭上部套筒螺紋與數控機床相連接。密封端蓋8與橡膠褶皺套9通過壓圈11和螺絲連接為防止漏氣，可涂膠。橡膠褶皺套9通過壓圈11和螺絲與激光傳輸裝置10連接為防止漏氣，可涂膠。橡膠褶皺套9可隨激光頭整體做水平方向往復運動，也可以沿順時針及逆時針方向扭轉一周。密封端蓋8上設有進水接口 8-1和出水接口 8-2，進水接口 8-1、出水接口 8-2的內端分別通過導管(14)連接激光聚焦鏡頭(10-1)的進水口( 10-6)和出水口( 10-7)，外端通過導管連接冷水機。隨后，將密封端蓋8用螺栓與軸瓦套筒6壁鎖牢，密封端蓋8與軸瓦套筒6之間通過密封圈密封，這樣增強密封性。在軸承套筒6上部裝上氣壓計13，實時監測軸瓦套筒中的氣壓。
[0023]激光重熔前，用塑料導管將裝有惰性氣體氦氣、氬氣的高壓氣瓶的出氣閥門與軸瓦套筒6下部開設的進氣接口 12相連。激光重熔時，將高壓氣瓶的出氣閥門打開，高壓氣體通過塑料導管從進氣接口 12進入套筒6，保護氣體流速5?10L/min。在套筒6下部還開有通氣槽6-2，確保氣體在整個軸承套筒中均勻分布。觀察氣壓計13的實時監測氣壓，當氣壓過大時，減小高壓氣瓶出氣口氣流速率或關閉氣流。反之，當氣壓過小時，增大氣流速率。惰性氣體從套筒進氣接口 12進入套筒，沿著通氣槽6-2充滿整個套筒，而后從噴嘴10-2流入激光傳輸裝置10，從激光傳輸裝置上部流出，從而形成一惰性氣體環境，防止巴氏合金在激光重熔時發生氧化和燒損。
[0024]激光重熔前，首先編制好數控程序。通過激光裝置10輻照在軸瓦巴氏合金離心澆鑄內表面。在激光光閘開啟的瞬間，軸瓦I隨軸瓦套筒6在卡盤5的帶動下高速旋轉。當轉過一周后，激光光閘瞬間關閉，卡盤5往相反轉回一周，激光頭在數控機床的帶動下水平向右運動一個光束寬度10mm，隨后卡盤再次開始轉動，激光光閘瞬間開啟，進行激光重熔，重復上述過程，最終實現多個滑動軸承軸瓦的表面激光重熔。軸瓦激光重熔完后，關閉激光光閘，關閉高壓氣瓶出氣閥門，關閉冷水機入水口閥門和出水口閥門。將密封端蓋8固定螺絲擰出，激光裝置10在數控機床的帶動下移出軸瓦套筒6，松開定位鋼圈7上的鎖緊螺絲，將軸瓦I從軸瓦套筒6中取出，再裝入新的離心澆鑄軸瓦，繼續進行激光重熔。取下的激光重熔后的軸瓦進行表面少許后續車、銑等精加工，達到尺寸要求。
[0025]雖然本發明已通過參考優選的實施例進行了圖示和描述，但是，本專業普通技術人員應當了解，在權利要求書的范圍內，可作形式和細節上的各種各樣變化。
【權利要求】
1.一種對開式徑向軸瓦產品及其制作方法和激光重熔裝置，其特征是:制作步驟如下 1)將預先制作好的軸瓦鋼背內表面挖有定位槽； 2)將軸瓦鋼背裝入離心澆注機，在軸瓦鋼背的內表面澆鑄上液態巴氏合金； 3)巴氏合金凝固形成巴氏合金層后，在充入保護氣體的激光重熔裝置中，并用激光傳輸裝置對巴氏合金層后進行激光重熔； 由上述步驟制作而成的軸瓦(I )，包括外層的軸瓦鋼背(2)和澆鑄在軸瓦鋼背(2)內表面的巴氏合金層(3)，軸瓦鋼背(2)內表面的徑向設有一組間隔設置的徑向定位槽(2-1)，軸瓦鋼背(2)左右兩端設有軸向定位槽(2-2)； 一種用于加工所述軸瓦的激光重熔裝置，包括旋轉工作臺(4)，所述旋轉工作臺(4)上設有卡盤(5)，卡盤(5)上安裝有套筒(6)，套筒(6)內設有安裝軸瓦(I)的內腔(6-1)，內腔(6-1)上設有定位鋼圈(7)，套筒(6) —端封閉并卡接在卡盤(5)上，套筒(6)另一端設有密封端蓋(8)，密封端蓋(8)的中心孔設有可內外伸縮及旋轉的橡膠褶皺套(9)，橡膠褶皺套(9)中穿入激光傳輸裝置(10)，橡膠褶皺套(9)的內端密封連接在密封端蓋(8)的中心孔上，橡膠褶皺套(9)的外端設有套在激光傳輸裝置(10)外表面上的壓圈(11);套筒(6)上設有進氣接口( 12)和氣壓計(13);所述激光傳輸裝置(10)包括激光聚焦鏡頭(10-1)和噴嘴(10-2)，激光聚焦鏡頭(10-1)連接有與其同軸的水平調節套管(10-3)，水平調節套管(10-3)右端設有激光反射鏡頭(10-4)和與其呈垂直的豎直調節套管(10-5)，所述壓圈(11)套在水平調節套管(10-3)外表面上；所述激光聚焦鏡頭(10-1)和激光反射鏡頭(10-4)均設有進水口(10-6)和出水口(10-7)，所述密封端蓋(8)上設有進水接口(8_1)和出水接口(8-2)，進水接口(8-1)、出水接口(8-2)分別通過導管(14)連接激光聚焦鏡頭(10-1)的進水口(10-6)和出水口(10-7)。
2.根據權利要求1所述的對開式徑向軸瓦的制作方法及其產品和加工設備，其特征是:所述內腔(6-1)的內壁上開有通氣槽(6-2)，通氣槽(6-2)—端連接著進氣接口(12)，另一端連接密封端蓋(8)。
3.根據權利要求1所述的對開式徑向軸瓦的制作方法及其產品和加工設備，其特征是:所述巴氏合金層(3)的主要成分為銻8%，銅6%，鎘0.5%，錫85.5%。
4.根據權利要求1所述的對開式徑向軸瓦的制作方法及其產品和加工設備，其特征是:所述離心澆鑄工藝為澆鑄溫度390?420°C，鋼背預熱溫度200?230°C，澆鑄后空冷4?5s后水冷到120?150°C，取出空冷至室溫。
5.根據權利要求1所述的對開式徑向軸瓦的制作方法及其產品和加工設備，其特征是:所述激光重熔工藝為激光功率2.5?3.5Kw,卡盤轉速0.2?0.4r/min，激光光束尺寸IOmmX 2mm,保護氣體流速5?10L/min。
【文檔編號】B22D19/16GK103949614SQ201410187569
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月6日 優先權日:2014年5月6日
【發明者】張偉, 趙光良 申請人:浙江機電職業技術學院