推力軸瓦錫基合金ZSnSb11Cu6與改性聚四氟乙烯研究

謝克非，李金澤，胡 瑞，熊 樂，利盛昕，熊 震

（1.南昌工程學院機械與電氣工程學院，江西 南昌330099；2.四川紅華實業有限公司，四川 樂山614200；3.贛州市水利水電勘測設計院，江西 贛州341000）

錫基合金ZSnSb11Cu6與改性聚四氟乙烯是國內水輪發電機組推力軸瓦的兩種瓦體材質[1]。錫基合金其應用可以追溯到工業革命時代[2]，其質量分數為銻3%～15%，銅2%～6%，鎘＜1%，錫余量。具有減摩特性的錫基巴氏合金是最適合相對于低硬度軸轉動的材料，我國水輪發電機組推力軸承引進其材質使用至今[3]。近幾十年,我國的部分水電站開始采用彈性金屬塑料瓦代替巴氏合金瓦作為水輪發電機組推力軸瓦瓦體材料使用[4]，以東方電機等公司生產的改性聚四氟乙烯塑料瓦最具有代表性。但由于改性聚四氟乙烯推力瓦屬于新生事物，應用效果和可靠性有待商榷，部分傳統電站和新電站繼續采用錫基合金ZSnSb11Cu6作為推力瓦材質。對錫基合金ZSnSb11Cu6與改性聚四氟乙烯進行性能實驗分析，對比分析2種材質的優劣性，為電站提供有價值的數據參考和技改支撐[5-6]。

1 推力軸瓦的耐溫性

推力軸瓦在日常工作中，會因機組開機停機，瓦面摩擦等過程導致瓦面溫度劇烈攀升。以推力軸瓦運行工況為前提基準，首先對錫基合金（ZSnSb11Cu6）瓦和改性聚四氟乙烯瓦采用熱差分析法（DTA）測試。獲得錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性四氟乙烯詳細的熱差曲線及溫度變化過程，分析各項特征溫度[7-9]。

1.1 錫基合金ZSnSb11Cu6耐溫性實驗

錫基合金（ZSnSb11Cu6）采用熱差分析測試的方式進行耐溫性測量。取一定的錫基合金（ZSnSb11Cu6）試樣進行坩堝稱重，天平計量后減去干鍋的重量得到錫基合金（ZSnSb11Cu6）試樣的凈重，實驗儀器要求試樣凈重選擇30 mg。以室溫為參考值，以10℃/min的升溫速度從室溫升提升到300℃，氮氣條件下進行，氮氣氣流量為200 mL/min。實驗過程中儀器進行數據繪制與編排，測得試樣的熱流/熱重曲線如圖1。

錫基合金（ZSnSb11Cu6）耐溫性實驗過程數據呈現出藍色、綠色和紅色3條曲線，DTA熱流曲線為綠色曲線，TG熱重曲線為藍色曲線，DDTA微分差熱曲線為紅色曲線。對熱流曲線與微分差熱曲線的觀察，可以了解到錫基合金（ZSnSb11Cu6）的吸熱峰、放熱峰及曲線上的特征值；對TG曲線的觀察，了解錫基合金（ZSnSb11Cu6）的重量減少速率。最終通過TG、DTA和DDTA曲線的觀察分析，得到錫基合金（ZSnSb11Cu6）的溫升變化過程，獲得錫基合金（ZSnSb11Cu6）的各項溫度特征值（Temp Cel）。

圖1 錫基合金（ZSnSb11Cu6）TG/DTA曲線Fig.1 TG/DTA curve of Tin alloy ZSnSb11Cu6

錫基合金（ZSnSb11Cu6）DTA曲線中，有3個較為明顯的吸熱谷，在溫度達到184.8℃時吸熱反應首先發生，電位差此時為11.53μV，在溫度達到190.1℃時，達到吸熱峰值，即最大吸熱量，電位差此時為0.97μV；在溫度為220.3℃時出現第2個吸熱反應，在溫度為246.3℃時出現第3個吸熱反應，熱重曲線中，第2個吸熱反應峰發生大幅度波動。

1.2 改性聚四氟乙烯耐溫性實驗

與錫基合金（ZSnSb11Cu6）實驗條件及步驟相同，對改性聚四氟乙烯進行熱差分析測試。改性聚四氟乙烯熱重/熱流曲線中，較為明顯的吸熱反應和放熱共有3處，微分差熱曲線也與之相互對應。

在溫度達到321.3℃時開始發生初次吸熱反應過程，電位差此時為12.96μV，在溫度達到329.8℃時，達到初次吸熱反應峰值，電位差此時為10.37μV；第2個吸熱反應過程在溫度為511.3℃時出現，電位差為12.60μV，溫度為559.2℃時達到第2個吸熱過程最大吸熱反應量，此時為改性聚四氟乙烯最大吸熱量，峰值處電位差為3.57μV；在溫度為246.3℃時出現第3個吸熱反應。此外，在熱重曲線中，在第2個吸熱反應峰值處出現強烈波動，熱重熱流曲線如圖2所示。

圖2 改性聚四氟乙烯TG/DTA曲線Fig.2 TG/DTA curve of PTFE

2 推力瓦材質的硬度

由外界施加壓力導致材料發生相對抵抗外壓的能力，這種能力稱為硬度。材料對外界物體入侵的這種局部抵抗能力，硬度一定程度上影響著金屬的屈服強度，發電機組上常應用此方法來進行間接比較各種材料的屈服強度[10]。此外，推力瓦運行工況中，材質軟硬度也是影響瓦體材質的重要因素之一。通過對錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯進行維氏硬度（宏觀）實驗，獲得并處理數據，得到錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯的硬度值[11]。

3 錫基合金ZSnSb11Cu6、改性聚四氟乙烯硬度

用鋸尺將錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯初步加工為14 mm3的立方體，然后使用銑刀再進行精加工，精加工為10 mm3的立方體，最后使用機械拋光機將其拋光成鏡面，制好試樣。緊接著，將試樣塊進行打點測量。以任一鏡面邊的中心點開始往面中心點打點，打點數目至6點實驗結束。實驗結束后，將測量的維氏硬度值進行匯總，如表1。

表1 維氏硬度測量匯總數據Tab.1 Vickers hardness measurement data

將表1中的維氏硬度測量匯總數據用Origin軟件進行曲線刻畫，觀察兩種材料硬度曲線的離散和穩定狀況，如圖3所示。在圖3中可以發現，錫基合金（ZSnSb11Cu6）改性聚四氟乙烯的維氏硬度曲線都存在一個波動范圍區間。錫基合金（ZSnSb11Cu6）的硬度范圍區間在60～80 N/mm2之間，改性聚四氟乙烯的硬度范圍區間在14～15 N/mm2之間。并且，從Origin硬度曲線上可以觀察出，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的硬度測量值波動情況大，離散情況明顯；改性聚四氟乙烯的硬度曲線平緩穩定，相對波動不明顯。

圖3 維氏硬度曲線Fig.3 Vickers hardness curve

計算處理上表1的錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯的維氏硬度值，經過算數平均數的計算，得出兩種材質的維氏硬度均值，將其均值作為錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯的硬度參考值，計算過程如下

通過上述的算數平均數的計算，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的硬度參考值為70.325 N/mm2，改性聚四氟乙烯的硬度參考值為14.450 N/mm2。

4 推力瓦材質的摩擦磨損性能

摩擦磨損性能是影響軸承耐久性又一重要性能之一[12]。將錫基合金（ZSnSb11Cu6）和改性聚四氟乙烯瓦加工成7.6 mm的銷試樣，摩擦磨損實驗的對磨材料選用的為45號鋼，將45號鋼通過機械冷加工成58 mm的圓柱體，并在圓柱體其中心處挖取直徑為14 mm，高度為5 mm左右的凹型槽，用于摩擦磨損試驗機下沉安裝國定螺絲，并且用砂紙將其打磨成粗糙面。

經過預先實驗加載，錫基合金（ZSnSb11Cu6）5 kg荷載時出現較明顯磨損；因此選定在5 kg荷載、油潤滑（46號機油）的條件下進行詳細實驗，實驗中分別對錫基合金（ZSnSb11Cu6）試樣，改性四氟乙烯試樣進行200，400，600 r/min摩擦實驗，磨損實驗[13]。其中，24 h磨損實驗結果做為磨損標準[14]，摩擦磨損實驗完成后，收集匯總數據，將數據繪制成圖，錫基合金（ZSnSb11Cu6）曲線如圖4所示。

在200 r/min下，錫基合金（ZSnSb11Cu6）摩擦系數在0.08到0.10之間進行波動，摩擦系數0.092為200 r/min條件下摩擦系數最終均值；在400 r/min下，錫基合金（ZSnSb11Cu6）摩擦系數在0.09～0.11之間進行波動，摩擦系數0.087為400 r/min條件下摩擦系數的最終均值；在600 r/min下，錫基合金（ZSnSb11Cu6）摩擦系數發生下滑現象，錫基合金（ZSnSb11Cu6）屈服強度已達到該種材料的極限，開始發生損壞，摩擦系數最終降至0.041。

圖4 5 kg荷載-錫基合金（ZSnSb11Cu6）Fig.4 5 kg load-tin alloy(ZSnSb11Cu6)

采用電子天平，對實驗后錫基合金（ZSnSb11Cu6）進行稱重，與實驗前稱重值進行對比計算，錫基合金（ZSnSb11Cu6）磨損條件為200 r/min時，計算磨損量為0.149 g，錫基合金（ZSnSb11Cu6）磨損實驗為400 r/min時，計算磨損量為0.132 5 g，錫基合金（ZSnSb11Cu6）磨損實驗條件為600 r/min時，計算磨損量為0.178 9 g。5 kg荷載下，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的磨損現象開始顯著突出。

圖5 5 kg荷載-改性聚四氟乙烯Fig.5 5 kg load-modified PTFE

如圖5所示，改性聚四氟乙烯5 kg荷載進行實驗，改性聚四氟乙烯在200 r/min摩擦時，基本趨于平穩，摩擦系數在0.01上下波動，摩擦系數最終的計算均值為0.01；改性聚四氟乙烯在400 r/min摩擦時，摩擦系數在0.01～0.03區間內波動，波動情況較為劇烈，摩擦系數最終的計算均值為0.039；600 r/min下，改性聚四氟乙烯摩擦曲線，曲線在0.01～0.04之間波動，最終摩擦系數穩定在0.05。

通過電子天平稱重，200 r/min實驗條件下，0.001 g為改性聚四氟乙烯實驗前后磨損量；400 r/min實驗條件下，0.000 1 g為改性聚四氟乙烯實驗前后磨損量；600 r/min實驗下，0.093 g為改性聚四氟乙烯實驗前后磨損量。5 kg荷載的條件下，改性聚四氟乙烯磨損量微小。

5 結論

1）錫基合金（ZSnSb11Cu6）在溫度處于184℃左右時，材料出現大規模分解，溫度在184℃之前，錫基合金（ZSnSb11Cu6）材料自身可以正常發揮各項性能；改性聚四氟乙烯在溫度處于511.3℃左右時，材料出現大規模分解，溫度在320℃之前，改性聚四氟乙烯能保證性能的正常發揮，在500℃以上時，性能發生大規模衰減。改性聚四氟乙烯材質耐溫性明顯強于錫基合金（ZSnSb11Cu6）材質，更能面對復雜的高溫現象。

2）改性聚四氟乙烯的硬度計算值為14.450，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的硬度計算值為70.325，改性聚四氟乙烯材質比巴氏合金材質硬度更小，更不會損傷對磨鏡板等材質。

3）摩擦系數0.08～0.1之間為錫基合金（ZSnSb11Cu6）的摩擦系數范圍，摩擦系數0.01～0.04之間為改性聚四氟乙烯的摩擦系數范圍，相比較，錫基合金（ZSnSb11Cu6）的摩擦系數遠遠大于改性聚四氟乙烯，在24 h摩擦磨損實驗下，0.13～0.18 g為錫基合金（ZSnSb11Cu6）的磨損量范圍，0.000 1～0.093 g為改性聚四氟乙烯的磨損量范圍，磨損量遠遠小于錫基合金（ZSnSb11Cu6），耐磨性突出明顯。

4）綜合以上性能的研究，改性聚四氟乙烯塑料瓦比錫基合金（ZSnSb11Cu6）的性能更加優良，更加耐磨。在水輪發電機組推力瓦材質的選擇中，改性聚四氟乙烯比錫基合金（ZSnSb11Cu6）工程應用性更好。