電弧增材制造技術在滑動軸承領域的應用

陳劍鋒，黃煒，李鋒,繆頓，周健

(1.申科滑動軸承股份有限公司，浙江 紹興 311800；2.紹興信息研究院，浙江 紹興 312000；3.紹興市天龍錫材有限公司，浙江 紹興 312001；4.東南大學 材料科學與工程學院，南京 211189)

以錫基巴氏合金為減摩層的滑動軸承適用于低速、重載工況，具有精度高,抗振性好，工作平穩可靠，噪聲小和壽命長等優勢。傳統技術手段是在碳鋼的鋼背上采用離心澆鑄[1-3]或重力澆鑄[4]制取鋼背-巴氏合金雙金屬軸瓦。鑄造工藝雖然技術成熟，但存在以下不足：結合強度偏低且不穩定，鑄造層較厚(一般為13 mm以上)，組織粗大和偏析，裂紋縮孔等；工藝流程長，需經巴氏合金熔化、鋼背掛錫、熔體注入鑄造腔體、離心澆鑄成型、冷卻水噴淋、機床粗加工和精加工等，能耗和材料消耗大；環境安全職業健康(Environment Safety Health，ESH)不夠理想，澆鑄過程受人為因素影響較多，導致質量一致性不高;在使用壽命、可靠性方面與國外存在明顯差距[5]。采用增材制造技術符合軸瓦發展的必然趨勢，可解決鑄造存在的諸多不足，尤其是能夠縮短工藝流程，增材層厚度只有鑄造層的25%～30%，節約70%～75%的巴氏合金材料，人為因素減少，ESH更友好，可以推動行業技術的升級換代。

近年來滑動軸承的制造發展較快，釬焊、噴涂、堆焊、增材等工藝不斷迭代，大大推動了我國滑動軸承材料乃至零件制造水平的發展。增材制造是以三維模型數據為基礎，通過材料堆積的方式制造零件或實物的工藝。噴涂和堆焊都可進行增材制造，但需圍繞增加材料的厚度、形狀、性能、效率和精度進行合理選擇。若增加涂層厚度只有微米級，一般看作表面處理，噴涂更多應用于表面處理，若厚度達到毫米級甚至更大，增加的材料更多，就更符合增材制造。另外，增材制造使形狀復雜零件的加工流程縮短，比如多個合金面用一臺設備、一道工序連續完成。激光作為加熱源在表面處理方面應用較多，也可用于增材制造。

本文將闡述目前國內電弧增材制造技術應用于軸瓦領域的現狀，有關配套錫基巴氏合金的成分研究及其線材制造技術水平，探討增材制造在軸瓦領域的應用，錫基巴氏合金線材和相關配套技術的發展趨勢及存在的問題。

1 國內外軸瓦增材制造技術的發展

1.1 國外

21世紀初，美國摩根精密軸承公司在上海投資成立摩根油膜軸承(上海)有限公司，并在國內率先采用氧-乙炔自動釬焊設備，在軸瓦鋼背上增加一層錫基巴氏合金。主要設備、釬焊線材和輔助材料均從美國進口，主要為軋鋼機械配套。雖然該技術比鑄造技術先進，但釬焊前要有嚴格的清理工序且需在鋼背上涂專用助焊劑，增加了生產成本，適合大中型滑動軸承，因此應用范圍受到限制。

三菱和大同等公司早期也開發了噴涂工藝和電弧堆焊工藝，但應用場合有限。由于國外公司技術保密，至今仍不清楚國外目前技術的應用情況，但從巴氏合金原料判斷，其應用技術主要是噴涂和鎢極惰性氣體保護(Tungsten Inertia Gas，TIG)電弧堆焊技術。德國RENK公司在應用巴氏合金絲材進行軸瓦修復的技術上也在開發新的增材制造技術。

1.2 國內

1.2.1 早期的修補應用

錫基巴氏合金熔點低，易于釬焊，氧-乙炔釬焊最先用于大中型滑動軸承的修復[6-7]，如離心鑄造軸瓦加工后的缺陷或錫基巴氏合金層局部磨損、脫落，釬焊采用手工操作，僅限于修補滑動軸承，無法替代鑄造技術并實現規模化生產。文獻[8]給出了巴氏合金釬焊層的質量評價規范，詳述了焊接的一般要求、焊接線材、輔助材料(純錫或錫銀合金為過渡層、助焊劑)、焊前準備、焊接過程(基體預熱、過渡合金層焊接、巴氏合金工作層堆焊)、檢查和驗收，是對釬焊修復軸瓦過程進行規范和結果評判的依據。

1.2.2 釬焊涂敷錫基巴氏合金層

文獻[9]對錫基巴氏合金(SnSb11Cu6)/鋼基體過渡層組織進行研究，結果表明錫基巴氏合金/鋼過渡層的顯微硬度隨釬焊溫度的升高而明顯提高，該研究未給出結合強度的試驗數據。研究結果肯定了釬焊技術獲得的軸瓦性能優于鑄造。

1.2.3 激光熔覆技術

文獻[10]采用激光重熔技術提高軸瓦性能，在軸瓦的錫基巴氏合金離心澆鑄層表面采用激光進行掃描重熔，然后對重熔前后試樣進行對比，結果表明激光重熔可消除離心澆鑄錫基巴氏合金的化合物粗大、偏析和氣孔等缺陷；重熔層的組織質量和性能大幅提高，但該研究未給出結合強度的變化對比。文獻[11]研究了激光在鋼背上熔覆錫基巴氏合金粉末(SnSb11Cu6)獲得錫基巴氏合金層，其方式是在低碳鋼表面利用高能激光束熔化金屬表面形成熔池，并將合金粉末同步輸送入熔池最終形成熔覆層，研究表明其熔覆層形貌良好，實現了冶金結合，中間界面層厚度約6 μm，厚度分別為2，3 mm的錫基巴氏合金層結合強度可達到45.185，59.020 MPa。

1.2.4 熱噴涂技術

文獻[12]采用氧-乙炔火焰噴涂制造錫基巴氏合金軸瓦，試驗采用錫基巴氏合金(SnSb8Cu4)線材，除常規表面清理外，還需預先在鋼背上火焰噴涂100 μm厚的Ni-Al復合絲作為過渡層，結果表明軸瓦的使用壽命較為理想，但試驗未給出噴涂層的孔隙率、結合強度等參數。文獻[13]研究了電弧噴涂錫基巴氏合金(SnSb8Cu4)層在潤滑條件下的磨損性能，對比了電弧噴涂、鑄造以及電弧堆焊方法制備的錫基巴氏合金層與鋼背的磨損表現，給出了在潤滑條件下電弧噴涂錫基巴氏合金涂層具有比鑄造錫基巴氏合金層更好的減摩性能的結果，該研究認為電弧噴涂獲得的錫基巴氏合金增材層組織結構優于鑄造和堆焊層；電弧噴涂層的固有孔隙特性可起到儲油、潤滑作用，但未進一步研究噴涂層的孔隙率和結合強度。

文獻[14]研究電弧噴涂技術制造錫基巴氏合金(SnSb11Cu6)軸瓦增材層，表明雖然增材層抗磨性較好，但結合強度測試數據最高不超過17.5 MPa，其正面孔隙率為1.74%。文獻[15]研究結果表明，電弧噴涂的錫基巴氏合金層經170～300 ℃融合4 h后，結合強度可提高到50 MPa左右。

根據某滑動軸承制造企業引進電弧噴涂技術的數據，數次噴涂才能達到所需的增材層厚度，材料利用率只有30%左右，噴涂期間基體溫度需保持在200 ℃左右。

1.2.5 電弧熔覆技術

電弧廣泛應用于金屬焊接[16]，作為增材制造的熱源應用于錫基巴氏合金軸瓦制造領域是近10年來才發展起來的一項新技術。文獻[17]以SnSb11Cu6為研究對象，研究了熔化極惰性氣體保護(Metal Inertia Gas，MIG)堆焊工藝對錫基巴氏合金軸瓦組織及性能的影響，結果表明：增材層組織方面，離心鑄造的軸瓦錫基巴氏合金層組織粗大，SnSb 硬質相尺寸達到95 μm左右，同時存在嚴重的組織偏析現象，而MIG 堆焊工藝的組織細小、均勻，SnSb 硬質相尺寸不超過17 μm，同時未觀察到明顯組織偏析；結合強度方面，鐵元素向錫基巴氏合金層內擴散距離約為5 μm，離心鑄造僅約0.5 μm，離心鑄造軸瓦斷口主要特征為粗大的SnSb相顆粒發生的穿晶解理斷裂，MIG堆焊工藝斷口的主要特征為撕裂棱、樹枝狀Sn5Cu6及二次裂紋，測試數據表明MIG堆焊工藝結合力比離心鑄造提高1倍，達到80 MPa左右，該研究未述及所測試樣的錫基巴氏合金層厚度。文獻[18]以SnSb11Cu6，SnSb8Cu8和SnSb8Cu4為研究對象，進一步研究MIG堆焊工藝的錫基巴氏合金軸瓦結合強度，得出SnSb11Cu6，SnSb8Cu8和SnSb8Cu4的結合強度分別為66.42，75.72，83.07 MPa，并給出Sb含量是影響結合強度的主要原因，該研究未給出所測試樣的錫基巴氏合金層厚度。

MIG焊和TIG焊技術在增材制造領域的優勢為國內軸瓦制造領域技術更新換代奠定了基礎。2010年以來，國內數家高等院校聯合軸瓦和錫基巴氏合金線材生產企業開始研究MIG焊和TIG焊作為增材制造技術在軸瓦領域的應用:哈爾濱工業大學與太原重工油膜軸承分公司聯合建立了MIG焊工藝數據庫，在國內首先完全替代了離心鑄造工藝；東南大學與申科滑動軸承股份有限公司合作，引進多條基于MIG焊的增材制造生產線，逐步在大中型尺寸軸瓦和全部平面軸瓦加工中替代鑄造技術；哈爾濱電機廠機電工業有限公司也引進了MIG焊技術逐步替代離心鑄造技術；首先進入中國的摩根油膜軸承(上海)有限公司也開始引進MIG焊或TIG焊技術替代釬焊工藝。

MIG堆焊過程中錫基巴氏合金線材作為自耗電極不斷熔化，且其線徑不超過1.60 mm，熔化形成的熔滴易在大電流的作用下產生爆斷飛濺，輸入的電流波動大，質量欠佳的錫基巴氏合金線材則容易造成過多的飛濺物，影響增材層的質量和堆焊效率。新型數字化MIG焊工藝將電弧參數反饋和高速伺服送絲系統形成控制閉環，將焊絲的運動與熔滴過渡過程相結合，解決了普通MIG堆焊過程短路、噴射、脈沖過度形成大電流造成熔滴汽化爆斷難題，其原理是將焊絲的運動直接與焊接過程結合，熔滴過渡時電流為零，沒有頸縮爆斷[19-20]；焊絲回抽運動幫助熔滴脫落與過渡，因此輸入的能量更少，電流波動更平穩，堆焊層更平整(新型數字化MIG焊工藝的增材層厚度可比MIG堆焊減小0.5 mm)，堆焊效率更高。

此外，數字化電弧加熱與多自由度高精密機器人系統(圖1)可實現多維、多位置和連續掃描方式沉積，從而實現3D打印，解決了滑動軸承小批量和多品種的復雜工藝問題，通過離線編程方式可真正實現無人化增材制造。

圖1 錫基巴氏合金增材制造設備Fig.1 Additive manufacturing equipment for tin-based babbitt alloys

2 錫基巴氏合金成分的研究及其線材加工的現狀

2.1 錫基巴氏合金成分的研究

錫基巴氏合金以Sn，Sb，Cu為基體，作為軸瓦的減摩層材料，自工業化應用以來有上百年的歷史，GB/T 8740—2013《鑄造軸承合金錠》、GB/T 1174—1992《鑄造軸承合金》和 ASTM B23：2014“Standard Specification for White Metal Bearing Alloys”給出的通用成分要求均以Sn，Sb，Cu為主成分。隨著工業化的發展，軸瓦材料需適用于高速、重載和高溫工況，近幾十年對錫基巴氏合金成分的優化一直持續進行。

文獻[21]在錫基巴氏合金(SnSb11Cu6)中添加微量的Ag，結果表明Ag可提升軸瓦高溫抗蠕變性能。文獻[22]在SnSb12Cu6中添加0.6%Zn和0.1%Ag，然后將制成的軸瓦在100 ℃下進行耐沖擊試驗，結果表明其耐沖擊性能為含Cd合金的2倍以上，原因為Cd雖可提高強度，但同時使合金脆化，降低了耐沖擊載荷；而添加適量的Zn和Ag可提升高溫強度，達到替代Cd的目的。Cd在軟釬料領域曾廣泛使用，用于降低熔點，提高潤濕性，改善焊點質量，隨著無鉛化進程，其因強烈毒性被嚴格限制使用。

為提升錫基巴氏合金的高溫強度，文獻[23]添加了微量的Ni，Mn，As，Si，Cd，Fe，Al，V和稀土，但未給出詳細添加作用說明。文獻[24]研究在錫基巴氏合金中添加改良元素，結果表明：添加Ga和P可起到抗氧化作用；添加In可降低熔點和表面張力，提高潤濕性和結合強度；添加Ni可改善鋪展性能并細化晶粒，提高結合強度和耐磨性。文獻[1]介紹了不同元素對錫基巴氏合金的作用：Ni可減少成分偏析，但會降低合金流動性； Cd可細化晶粒，提高合金硬度、強度、耐疲勞性和耐磨性；As可細化合金晶粒，減少合金的偏析，提高合金硬度、強度和耐磨性；適量的P可增加合金鑄造時流動性；混合稀土可提高塑性和韌性；Bi，Pb和Fe為有害元素，應控制其含量。

在錫基巴氏合金中添加短碳纖維[25]或碳納米管[26]作為錫基巴氏合金增強材料可明顯提高耐磨性，但這2種材料的添加頗為復雜，需要鍍銅后通過粉末冶金方法加入。

2.2 錫基巴氏合金線材的制造水平現狀

目前國內軸瓦所用的錫基巴氏合金以鑄錠方式提供，而增材制造用的錫基巴氏合金為線材，一般沿用軟釬料制造技術[14]制取，即合金配制→擠壓鑄錠制取→切除擠壓鑄錠澆鑄帽口和表皮→擠壓成線坯→拉拔減徑。SnSb8Cu4的Sb，Cu含量不高，擠壓線坯容易拉拔減徑，而SnSb8Cu8及其他Sb含量10%以上的錫基巴氏合金用常規技術難以拉拔減徑。常規的擠壓技術難以避免擠壓鑄錠表面涂抹的潤滑脂和空氣進入擠壓線坯內部，拉拔過程中出現油煙、炸火和飛濺物多等現象。拉絲模無法拉拔線徑較細的線材，或拉拔的線材斷后伸長率幾乎為零，易折斷，無法連續正常進行增材堆焊作業。

隨著增材制造技術的推廣，對錫基巴氏合金線材需求量的不斷增加和要求的不斷提高，2010年以來，紹興市天龍錫材有限公司為配套摩根油膜軸承(上海)有限公司供應商本地化的要求，率先研發了高質量的錫基巴氏合金線材制作工藝。文獻[27]研究了定量澆鑄設備，用于制取擠壓用錫基巴氏合金鑄錠，內在缺陷較少。文獻[28]研究具有排氣、排油和擠壓鑄錠表皮自動排出功能的擠壓模具，消除了鑄錠擠壓過程夾雜油脂、空氣等缺陷，滿足了低飛濺和低油煙的要求。為解決Sb含量較高的錫基巴氏合金線徑拉拔難題，文獻[29-30]通過輥模可將線坯拉拔到φ1.60 mm左右，拉拔過程不再使用潤滑油脂，進一步減少了線材使用過程中油煙的產生。目前，國內生產的錫基巴氏合金線材已能滿足國內市場需求，使用效果基本與國外同類產品相似。

3 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4 000 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，不具備規模化技術推廣的基礎。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。

4 結束語

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。