电弧增材制造技术在滑动轴承领域的应用（3）

3.1 电弧增材制造在锡基巴氏合金轴瓦上的应用

据业内统计，2017年锡基巴氏合金铸锭的消耗量在4000 t左右，直到2019年用于轴瓦的锡基巴氏合金仍不超过200 t，因此增材制造在轴瓦领域有巨大的潜力和社会效益。目前国内轴瓦领域除数家龙头企业积极引进增材制造技术替代铸造工艺并取得了实效外，绝大部分中小企业由于一次性投入较大及对技术的可靠性存在顾虑，尚在观察和犹豫中。随着下游企业高可靠性要求的不断提高，大中型和平面轴瓦将逐步向拥有增材制造技术的企业集中。

离心铸造虽然存在许多不足，但作为成熟技术且具有铸造速度快的特点，仍将在结合强度要求不高的小尺寸、大批量轴瓦制造中发挥作用。钎焊作为轴瓦修复技术仍将在业界流行，但与MIG焊技术相比，自动钎焊技术制造轴瓦需要使用助焊剂，增材过程需要保持基体较高的温度，且结合强度优势不明显，不可能成为主流技术，国内首家采用钎焊技术的摩根油膜轴承(上海)有限公司已改用TIG焊技术替代钎焊技术。

喷涂工艺较MIG焊、TIG焊技术复杂，且结合强度优势不明显，不具备规模化技术推广的基础。激光熔覆增材技术效率低，成本高，不具备实用基础。

以锡基巴氏合金为减摩材料的轴瓦制造领域，增材制造将替代铸造技术的趋势难以改变。TIG焊技术虽可获得较佳增材层(瓦背上堆焊一层锡基巴氏合金层)，但堆焊增材速度低及略显逊色的结合强度制约了其发展和推广；MIG焊技术虽具有诸多优势，但受到增材过程飞溅物的困扰。新型数字化MIG焊技术具备的高速伺服送丝技术的出现，解决了熔滴汽化爆断引起的飞溅难题，进一步提高了堆焊增材速度。

文献[31]指出我国已在激光-电弧复合技术方面获得突破，用于不锈钢等焊接接头时其性能与TIG焊相当，焊接效率提高了5倍，已广泛用于国家重大装备。若该技术能在轴瓦制造领域应用，将为我国制造出高质量和高可靠性的滑动轴承发挥重要作用。

综上所述，随着各种装备的发展，特别是应重大装备国产化的要求，轴瓦必然将向高效率，高精度，高技术含量，高可靠性，长寿命和EHS友好型发展，电弧增材技术符合该发展趋势，将在行业内得到广泛应用。

3.2 锡基巴氏合金成分

锡基巴氏合金成分的研究基于高可靠性的基础进行，主要围绕着提高结合强度，细化晶粒，减少偏析，提升高温抗蠕变性能、耐磨性和抗氧化性等展开。Cd类软钎焊料能提高润湿性，改善焊接性能，降低合金熔点，改善合金流动性，但其剧烈的毒性在软钎焊领域被严格限制使用；As起到细化组织作用，但其毒性也被业界所关注；Zn可提升高温抗蠕变性能，但Zn是一种极易氧化金属，形成的合金润湿性差,铸造过程影响结合强度，因此难以在铸造法生产中得到广泛应用；短碳纤维和碳纳米管作为锡基巴氏合金的增强材料，尚无实际应用前途。

电弧增材过程受到氩气保护，因此锡基巴氏合金中不需要添加抗氧化元素，同时熔覆层厚度薄，冷速快，组织得到细化，不需要添加细化组织的元素，由于增材过程的高温熔池和氩气保护，不需要添加提高润湿性和降低合金熔点的元素；因此锡基巴氏合金成分优化的趋势主要是以Sn，Sb，Cu为基体，添加可提高耐磨性的元素(如Ni)和提升高温抗蠕变性能的元素(如Ag，Zn)。

Ni，Ag，Zn等元素的添加将在锡基巴氏合金得到工业化的实际应用，As和Cd仅在特殊行业使用，添加的其他改良元素应考虑产业化难度、环保、成本和线材加工等因素。

3.3 配套的检测技术

轴瓦铸造技术经过近百年的发展，形成了比较完善的检测和评价标准体系。利用电弧等增材技术制备轴瓦，是国内近10年才发展起来的技术。虽然多项持续研究表明该技术明显优于常规铸造技术，但推广过程仍有困难，因此需要国家层面的技术支持，完善相关的检测技术和形成新标准体系，有助于加快推广增材技术的应用。

3.3.1 形成增材技术导则

增材制造在轴瓦领域是新技术，国内外还没有相应的技术规范，因此需要国内龙头企业牵头完成增材技术导则或规范制定，形成国家或行业标准，引导和协调上下游企业共同推动技术进步。

3.3.2 锡基巴氏合金线材标准

目前国内外仅有铸造用锡基巴氏合金锭的标准，GB/T 1174—1992的杂质含量控制较GB/T 8740—2013的宽，GB/T 12608—2003《热喷涂  火焰和电弧喷涂用线材、棒材和芯材分类和供货技术条件》给出喷涂用SnSb8Cu4的线材成分和线径要求，杂质含量和线径控制要求不严格。目前国内锡基巴氏合金生产企业按照各自企业标准组织生产，产品质量差异较大。由绍兴市天龙锡材有限公司牵头，组织国内数家轴瓦龙头企业、检测机构、设备供应商向国家有色金属标委会申请立项编制的《滑动轴承堆焊用锡基巴氏合金线材》行业标准已通过会议评审。

3.3.3 更接实际近工况的疲劳试验方法

GB/T 18325.2—2009《 滑动轴承  轴承疲劳第2部分：金属轴承材料圆柱形试样试验》通过折弯方法来检验滑动轴承的结合疲劳强度，与实际工况的差异较大。文献[32]采用英国DANA Glacier Vandervell轴承公司的DE972SAPPHIRE(蓝宝石)轴瓦疲劳试验机对轴瓦进行更接近实际工况的疲劳试验，虽然获得的数据较理想，但试验材料均非锡基巴氏合金，缺乏参考价值。因此，需要国内企业研究接近实际工况的锡基巴氏合金轴瓦疲劳试验方法，以形成各方共识的国家或行业标准。

3.3.4 高温蠕变试验方法

锡基巴氏合金中添加Ni，Ag和Zn，通过增材制造技术获得的减摩层结合强度佳和高温抗蠕变性能优，但目前国内外有关高温抗蠕变试验方法的标准均是针对黑色金属的，锡基巴氏合金高温抗蠕变试验方法还是空白。绍兴市质量技术监督检测院牵头国内数家轴瓦龙头企业、锡基巴氏合金线材生产企业和检测机构已完成前期准备工作，拟向国家相关标委会提出立项申请。

3.4 存在的问题

轴瓦铸造技术较为成熟，但电弧增材等增材制造技术在轴瓦领域应用时间较短，尚存在一些问题，有待进一步研究和试验。

3.4.1 过细的SnSb相是否会加速轴径的磨损

普遍认为轴瓦减摩层SnSb相的尺寸越小，其耐磨性越佳。增材制造技术制得的轴瓦减摩层充分细化的SnSb相固然能提高轴瓦的耐磨性，但是否会引起轴径的过度磨损尚未得到共识，有待试验或实际应用数据的验证。

3.4.2 多次电弧堆焊增材是否会影响结合强度

要使电弧堆焊增材的锡基巴氏合金层堆焊厚度达到5 mm，需要至少2~3次堆焊作业，某企业发现多次堆焊增材后结合强度大幅度降低至与铸造技术相当的水平，但东南大学开展的试验表明多次堆焊作业并不会影响结合强度，业界分析认为可能是堆焊时输入的能量、速度和冷却强度参.数的匹配影响所致。因此，多次堆焊作业影响结合强度的机理及如何避免该现象出现有待进一步研究。

滑动轴承的特点是多材料(双金属)相互配合以达到支承和保护转动轴的作用。减摩层(巴氏合金)的加工工艺选择多样，但发展趋势是短流程和柔性化。增材制造是厚壁滑动轴承的一种新工艺，在提高层间结合性能的同时简化了工艺流程，且适用于多种结构形式。同时，电弧增材制造设备可以兼容多种材料，为滑动轴承设计时的材料选择提供了更大的余地。为此，我国滑动轴承行业与研究机构正通过材料、工艺、装备一体化开发找到能提高滑动轴承性能，降低成本和工人劳动强度，改善生产环境的有效方法。