电弧增材制造技术在滑动轴承领域的应用

陈剑锋，黄炜，李锋,缪顿，周健

(1.申科滑动轴承股份有限公司，浙江 绍兴 311800；2.绍兴信息研究院，浙江 绍兴 312000；3.绍兴市天龙锡材有限公司，浙江 绍兴 312001；4.东南大学 材料科学与工程学院，南京 211189)

以锡基巴氏合金为减摩层的滑动轴承适用于低速、重载工况，具有精度高,抗振性好，工作平稳可靠，噪声小和寿命长等优势。传统技术手段是在碳钢的钢背上采用离心浇铸[1-3]或重力浇铸[4]制取钢背-巴氏合金双金属轴瓦。铸造工艺虽然技术成熟，但存在以下不足：结合强度偏低且不稳定，铸造层较厚(一般为13 mm以上)，组织粗大和偏析，裂纹缩孔等；工艺流程长，需经巴氏合金熔化、钢背挂锡、熔体注入铸造腔体、离心浇铸成型、冷却水喷淋、机床粗加工和精加工等，能耗和材料消耗大；环境安全职业健康(Environment Safety Health，ESH)不够理想，浇铸过程受人为因素影响较多，导致质量一致性不高;在使用寿命、可靠性方面与国外存在明显差距[5]。采用增材制造技术符合轴瓦发展的必然趋势，可解决铸造存在的诸多不足，尤其是能够缩短工艺流程，增材层厚度只有铸造层的25%～30%，节约70%～75%的巴氏合金材料，人为因素减少，ESH更友好，可以推动行业技术的升级换代。

近年来滑动轴承的制造发展较快，钎焊、喷涂、堆焊、增材等工艺不断迭代，大大推动了我国滑动轴承材料乃至零件制造水平的发展。增材制造是以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。喷涂和堆焊都可进行增材制造，但需围绕增加材料的厚度、形状、性能、效率和精度进行合理选择。若增加涂层厚度只有微米级，一般看作表面处理，喷涂更多应用于表面处理，若厚度达到毫米级甚至更大，增加的材料更多，就更符合增材制造。另外，增材制造使形状复杂零件的加工流程缩短，比如多个合金面用一台设备、一道工序连续完成。激光作为加热源在表面处理方面应用较多，也可用于增材制造。

本文将阐述目前国内电弧增材制造技术应用于轴瓦领域的现状，有关配套锡基巴氏合金的成分研究及其线材制造技术水平，探讨增材制造在轴瓦领域的应用，锡基巴氏合金线材和相关配套技术的发展趋势及存在的问题。

1 国内外轴瓦增材制造技术的发展

1.1 国外

21世纪初，美国摩根精密轴承公司在上海投资成立摩根油膜轴承(上海)有限公司，并在国内率先采用氧-乙炔自动钎焊设备，在轴瓦钢背上增加一层锡基巴氏合金。主要设备、钎焊线材和辅助材料均从美国进口，主要为轧钢机械配套。虽然该技术比铸造技术先进，但钎焊前要有严格的清理工序且需在钢背上涂专用助焊剂，增加了生产成本，适合大中型滑动轴承，因此应用范围受到限制。

三菱和大同等公司早期也开发了喷涂工艺和电弧堆焊工艺，但应用场合有限。由于国外公司技术保密，至今仍不清楚国外目前技术的应用情况，但从巴氏合金原料判断，其应用技术主要是喷涂和钨极惰性气体保护(Tungsten Inertia Gas，TIG)电弧堆焊技术。德国RENK公司在应用巴氏合金丝材进行轴瓦修复的技术上也在开发新的增材制造技术。

1.2 国内

1.2.1 早期的修补应用

锡基巴氏合金熔点低，易于钎焊，氧-乙炔钎焊最先用于大中型滑动轴承的修复[6-7]，如离心铸造轴瓦加工后的缺陷或锡基巴氏合金层局部磨损、脱落，钎焊采用手工操作，仅限于修补滑动轴承，无法替代铸造技术并实现规模化生产。文献[8]给出了巴氏合金钎焊层的质量评价规范，详述了焊接的一般要求、焊接线材、辅助材料(纯锡或锡银合金为过渡层、助焊剂)、焊前准备、焊接过程(基体预热、过渡合金层焊接、巴氏合金工作层堆焊)、检查和验收，是对钎焊修复轴瓦过程进行规范和结果评判的依据。

1.2.2 钎焊涂敷锡基巴氏合金层

文献[9]对锡基巴氏合金(SnSb11Cu6)/钢基体过渡层组织进行研究，结果表明锡基巴氏合金/钢过渡层的显微硬度随钎焊温度的升高而明显提高，该研究未给出结合强度的试验数据。研究结果肯定了钎焊技术获得的轴瓦性能优于铸造。

1.2.3 激光熔覆技术

文献[10]采用激光重熔技术提高轴瓦性能，在轴瓦的锡基巴氏合金离心浇铸层表面采用激光进行扫描重熔，然后对重熔前后试样进行对比，结果表明激光重熔可消除离心浇铸锡基巴氏合金的化合物粗大、偏析和气孔等缺陷；重熔层的组织质量和性能大幅提高，但该研究未给出结合强度的变化对比。文献[11]研究了激光在钢背上熔覆锡基巴氏合金粉末(SnSb11Cu6)获得锡基巴氏合金层，其方式是在低碳钢表面利用高能激光束熔化金属表面形成熔池，并将合金粉末同步输送入熔池最终形成熔覆层，研究表明其熔覆层形貌良好，实现了冶金结合，中间界面层厚度约6 μm，厚度分别为2，3 mm的锡基巴氏合金层结合强度可达到45.185，59.020 MPa。

1.2.4 热喷涂技术

文献[12]采用氧-乙炔火焰喷涂制造锡基巴氏合金轴瓦，试验采用锡基巴氏合金(SnSb8Cu4)线材，除常规表面清理外，还需预先在钢背上火焰喷涂100 μm厚的Ni-Al复合丝作为过渡层，结果表明轴瓦的使用寿命较为理想，但试验未给出喷涂层的孔隙率、结合强度等参数。文献[13]研究了电弧喷涂锡基巴氏合金(SnSb8Cu4)层在润滑条件下的磨损性能，对比了电弧喷涂、铸造以及电弧堆焊方法制备的锡基巴氏合金层与钢背的磨损表现，给出了在润滑条件下电弧喷涂锡基巴氏合金涂层具有比铸造锡基巴氏合金层更好的减摩性能的结果，该研究认为电弧喷涂获得的锡基巴氏合金增材层组织结构优于铸造和堆焊层；电弧喷涂层的固有孔隙特性可起到储油、润滑作用，但未进一步研究喷涂层的孔隙率和结合强度。

文献[14]研究电弧喷涂技术制造锡基巴氏合金(SnSb11Cu6)轴瓦增材层，表明虽然增材层抗磨性较好，但结合强度测试数据最高不超过17.5 MPa，其正面孔隙率为1.74%。文献[15]研究结果表明，电弧喷涂的锡基巴氏合金层经170～300 ℃融合4 h后，结合强度可提高到50 MPa左右。

根据某滑动轴承制造企业引进电弧喷涂技术的数据，数次喷涂才能达到所需的增材层厚度，材料利用率只有30%左右，喷涂期间基体温度需保持在200 ℃左右。

1.2.5 电弧熔覆技术

电弧广泛应用于金属焊接[16]，作为增材制造的热源应用于锡基巴氏合金轴瓦制造领域是近10年来才发展起来的一项新技术。文献[17]以SnSb11Cu6为研究对象，研究了熔化极惰性气体保护(Metal Inertia Gas，MIG)堆焊工艺对锡基巴氏合金轴瓦组织及性能的影响，结果表明：增材层组织方面，离心铸造的轴瓦锡基巴氏合金层组织粗大，SnSb 硬质相尺寸达到95 μm左右，同时存在严重的组织偏析现象，而MIG 堆焊工艺的组织细小、均匀，SnSb 硬质相尺寸不超过17 μm，同时未观察到明显组织偏析；结合强度方面，铁元素向锡基巴氏合金层内扩散距离约为5 μm，离心铸造仅约0.5 μm，离心铸造轴瓦断口主要特征为粗大的SnSb相颗粒发生的穿晶解理断裂，MIG堆焊工艺断口的主要特征为撕裂棱、树枝状Sn5Cu6及二次裂纹，测试数据表明MIG堆焊工艺结合力比离心铸造提高1倍，达到80 MPa左右，该研究未述及所测试样的锡基巴氏合金层厚度。文献[18]以SnSb11Cu6，SnSb8Cu8和SnSb8Cu4为研究对象，进一步研究MIG堆焊工艺的锡基巴氏合金轴瓦结合强度，得出SnSb11Cu6，SnSb8Cu8和SnSb8Cu4的结合强度分别为66.42，75.72，83.07 MPa，并给出Sb含量是影响结合强度的主要原因，该研究未给出所测试样的锡基巴氏合金层厚度。

MIG焊和TIG焊技术在增材制造领域的优势为国内轴瓦制造领域技术更新换代奠定了基础。2010年以来，国内数家高等院校联合轴瓦和锡基巴氏合金线材生产企业开始研究MIG焊和TIG焊作为增材制造技术在轴瓦领域的应用:哈尔滨工业大学与太原重工油膜轴承分公司联合建立了MIG焊工艺数据库，在国内首先完全替代了离心铸造工艺；东南大学与申科滑动轴承股份有限公司合作，引进多条基于MIG焊的增材制造生产线，逐步在大中型尺寸轴瓦和全部平面轴瓦加工中替代铸造技术；哈尔滨电机厂机电工业有限公司也引进了MIG焊技术逐步替代离心铸造技术；首先进入中国的摩根油膜轴承(上海)有限公司也开始引进MIG焊或TIG焊技术替代钎焊工艺。

MIG堆焊过程中锡基巴氏合金线材作为自耗电极不断熔化，且其线径不超过1.60 mm，熔化形成的熔滴易在大电流的作用下产生爆断飞溅，输入的电流波动大，质量欠佳的锡基巴氏合金线材则容易造成过多的飞溅物，影响增材层的质量和堆焊效率。新型数字化MIG焊工艺将电弧参数反馈和高速伺服送丝系统形成控制闭环，将焊丝的运动与熔滴过渡过程相结合，解决了普通MIG堆焊过程短路、喷射、脉冲过度形成大电流造成熔滴汽化爆断难题，其原理是将焊丝的运动直接与焊接过程结合，熔滴过渡时电流为零，没有颈缩爆断[19-20]；焊丝回抽运动帮助熔滴脱落与过渡，因此输入的能量更少，电流波动更平稳，堆焊层更平整(新型数字化MIG焊工艺的增材层厚度可比MIG堆焊减小0.5 mm)，堆焊效率更高。

此外，数字化电弧加热与多自由度高精密机器人系统(图1)可实现多维、多位置和连续扫描方式沉积，从而实现3D打印，解决了滑动轴承小批量和多品种的复杂工艺问题，通过离线编程方式可真正实现无人化增材制造。

图1 锡基巴氏合金增材制造设备Fig.1 Additive manufacturing equipment for tin-based babbitt alloys

2 锡基巴氏合金成分的研究及其线材加工的现状

2.1 锡基巴氏合金成分的研究

锡基巴氏合金以Sn，Sb，Cu为基体，作为轴瓦的减摩层材料，自工业化应用以来有上百年的历史，GB/T 8740—2013《铸造轴承合金锭》、GB/T 1174—1992《铸造轴承合金》和 ASTM B23：2014“Standard Specification for White Metal Bearing Alloys”给出的通用成分要求均以Sn，Sb，Cu为主成分。随着工业化的发展，轴瓦材料需适用于高速、重载和高温工况，近几十年对锡基巴氏合金成分的优化一直持续进行。

文献[21]在锡基巴氏合金(SnSb11Cu6)中添加微量的Ag，结果表明Ag可提升轴瓦高温抗蠕变性能。文献[22]在SnSb12Cu6中添加0.6%Zn和0.1%Ag，然后将制成的轴瓦在100 ℃下进行耐冲击试验，结果表明其耐冲击性能为含Cd合金的2倍以上，原因为Cd虽可提高强度，但同时使合金脆化，降低了耐冲击载荷；而添加适量的Zn和Ag可提升高温强度，达到替代Cd的目的。Cd在软钎料领域曾广泛使用，用于降低熔点，提高润湿性，改善焊点质量，随着无铅化进程，其因强烈毒性被严格限制使用。

为提升锡基巴氏合金的高温强度，文献[23]添加了微量的Ni，Mn，As，Si，Cd，Fe，Al，V和稀土，但未给出详细添加作用说明。文献[24]研究在锡基巴氏合金中添加改良元素，结果表明：添加Ga和P可起到抗氧化作用；添加In可降低熔点和表面张力，提高润湿性和结合强度；添加Ni可改善铺展性能并细化晶粒，提高结合强度和耐磨性。文献[1]介绍了不同元素对锡基巴氏合金的作用：Ni可减少成分偏析，但会降低合金流动性； Cd可细化晶粒，提高合金硬度、强度、耐疲劳性和耐磨性；As可细化合金晶粒，减少合金的偏析，提高合金硬度、强度和耐磨性；适量的P可增加合金铸造时流动性；混合稀土可提高塑性和韧性；Bi，Pb和Fe为有害元素，应控制其含量。

在锡基巴氏合金中添加短碳纤维[25]或碳纳米管[26]作为锡基巴氏合金增强材料可明显提高耐磨性，但这2种材料的添加颇为复杂，需要镀铜后通过粉末冶金方法加入。

2.2 锡基巴氏合金线材的制造水平现状

目前国内轴瓦所用的锡基巴氏合金以铸锭方式提供，而增材制造用的锡基巴氏合金为线材，一般沿用软钎料制造技术[14]制取，即合金配制→挤压铸锭制取→切除挤压铸锭浇铸帽口和表皮→挤压成线坯→拉拔减径。SnSb8Cu4的Sb，Cu含量不高，挤压线坯容易拉拔减径，而SnSb8Cu8及其他Sb含量10%以上的锡基巴氏合金用常规技术难以拉拔减径。常规的挤压技术难以避免挤压铸锭表面涂抹的润滑脂和空气进入挤压线坯内部，拉拔过程中出现油烟、炸火和飞溅物多等现象。拉丝模无法拉拔线径较细的线材，或拉拔的线材断后伸长率几乎为零，易折断，无法连续正常进行增材堆焊作业。

随着增材制造技术的推广，对锡基巴氏合金线材需求量的不断增加和要求的不断提高，2010年以来，绍兴市天龙锡材有限公司为配套摩根油膜轴承(上海)有限公司供应商本地化的要求，率先研发了高质量的锡基巴氏合金线材制作工艺。文献[27]研究了定量浇铸设备，用于制取挤压用锡基巴氏合金铸锭，内在缺陷较少。文献[28]研究具有排气、排油和挤压铸锭表皮自动排出功能的挤压模具，消除了铸锭挤压过程夹杂油脂、空气等缺陷，满足了低飞溅和低油烟的要求。为解决Sb含量较高的锡基巴氏合金线径拉拔难题，文献[29-30]通过辊模可将线坯拉拔到φ1.60 mm左右，拉拔过程不再使用润滑油脂，进一步减少了线材使用过程中油烟的产生。目前，国内生产的锡基巴氏合金线材已能满足国内市场需求，使用效果基本与国外同类产品相似。

3 发展趋势

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4 000 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。

4 结束语

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。