裝載機(jī)重載低速粉末冶金含油軸套應(yīng)用研究

蘇雅萍，段傳棟，馬 蓉，萬久遠(yuǎn)

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

裝載機(jī)的工作裝置是裝載機(jī)發(fā)揮作用的關(guān)鍵部件，而工作裝置鉸接處的銷軸和軸套又是工作裝置的關(guān)鍵部件。工作中，軸套內(nèi)壁與銷軸配合組成一對摩擦副，要求其具有良好的減摩耐磨與抗咬合性能，同時軸套本體負(fù)載后加上工作裝置自身的重量，因此軸套承載較大，且作業(yè)時機(jī)子的停走、工作裝置頻繁升降使用、緩慢轉(zhuǎn)動等，都將對軸套產(chǎn)生一定的沖擊和摩擦，因此要求軸套需要具有高強(qiáng)度和高耐磨性、心部強(qiáng)韌性等性能要求。目前此類零件通常采用滲碳淬火鋼套或者銅套，為了改善自潤滑性能，在軸套壁設(shè)計(jì)多孔，孔中鑲嵌填充圓形固體潤滑劑石墨，雖能滿足工作要求，但由于工藝要求高，操作復(fù)雜，加工效率低，而且質(zhì)量難以控制，導(dǎo)致生產(chǎn)制造成本較高。

粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金技術(shù)具備顯著節(jié)能、省材、性能優(yōu)異、產(chǎn)品精度高且穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，非常適合大批量生產(chǎn)[1]。鐵基粉末冶金含油軸承以鐵、銅、鎳等多種金屬粉末為原料，經(jīng)壓制、燒結(jié)、淬火回火、真空浸油等工序加工而成，基體具有細(xì)微、均勻分布的孔隙，經(jīng)不含硅的潤滑油真空浸漬后形成含油狀態(tài)多孔性結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度及自潤滑特性，具有優(yōu)異的耐磨性能，使用中可以明顯改善摩擦副匹配，提高減摩耐磨性能與銷軸、軸套的使用壽命，且生產(chǎn)效率高，加工工時少、花費(fèi)成本低，是比較適合工作裝置摩擦副的異響、早期磨損等問題的解決辦法之一。

通過從材料成分、物理性能、組織、機(jī)械性能、臺架模擬耐磨性試驗(yàn)等方面開展對鐵基粉末冶金含油軸承應(yīng)用研究，以取代目前常用的鋼套、銅套、鋼/銅鑲嵌石墨軸套，從而提升質(zhì)量和可靠性并降低生產(chǎn)成本。

1 材料成分配比及生產(chǎn)工藝

粉末冶金含油軸套所用的原材料為還原鐵粉（Fe）、霧化銅粉（Cu）、鉬粉（Mo）、鎳粉（Ni）、石墨粉（C）。按表1 所示配料，并加0.5%石蠟微分和0.5%航空煤油[2]。材料組成中Fe-Cu-Ni-Mn-C 骨架材料為軸套提供了足夠的強(qiáng)度和硬度，高的含銅量為材料提供了抗卡性和減摩性能；固體潤滑劑的摻入以改善材料的減摩性能[3]。

表1 軸套材料成分配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

粉末冶金含油軸套供方的生產(chǎn)工藝流程為：配料—混粉—壓制成型—燒結(jié)—熱處理—真空浸油—機(jī)加工—成品。按表1 配方各粉末在三維混料機(jī)中混合均勻后置于模具內(nèi)，以一定壓力在自動壓機(jī)上雙向壓制成型，獲得一定的壓坯密度和孔隙率的粉末軸套毛坯，以保證其在燒結(jié)以后具有較高的含油率。接著粉末冶金軸套毛坯在可控氣氛網(wǎng)帶式燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)處理，使各種粉末顆粒發(fā)生相互流動、擴(kuò)散、熔解、再結(jié)晶等，使原材料的合金元素預(yù)合金化和各組元充分溶解、協(xié)同作用，保證材料的組織和性能，確保材料具有高的強(qiáng)度和硬度。同時為了進(jìn)一步增高強(qiáng)度、硬度和耐磨性使其適應(yīng)重載低速工況要求，粉末冶金軸套接著在網(wǎng)帶爐進(jìn)行整體淬火回火熱處理。最后軸套真空浸漬潤滑油，形成了高強(qiáng)高硬馬氏體組織且具有自潤滑性能的粉末冶金含油軸套。

2 含油密度和含油率分析

按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5163-2006 采用質(zhì)量/體積的方法和密度天平測量成品軸套的完全浸潤密度（濕密度）和含油率。經(jīng)分析實(shí)測零件含油密度為6.58、6.59、6.61 g/cm3，平均含油密度6.59 g/cm3，含油量為19.50%、18.80%、19.30%，平均含油量19.2%。粉末冶金材料合適的孔隙度使軸套具有較高的密度和含油量，可保證燒結(jié)材料的強(qiáng)度，以提高軸套的自潤滑性能。

3 機(jī)械性能分析

打磨成品粉末軸套表面后使用臺式洛氏硬度計(jì)按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T230.1 進(jìn)行表面硬度測試，實(shí)測硬度值為98、102、93HRB，平均硬度97.7HRB。

按GB/T6804、GB/T6525、GB/T7964 用液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試粉末軸套的徑向壓潰強(qiáng)度、壓縮屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，檢測結(jié)果基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)值，結(jié)果見表2。

表2 粉末冶金含油軸套機(jī)械性能檢測結(jié)果

4 金相分析

成品粉末軸套取樣拋磨后經(jīng)3% ～5%硝酸酒精溶液浸蝕，用徠卡金相顯微鏡觀察試樣的金相組織形貌。組織為回火馬氏體組織+游離態(tài)銅+少量殘余奧氏體，圖中大量黑色的是彌散均勻分布的孔隙，見圖1～圖3。軸套熱處理后獲得高強(qiáng)度、硬度馬氏體組織從而獲得卓越的耐磨性能，高的游離銅使粉末軸套獲得卓越的自潤滑性和抗咬合性；組織的空隙通過浸油獲得卓越的自潤滑性。

圖1 拋光態(tài)金相組織 X100 倍

圖2 金相組織 X100 倍

圖3 金相組織 X500 倍

5 耐磨性臺架試驗(yàn)

在銷軸軸套可靠性試驗(yàn)裝置模擬軸套在機(jī)器上的工作狀態(tài)測試重載低速粉末冶金含油軸套的耐磨性能。試驗(yàn)用的軸套壓入軸承內(nèi)圈，試驗(yàn)用的銷軸穿進(jìn)軸套形成摩擦副，銷軸兩端放在安裝座上，銷軸耳板被固定在安裝座上。壓力調(diào)節(jié)裝置施加等效實(shí)際工況的載荷在軸承外圈并傳遞到試驗(yàn)軸套上，兩側(cè)伸縮油缸通過轉(zhuǎn)動臂帶動軸承內(nèi)圈以及試驗(yàn)軸套做往復(fù)旋轉(zhuǎn)。測試臺架試驗(yàn)循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)后停止。軸套的規(guī)格為φ90 mm ×φ104 mm × 110 mm，對偶銷軸為40Cr 材料，調(diào)質(zhì)+表面淬火，表面硬度56～62HRC，有效硬化層深不低于4 mm，尺寸φ90 mm × 305 mm。徑向加載495 kN（50 MPa），擺動角±27.5°，初始加注潤滑脂后運(yùn)行期間不再打脂，連續(xù)擺動12 萬次（每分鐘擺動15 次）后停止拆檢，采用檢測試驗(yàn)前后銷軸外徑及試驗(yàn)軸套內(nèi)徑的變化來表征磨損量，銷軸和軸套磨損量總和來計(jì)算摩擦副的配副性，此以判定系統(tǒng)摩擦副的耐磨性能。

臺架試驗(yàn)50 MPa 循環(huán)12 萬次（等效裝載機(jī)V 鏟整機(jī)工作500 h）后將銷軸、軸套拆檢并測量尺寸變化量作為磨損量，其檢測結(jié)果見表3 和圖4 和圖5 所示。

圖4 拆檢的40Cr 銷軸和粉末冶金含油軸套表面形貌

圖5 拆檢的40Cr 銷軸和鋼套表面形貌

表3 臺架試驗(yàn)檢測結(jié)果

粉末冶金含油軸套組臺架運(yùn)行整個過程中摩擦副無異響，其摩擦系數(shù)波動小基本維持0.09～0.11 左右，最高溫度60 ℃左右。而同樣條件下測試的普通鋼套組，在臺架運(yùn)行過程中經(jīng)歷了磨合期、平穩(wěn)期、間隙性異響期、持續(xù)異響期等多個階段，在循環(huán)63724 次摩擦副開始出現(xiàn)持續(xù)異響進(jìn)入持續(xù)異響期，應(yīng)是銷軸、軸套已嚴(yán)重磨損但當(dāng)時沒有停止試驗(yàn)拆檢，檢測的摩擦系數(shù)變動數(shù)據(jù)0.08→0.1→0.15→0.27，摩擦系數(shù)波動大，隨著運(yùn)行次數(shù)的增加，整體呈上升的趨勢，最高溫度甚至達(dá)73 ℃。經(jīng)對比分析，粉末冶金含油軸套組的相對耐磨性是鋼套組的2.4 倍，摩擦系數(shù)降低63%，最高溫度降低22%，且試驗(yàn)過程中無異響，這些均使粉末冶金含油軸套的耐磨性能得到大幅提升，摩擦副的磨損減小，系統(tǒng)耐磨性明顯提高，進(jìn)而提高摩擦副的耐久性和可靠性。

6 客戶裝機(jī)實(shí)地工況驗(yàn)證

臺架模擬試驗(yàn)的結(jié)果須在實(shí)際客戶裝機(jī)工況中加以驗(yàn)證。某裝載機(jī)工作裝置13 鉸接點(diǎn)試裝粉末冶金含油軸套到客戶采石場工況進(jìn)行驗(yàn)證，機(jī)子主要鏟裝碎石和石粉等，機(jī)器每天三班倒基本不停機(jī)，每隔3 ～5 天氣動打潤滑脂，其它按正常維護(hù)保養(yǎng)。整機(jī)使用2500 h 后拆檢鏟斗下銷，銷軸表面形成均勻的油膜，軸套內(nèi)部進(jìn)入少許灰塵形成油泥。擦拭干凈，整體觀察銷軸表面光滑，僅局部有非常細(xì)微劃痕，粉末軸套表面比較光滑，局部看見很淺的凹坑和1-2 條小劃痕，可能是小石子進(jìn)入導(dǎo)致。銷軸平均磨損量0.08 mm，局部最大磨損量0.09 mm。軸套平均磨損量0.20 mm，局部最大磨損量0.27 mm。銷軸各部位磨損量較均勻，軸套最大磨損部位是靠近邊緣位置?，F(xiàn)批量裝機(jī)粉末冶金含油軸套使用最長已超8500 h+，經(jīng)跟蹤使用良好從未出現(xiàn)摩擦副異響情況反饋。實(shí)際工況使用1510 h 普通鋼套鉸接摩擦副，銷軸和鋼套表面嚴(yán)重磨損，軸表面有大量磨痕局部出現(xiàn)偏磨，表面有深淺不一的凹坑和剝落，局部最大凹坑磨損深度約估達(dá)4 mm，鋼套表面同樣有最大深度約1 mm 的凹坑和剝落。經(jīng)對比，粉末冶金軸套能明顯改善銷軸和軸套的摩擦磨損和異響，對解決銷軸、軸套咬銷問題有較大優(yōu)勢，可進(jìn)一步提高鉸接摩擦副的壽命。負(fù)荷較大和轉(zhuǎn)速較低的運(yùn)行工況，可選用鐵基燒結(jié)粉末冶金含油軸承。鐵資源豐富易得，成本低，并通過合金化或添加劑可改善基體的強(qiáng)度和減摩性能，且比銅基軸承具有更高的耐磨性和承載能力[3]。粉末冶金含油軸套非常適合采石場的重載低速工況，實(shí)地工況驗(yàn)證取得了良好的效果和經(jīng)濟(jì)效益，客戶非常滿意。

圖6 客戶石場工況2500h 拆檢鏟斗銷軸和粉末油套表面形貌

圖7 40Cr 銷軸和鋼套使用1500h 后拆檢形貌

7 分析

粉末冶金含油軸套是一種微米級孔隙中含浸有潤滑油的多孔性合金制品。在正常工作狀況下，銷軸與含油軸套之間始終充滿潤滑油脂。但工作中出現(xiàn)短暫性缺油時，因軸與軸套之間的金屬摩擦使含油軸套溫度升高，由于潤滑油的膨脹系數(shù)比軸套高一個數(shù)量級，潤滑油從軸套的微米級孔隙中擠出進(jìn)入軸與軸套的接觸區(qū)附近、軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，由于泵吸作用，即因軸旋轉(zhuǎn)而將含油軸套材料內(nèi)含有的潤滑油吸出，油從油壓低的上部流向油壓高的滑動部，經(jīng)由油的流動形成的油膜將軸與軸承間隔開，從而發(fā)揮了防止金屬間相互接觸的功能，避免軸與軸套之間的干摩擦。銷軸停止轉(zhuǎn)動時，隨摩擦面溫度下降，存在于軸套內(nèi)表面多余的油，經(jīng)由毛細(xì)作用又為軸套中的微小孔隙吸納。優(yōu)良的自潤滑性，使它能在潤滑劑難以到達(dá)之處和難以補(bǔ)充加油或者不希望加油的場合使用，以達(dá)到安全和無油污染的效果。對于工作裝置的系統(tǒng)摩擦副可減少機(jī)子的打脂量或延長打脂周期。粉末冶金材料自身具有多孔的特性能減震和降低噪聲[3]。在耐磨性臺架試驗(yàn)中粉末冶金含油軸套這個結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，這對改善鉸接摩擦副的異響非常有效。粉末冶金含油軸套密度小且具有多孔性，具備一定彈性抗沖擊能力，在使用過程中能起到緩沖作用，減輕銷軸、軸套之間的剛性碰撞與摩擦，大大減少各重要零部件的磨損，從而達(dá)到保護(hù)的目的。一定材料成分配比經(jīng)壓制、燒結(jié)的粉末軸套，獲得了比較合理的密度和孔隙率，再經(jīng)熱處理和真空浸油，獲得高強(qiáng)度、硬度馬氏體組織和高的游離銅，從而獲得卓越的耐磨性能、自潤滑性和抗咬合性能。正是粉末冶金含油軸套具有與鋼套不同的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)，經(jīng)臺架模擬試驗(yàn)以及客戶裝機(jī)實(shí)地工況驗(yàn)證都獲得了很好的效果，說明粉末冶金含油軸套非常適合重載低速的裝載機(jī)工作裝置的工況條件。

8 結(jié)語

鐵基粉末冶金含油軸承基體具有細(xì)微、均勻分布的孔隙，燒結(jié)熱處理后經(jīng)潤滑油真空浸漬后形成含油多孔性結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度及自潤滑特性，具有優(yōu)異的耐磨性能，使用中可以明顯改善裝載機(jī)工作裝置鉸接系統(tǒng)摩擦副匹配，減震和降低噪聲并解決異響問題，提高減摩耐磨性能與銷軸、軸套的使用壽命。粉末冶金含油軸套具有與鋼套、銅套不同的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)，在臺架模擬試驗(yàn)和客戶采石場工況都獲得了極佳的使用效果，可經(jīng)受重載和沖擊載荷的復(fù)雜工況及野外粉塵沙礫的惡劣環(huán)境，現(xiàn)已應(yīng)用于工作裝置的鉸接摩擦副系統(tǒng)，成功地服役于某中大型裝載機(jī)超8500 h+，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此粉末冶金含油軸套在重載低速的裝載機(jī)工作裝置的工況條件是非常不錯的選擇之一。