蘇雅萍，段傳棟，馬 蓉，萬久遠

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

裝載機的工作裝置是裝載機發(fā)揮作用的關鍵部件，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度和高耐磨性、心部強韌性等性能要求。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，在軸套壁設計多孔，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，操作復雜，加工效率低，而且質(zhì)量難以控制，導致生產(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、復合材料以及各種類型制品的工藝技術。粉末冶金技術具備顯著節(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，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、機械性能、臺架模擬耐磨性試驗等方面開展對鐵基粉末冶金含油軸承應用研究，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)量分數(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—機加工—成品。按表1 配方各粉末在三維混料機中混合均勻后置于模具內(nèi)，以一定壓力在自動壓機上雙向壓制成型，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)爐中進行燒結(jié)處理，使各種粉末顆粒發(fā)生相互流動、擴散、熔解、再結(jié)晶等，使原材料的合金元素預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度和硬度。同時為了進一步增高強度、硬度和耐磨性使其適應重載低速工況要求，粉末冶金軸套接著在網(wǎng)帶爐進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

按國家標準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)材料的強度，以提高軸套的自潤滑性能。

3 機械性能分析

打磨成品粉末軸套表面后使用臺式洛氏硬度計按國家標準GB/T230.1 進行表面硬度測試，實測硬度值為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機測試粉末軸套的徑向壓潰強度、壓縮屈服強度、抗壓強度、拉伸強度、屈服強度和抗彎強度，檢測結(jié)果基本達到預期目標值，結(jié)果見表2。

表2 粉末冶金含油軸套機械性能檢測結(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

在銷軸軸套可靠性試驗裝置模擬軸套在機器上的工作狀態(tài)測試重載低速粉末冶金含油軸套的耐磨性能。試驗用的軸套壓入軸承內(nèi)圈，試驗用的銷軸穿進軸套形成摩擦副，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)裝置施加等效實際工況的載荷在軸承外圈并傳遞到試驗軸套上，兩側(cè)伸縮油缸通過轉(zhuǎn)動臂帶動軸承內(nèi)圈以及試驗軸套做往復旋轉(zhuǎn)。測試臺架試驗循環(huán)達到一定次數(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，采用檢測試驗前后銷軸外徑及試驗軸套內(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50 MPa 循環(huán)12 萬次（等效裝載機V 鏟整機工作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 臺架試驗檢測結(jié)果

粉末冶金含油軸套組臺架運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)異響進入持續(xù)異響期，應是銷軸、軸套已嚴重磨損但當時沒有停止試驗拆檢，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，隨著運行次數(shù)的增加，整體呈上升的趨勢，最高溫度甚至達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，進而提高摩擦副的耐久性和可靠性。

6 客戶裝機實地工況驗證

臺架模擬試驗的結(jié)果須在實際客戶裝機工況中加以驗證。某裝載機工作裝置13 鉸接點試裝粉末冶金含油軸套到客戶采石場工況進行驗證，機子主要鏟裝碎石和石粉等，機器每天三班倒基本不停機，每隔3 ～5 天氣動打潤滑脂，其它按正常維護保養(yǎng)。整機使用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，可能是小石子進入導致。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。現(xiàn)批量裝機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。實際工況使用1510 h 普通鋼套鉸接摩擦副，銷軸和鋼套表面嚴重磨損，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，可進一步提高鉸接摩擦副的壽命。負荷較大和轉(zhuǎn)速較低的運行工況，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，實地工況驗證取得了良好的效果和經(jīng)濟效益，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之處和難以補充加油或者不希望加油的場合使用，以達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]。在耐磨性臺架試驗中粉末冶金含油軸套這個結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)點是顯而易見的，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，從而達到保護的目的。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，經(jīng)臺架模擬試驗以及客戶裝機實地工況驗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，在臺架模擬試驗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雜工況及野外粉塵沙礫的惡劣環(huán)境，現(xiàn)已應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超8500 h+，取得了良好的經(jīng)濟效益。因此粉末冶金含油軸套在重載低速的裝載機工作裝置的工況條件是非常不錯的選擇之一。