柴油机曲轴铜背巴氏合金轴瓦的质量问题
发布时间：2014-08-07俄罗斯 A.E.MIlPOHOB
摘 要：文章着重讲述了俄罗斯国内巴氏合金轴瓦所存在的质量问题，论述了要注意的浇注工艺和材料元素对质量产生的影响。文章引用了大量材料成分数据，以便找出质量问题之所在。
关键词：柴油机；曲轴；轴瓦；化学成分；浇注工艺
目前，铜背巴氏合金轴瓦是内燃机车柴油机曲轴采用的Z普通的一种轴瓦结构。这种轴瓦的结构取决于其3个组成部分一铜背、巴氏合金层以及铜背和巴氏合金层之间的过渡层的状态。过渡层是铜与锡然后与熔化的巴氏合金相互作用时形成的。
铜背是运用БpO51I5C5和БpO31I12C5号铜铸成的。目前，在铸造铜背时，对气孔率方面又有了新要求。因为近年来，在运用和矫直检查中，铜背经常出现开裂的现象。这种现象与铜的化学成分有误及浇铸工艺不当有关。表1列出了全俄铁道运输科学研究院近2年来对内燃机车柴油机曲轴轴瓦铜背化学成分的测定结果。从表1所列数据中可以看出：有一半以上的铜背材料不符合БpO51I5C5和БpO31I12C5号铜的标准的要求。看来，这些铜背是用旧轴瓦浇铸的，并且在熔炼时炉料中加入了2种牌号的铜料。铅量增多的原因是：由于含铅量高达97的巴氏合金层未被去除，所以在合金中又附加了这种元素的含量。此外，锌含量不足可能与熔炼过程中锌被烧损有关，因为当磷缺乏或不足时，锌就成为铜中的主要脱氧剂。必须指出：脱氧不够会导致铸件产生气孔，这是不允许的。
关键词：柴油机；曲轴；轴瓦；化学成分；浇注工艺
目前，铜背巴氏合金轴瓦是内燃机车柴油机曲轴采用的Z普通的一种轴瓦结构。这种轴瓦的结构取决于其3个组成部分一铜背、巴氏合金层以及铜背和巴氏合金层之间的过渡层的状态。过渡层是铜与锡然后与熔化的巴氏合金相互作用时形成的。
铜背是运用БpO51I5C5和БpO31I12C5号铜铸成的。目前，在铸造铜背时，对气孔率方面又有了新要求。因为近年来，在运用和矫直检查中，铜背经常出现开裂的现象。这种现象与铜的化学成分有误及浇铸工艺不当有关。表1列出了全俄铁道运输科学研究院近2年来对内燃机车柴油机曲轴轴瓦铜背化学成分的测定结果。从表1所列数据中可以看出：有一半以上的铜背材料不符合БpO51I5C5和БpO31I12C5号铜的标准的要求。看来，这些铜背是用旧轴瓦浇铸的，并且在熔炼时炉料中加入了2种牌号的铜料。铅量增多的原因是：由于含铅量高达97的巴氏合金层未被去除，所以在合金中又附加了这种元素的含量。此外，锌含量不足可能与熔炼过程中锌被烧损有关，因为当磷缺乏或不足时，锌就成为铜中的主要脱氧剂。必须指出：脱氧不够会导致铸件产生气孔，这是不允许的。
表1 轴瓦铜背中各元素含量%（质量分数）
Z为危险的是在炉料中加入有害物质一锑、铁、尤其是硫。加入锑的Z常见的原因是：在铜炉料中加入了铅锑合金。属于这种合金的有电缆包皮、蓄电池用铅和牌号为Б16、БH和БC的含铅巴氏合金。铁主要是那种未用专门油漆喷涂的铸造设备（诸如铸罐、清除器等）经溶解进入铜内的。铜中进入硫的原因还未能确定，但进入硫后就会使铜软化，造成轴瓦在运用中碎裂。关于不同合金元素对铜的机械性能的影响可以从表2所列数据中得知。
供机械试验用的试样为12块已应用过的轴瓦。这些轴瓦运用后的厚度和状态应保证试样能获得所需尺寸。积累的数据表明：合金中较高含量的锡、锌和镍能消除因过量的铅而带来的不利影响，并能获得必要的强度和塑性。但随着铅含量的增加，性能不均匀性就会增强，在这种情况下可能出现薄弱区段，在运用中这些区段会引起应力集中。
标准中没有规定对铜的冲击韧性要进行检查，然而这一特性决定着裂纹的产生和发展，它能Z全面地反映材料无故障运用的能力。从表2中可以清楚地看出，对于内燃机车柴油机轴瓦的铜背来说，冲击韧性不应小于9.8J/cm2；而当这一数值小于6.9J/cm2时，铜遭受损坏的几率就加大。因此，对用来制造轴瓦的铸铜的试样必须进行冲击弯曲检查。
供机械试验用的试样为12块已应用过的轴瓦。这些轴瓦运用后的厚度和状态应保证试样能获得所需尺寸。积累的数据表明：合金中较高含量的锡、锌和镍能消除因过量的铅而带来的不利影响，并能获得必要的强度和塑性。但随着铅含量的增加，性能不均匀性就会增强，在这种情况下可能出现薄弱区段，在运用中这些区段会引起应力集中。
标准中没有规定对铜的冲击韧性要进行检查，然而这一特性决定着裂纹的产生和发展，它能Z全面地反映材料无故障运用的能力。从表2中可以清楚地看出，对于内燃机车柴油机轴瓦的铜背来说，冲击韧性不应小于9.8J/cm2；而当这一数值小于6.9J/cm2时，铜遭受损坏的几率就加大。因此，对用来制造轴瓦的铸铜的试样必须进行冲击弯曲检查。
表2 合金元素对铜瓦机械性能的影响
这种情况与用来制造内燃机车柴油机曲轴轴瓦防磨层的БK2号巴氏合金的质量也有关系。尽管原来独家生产这种巴氏合金的波杜斯堡有色金属厂从1998年12月起已不生产这种产品，但在莫斯科、新西伯利亚、新库兹涅茨克、顿涅茨、新乌拉尔斯克、乌斯特卡明诺戈尔斯克等地又出现一些新的工厂开始生产这种合金。因此，偏离标准的巴氏合金仍在流人工厂和机务段。去年，对夹杂硅、铬、铝、铁的巴氏合金以及钙、钠和镁含量有偏差的巴氏合金进行了研究。研究结果表明，用这样的巴氏合金不可能浇铸出质量好的防磨层。然而在这种情况下，产品证书中却还是标明了所有元素含量都在标准规定范围内，这是不符合实际情况的。
对铜背和巴氏合金层之间的过渡层所进行的研究表明：制造厂有大量违背浇铸工艺的做法。有不少情况是采用了含有锑的锡（焊料ЛOCCY）。此时，锡中的锑与巴氏合金中的钙相互作用并形成轻的类金属互化物，从而使防磨层缺钙而变得非常软（8～10HB），结果在运用中造成防磨层“挤出”。
经常遇到锡变冷的情况，因为铜背从镀锡槽中取出一直到在铜背上浇铸巴氏合金的时间间隔太长。在这种情况下，锡与铜有时间进行强烈的相互作用，形成一层厚的、脆的类金属互化物层。在这类金属互化物层上面Z冷的区域内沉积着微粒状的CaPb3析出物，结晶后又形成一层类金属互化物层。在这种情况下，巴氏合金本身就会因缺钙而变得很软。因此，就可能出现类金属互化物层疲劳剥落现象，或者出现巴氏合金“挤出”。
经常遇到这样的情况，即镀锡时间过长或在较高的温度下进行镀锡。在这种情况下也会形成脆的Cu-Sn类金属互化物层，导致巴氏合金层快速疲劳剥离。有时候类金属互化物层在铜晶粒边界处形成一个边缘，在液态巴氏合金流的作用下，这些边缘晶粒被冲入巴氏合金层体内。然后，这些硬的夹杂物就象磨料一样加重了轴瓦的磨损，又像应力集中一样促成疲劳剥落。
在那些重新浇铸柴油机轴瓦的机务段中，过渡层的报废有其特殊的形式。在这些机务段中，不是将巴氏合金层磨去，而是重新熔炼。在这种情况下，使Cu-Sn类金属互化物层得到增长，而且，当再次镀锡时，该类金属互化物层变得更厚，超过标准厚度4～5倍。
根据铜的颜色以及气孔数量和大小，可以用肉眼来确定轴瓦的质量。标准质量的铜呈金黄色，其合金中锡和锌越少，则其色调越呈深色和淡红色。气孔的大小和数量由技术条件Ty-32IITBP规定。
巴氏合金层的质量根据硬度测定结果来确定。其硬度应该大于13HB。多年研究表明：如果质量得到保证，硬度应该在18～23HB范围内。除了测量硬度外，还可以根据轴瓦矫直工艺试验结果来确定巴氏合金层和过渡层的质量。轴瓦在矫直试验时不应有裂纹或损坏，巴氏合金层应该具有“柠檬皮”的形状。如果出现裂纹或其他不密实现象，这是不允许的缺陷。
由于不同的工厂和机务段使用着各不相同的设备，所以每一企业均有自已的浇铸轴瓦6K2号巴氏合金的工艺过程。全俄铁道运输科学研究院正在进行工艺过程的制定工作。
结论：
上述事实表明：柴油机轴瓦的组成部分一铜背、巴氏合金层和它们之间的过渡层的状态是不能令人满意的，所以必须采取提高这些零部件质量的措施。首先是，交通部机务局验收员以及全俄铁道运输科学研究院和铁路局化验室必须对制造厂的轴瓦实行严格的检查。
对铜背和巴氏合金层之间的过渡层所进行的研究表明：制造厂有大量违背浇铸工艺的做法。有不少情况是采用了含有锑的锡（焊料ЛOCCY）。此时，锡中的锑与巴氏合金中的钙相互作用并形成轻的类金属互化物，从而使防磨层缺钙而变得非常软（8～10HB），结果在运用中造成防磨层“挤出”。
经常遇到锡变冷的情况，因为铜背从镀锡槽中取出一直到在铜背上浇铸巴氏合金的时间间隔太长。在这种情况下，锡与铜有时间进行强烈的相互作用，形成一层厚的、脆的类金属互化物层。在这类金属互化物层上面Z冷的区域内沉积着微粒状的CaPb3析出物，结晶后又形成一层类金属互化物层。在这种情况下，巴氏合金本身就会因缺钙而变得很软。因此，就可能出现类金属互化物层疲劳剥落现象，或者出现巴氏合金“挤出”。
经常遇到这样的情况，即镀锡时间过长或在较高的温度下进行镀锡。在这种情况下也会形成脆的Cu-Sn类金属互化物层，导致巴氏合金层快速疲劳剥离。有时候类金属互化物层在铜晶粒边界处形成一个边缘，在液态巴氏合金流的作用下，这些边缘晶粒被冲入巴氏合金层体内。然后，这些硬的夹杂物就象磨料一样加重了轴瓦的磨损，又像应力集中一样促成疲劳剥落。
在那些重新浇铸柴油机轴瓦的机务段中，过渡层的报废有其特殊的形式。在这些机务段中，不是将巴氏合金层磨去，而是重新熔炼。在这种情况下，使Cu-Sn类金属互化物层得到增长，而且，当再次镀锡时，该类金属互化物层变得更厚，超过标准厚度4～5倍。
根据铜的颜色以及气孔数量和大小，可以用肉眼来确定轴瓦的质量。标准质量的铜呈金黄色，其合金中锡和锌越少，则其色调越呈深色和淡红色。气孔的大小和数量由技术条件Ty-32IITBP规定。
巴氏合金层的质量根据硬度测定结果来确定。其硬度应该大于13HB。多年研究表明：如果质量得到保证，硬度应该在18～23HB范围内。除了测量硬度外，还可以根据轴瓦矫直工艺试验结果来确定巴氏合金层和过渡层的质量。轴瓦在矫直试验时不应有裂纹或损坏，巴氏合金层应该具有“柠檬皮”的形状。如果出现裂纹或其他不密实现象，这是不允许的缺陷。
由于不同的工厂和机务段使用着各不相同的设备，所以每一企业均有自已的浇铸轴瓦6K2号巴氏合金的工艺过程。全俄铁道运输科学研究院正在进行工艺过程的制定工作。
结论：
上述事实表明：柴油机轴瓦的组成部分一铜背、巴氏合金层和它们之间的过渡层的状态是不能令人满意的，所以必须采取提高这些零部件质量的措施。首先是，交通部机务局验收员以及全俄铁道运输科学研究院和铁路局化验室必须对制造厂的轴瓦实行严格的检查。
来源：《国外机车车辆工艺》2004年第4期