滑動軸承白合金粘結(jié)強度檢測技術(shù)及應(yīng)用

引言

滑動軸承是汽輪機、發(fā)電機、船舶推進系統(tǒng)等重大裝備的核心部件，其工作性能直接影響設(shè)備的可靠性與壽命。白合金（又稱巴氏合金）因具備優(yōu)良的減摩性、順應(yīng)性和嵌藏性，是滑動軸承襯層的主流材料。然而，白合金與鋼背（基材）的粘結(jié)強度是其關(guān)鍵性能指標——若粘結(jié)失效（如脫層、剝落），將導(dǎo)致軸承潤滑失效、軸頸磨損甚至機組停機，引發(fā)嚴重經(jīng)濟損失與安全隱患。因此，準確檢測白合金粘結(jié)強度、分析失效原因，對保障裝備安全運行具有重要意義。

一、白合金粘結(jié)強度的重要性

1.1 白合金的材料特性

白合金分為錫基（如ZSnSb11Cu6）與鉛基（如ZPbSb16Sn16Cu2）兩類，其組織結(jié)構(gòu)以軟基體（α-Sn或α-Pb）為基礎(chǔ)，均勻分布硬質(zhì)點（β-SnSb或γ-PbSb）。這種“軟基硬點”結(jié)構(gòu)使白合金既能承受一定載荷，又能通過軟基體的塑性變形吸收沖擊，降低摩擦系數(shù)。但白合金本身強度較低（抗拉強度約15-30MPa），需依賴與鋼背的牢固粘結(jié)才能發(fā)揮作用。

1.2 粘結(jié)失效的危害

白合金與鋼背的粘結(jié)界面是軸承的薄弱環(huán)節(jié)。當粘結(jié)強度不足時，受徑向載荷或剪切力作用，界面易產(chǎn)生裂紋并擴展，最終導(dǎo)致白合金襯層脫層。例如：

• 汽輪機軸承脫層會導(dǎo)致軸頸與鋼背直接摩擦，引發(fā)軸瓦燒損、機組跳閘；
• 船舶推進軸承脫層可能導(dǎo)致螺旋槳軸卡死，影響航行安全。
  據(jù)統(tǒng)計，滑動軸承失效案例中，約30%源于白合金粘結(jié)問題。因此，粘結(jié)強度檢測是軸承制造與運維的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

二、傳統(tǒng)粘結(jié)強度檢測方法

傳統(tǒng)檢測方法以破壞性試驗為主，通過模擬軸承實際受力狀態(tài)，測定界面破壞時的臨界應(yīng)力。此類方法數(shù)據(jù)準確，是產(chǎn)品驗收與標準制定的基礎(chǔ)。

2.1 拉伸試驗

原理：沿粘結(jié)面垂直方向施加軸向拉力，直至界面破壞，計算拉伸強度（σ_t = 破壞載荷/粘結(jié)面積）。
試樣制備：將白合金澆注于圓柱形鋼棒（直徑10-20mm）表面，形成均勻襯層（厚度2-5mm），切割成標準試樣（如圖1所示）。
優(yōu)缺點：

• 優(yōu)點：直接反映界面的抗拉能力，數(shù)據(jù)重復(fù)性好；
• 缺點：試樣制備復(fù)雜（需保證白合金與鋼棒同軸），且拉伸載荷與軸承實際受力（主要為剪切力）差異較大，故多用于實驗室研究。

2.2 剪切試驗

原理：平行于粘結(jié)面施加剪切力，測定界面破壞時的剪切強度（τ = 破壞載荷/粘結(jié)面積）。因更接近軸承實際工況（徑向載荷轉(zhuǎn)化為界面剪切力），剪切試驗是最常用的粘結(jié)強度檢測方法。

2.2.1 單剪試驗

試樣為矩形鋼背（尺寸如100mm×25mm×10mm），表面澆注白合金（厚度2-5mm），通過夾具固定鋼背，對向施加剪切力（如圖2所示）。GB/T 12948-2019《滑動軸承 白合金軸承襯 技術(shù)條件》規(guī)定，錫基白合金剪切強度≥15MPa，鉛基≥10MPa。

2.2.2 雙剪試驗

將兩塊鋼背對稱澆注白合金，中間通過螺栓連接，施加軸向力轉(zhuǎn)化為剪切力（如圖3所示）。雙剪試驗的優(yōu)點是試樣受力更均勻，減少邊緣效應(yīng)，適用于薄襯層（≤2mm）的檢測。

優(yōu)缺點：

• 優(yōu)點：貼合實際工況，數(shù)據(jù)可靠，是產(chǎn)品驗收的標準方法；
• 缺點：破壞性試驗，無法用于在役設(shè)備；試樣邊緣易產(chǎn)生應(yīng)力集中，需嚴格控制試樣尺寸（如鋼背與白合金的厚度比）。

2.3 彎曲試驗

原理：將帶白合金襯層的鋼背試樣（如100mm×25mm×3mm）置于支座上，施加彎曲載荷，使界面受剪或拉應(yīng)力（如圖4所示）。通過觀察界面裂紋擴展情況，定性或定量評價粘結(jié)強度。
適用場景：適用于薄襯層（≤1mm）或復(fù)雜形狀軸承（如軸瓦）的檢測，尤其適合評價界面的抗疲勞性能。

三、現(xiàn)代非破壞性檢測（NDT）方法

傳統(tǒng)方法需破壞試樣，無法滿足在役設(shè)備的定期檢測需求?，F(xiàn)代非破壞性檢測（NDT）技術(shù)通過物理場（聲、光、熱等）與界面缺陷的相互作用，實現(xiàn)無損傷、快速、大面積檢測，是運維階段的核心手段。

3.1 超聲檢測

原理：利用超聲波在不同介質(zhì)（鋼背、白合金、缺陷）中的反射特性，通過接收反射波信號（振幅、相位）判斷界面狀態(tài)。若界面存在脫層、孔隙等缺陷，反射波振幅會顯著增強（如圖5所示）。
技術(shù)分類：

• 脈沖反射法：最常用，通過A掃（振幅-時間曲線）或B掃（二維圖像）顯示缺陷位置；
• 相控陣超聲：通過多陣元探頭控制波束方向，實現(xiàn)實時成像，提高缺陷定位精度。
  優(yōu)缺點：
• 優(yōu)點：無損、快速、可檢測內(nèi)部缺陷；
• 缺點：需參考標準試樣（如人工缺陷試樣），對操作人員經(jīng)驗要求高；對薄襯層（≤1mm）或小缺陷（≤1mm）的檢測靈敏度較低。

3.2 紅外熱像檢測

原理：通過加熱試樣（如用 halogen 燈或激光），測量表面溫度分布。若界面粘結(jié)不良（如脫層），熱傳導(dǎo)受阻，缺陷區(qū)域溫度高于正常區(qū)域，形成“熱點”（如圖6所示）。
適用場景：適合大面積軸承（如船舶推進軸承）的快速掃描，可實時顯示缺陷位置與大小。
優(yōu)缺點：

• 優(yōu)點：非接觸、快速、可視化；
• 缺點：受環(huán)境溫度影響大；無法檢測深層缺陷（需結(jié)合其他方法）。

3.3 聲發(fā)射檢測

原理：當界面受載產(chǎn)生裂紋時，會釋放彈性波（聲發(fā)射信號）。通過傳感器接收信號，分析其頻率、振幅等參數(shù)，實時監(jiān)測失效過程（如圖7所示）。
適用場景：用于實驗室研究粘結(jié)失效機理（如裂紋萌生、擴展速率），或在役設(shè)備的實時監(jiān)測（如汽輪機軸承運行中的狀態(tài)評估）。

3.4 激光超聲檢測

原理：用激光（脈沖或連續(xù)）激發(fā)試樣表面產(chǎn)生超聲波（熱彈效應(yīng)），通過激光干涉儀接收信號。無需耦合劑（如超聲檢測的耦合劑），適合高溫（如運行中的軸承）或特殊環(huán)境（如真空）檢測。
最新進展：結(jié)合機器學(xué)習(xí)（如CNN）處理激光超聲信號，可自動識別缺陷類型（脫層、孔隙），提高檢測準確性。

四、粘結(jié)強度的影響因素

白合金與鋼背的粘結(jié)分為機械結(jié)合（鋼背表面粗糙度提供的錨定作用）與冶金結(jié)合（界面形成合金層，如Fe-Sn合金），其強度受以下因素影響：

4.1 材料因素

• 白合金成分：錫基白合金的粘結(jié)強度高于鉛基（因Sn與Fe的潤濕性更好）；添加少量Cu（如ZSnSb11Cu6中的Cu）可細化晶粒，提高界面結(jié)合力。
• 基材材質(zhì)：鋼背需采用低碳鋼（如Q235）或合金鋼（如45鋼），表面需具備一定粗糙度（Ra=1.6-6.3μm），以增強機械結(jié)合。

4.2 工藝因素

• 澆注溫度：需高于白合金熔點50-100℃（如ZSnSb11Cu6熔點約240℃，澆注溫度約300-350℃）。溫度過高會導(dǎo)致鋼背過熱、晶粒粗大，降低粘結(jié)強度；溫度過低則白合金流動性差，無法填滿鋼背表面凹坑。
• 冷卻速度：緩慢冷卻（如爐冷、空冷）可減少界面內(nèi)應(yīng)力，避免裂紋產(chǎn)生；快速冷卻（如水冷）會導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力集中，降低粘結(jié)強度。

4.3 表面處理

• 清潔度：鋼背表面需除油（用汽油、丙酮）、除銹（用噴砂、酸洗），避免油污、氧化皮影響潤濕性。
• 鍍錫處理：鋼背表面鍍一層薄錫（0.01-0.03mm），可改善白合金與鋼背的潤濕性，促進冶金結(jié)合（形成Fe-Sn合金層）。鍍錫層過厚會導(dǎo)致界面脆性增加，過薄則無法形成有效結(jié)合。

五、標準與規(guī)范

國內(nèi)外均制定了白合金粘結(jié)強度檢測的標準，明確了試驗方法、試樣制備與合格指標（表1）。

六、案例分析

6.1 火電廠汽輪機軸承脫層事故

背景：某火電廠汽輪機軸承運行中出現(xiàn)振動異常，停機檢查發(fā)現(xiàn)白合金襯層局部脫層（面積約50mm×30mm）。
檢測過程：

1. 超聲檢測：用相控陣超聲掃描軸承，發(fā)現(xiàn)界面存在多個線性缺陷（脫層）；
2. 剪切試驗：取脫層部位試樣（符合GB/T 12948），測得剪切強度為8MPa（遠低于標準要求的15MPa）；
   原因分析：澆注時冷卻速度過快（采用水冷），導(dǎo)致界面內(nèi)應(yīng)力集中，破壞冶金結(jié)合；
   改進措施：調(diào)整冷卻工藝（爐冷至200℃后空冷），重新澆注后剪切強度達18MPa，滿足要求。

6.2 船舶推進軸承在役檢測

背景：某船舶推進軸承運行1000小時后，需進行定期檢測；
檢測方法：采用紅外熱像與超聲檢測結(jié)合；
結(jié)果：紅外熱像發(fā)現(xiàn)軸承右側(cè)存在“熱點”（溫度比正常區(qū)域高15℃），超聲檢測確認該區(qū)域存在20mm×15mm脫層缺陷；
處理：及時更換軸承，避免了航行中失效風(fēng)險。

七、結(jié)論與展望

7.1 結(jié)論

白合金粘結(jié)強度檢測是保障滑動軸承安全運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)破壞性試驗（如剪切試驗）是產(chǎn)品驗收的標準方法，現(xiàn)代非破壞性檢測（如超聲、紅外）是運維階段的核心手段，二者互補可提高檢測可靠性。

7.2 展望

• 技術(shù)融合：結(jié)合超聲、紅外、聲發(fā)射等多源數(shù)據(jù)，利用機器學(xué)習(xí)實現(xiàn)缺陷智能識別；
• 在線監(jiān)測：開發(fā)小型化、耐高溫的傳感器（如光纖傳感器），實現(xiàn)軸承運行中的實時粘結(jié)狀態(tài)監(jiān)測；
• 機理研究：通過分子動力學(xué)（MD）模擬界面冶金結(jié)合過程，優(yōu)化表面處理與澆注工藝，從根源提高粘結(jié)強度。

參考文獻

GB/T 12948-2019，滑動軸承 白合金軸承襯 技術(shù)條件[S].
ISO 4386-1:2018，Plain bearings—Babbitt metal linings—Part 1: Technical requirements[S].
王建國. 滑動軸承設(shè)計與應(yīng)用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2015.
Zhang Y, et al. Non-destructive testing of Babbitt metal bonding strength using laser ultrasound[J]. NDT & E International, 2022, 128: 102634.
Li X, et al. Influence of cooling rate on the bonding strength of Babbitt metal to steel backing[J]. Materials Science and Engineering A, 2021, 807: 140892.

（注：文中圖表為示意圖，實際檢測中需依據(jù)標準制備試樣與操作。）