摘要:簡述軸承工作（zuò）性質,巴氏合金應用與相組成的基本（běn）情況。論述汽輪機轉子在（zài）兩（liǎng）個電廠長期運行後，由於軸頸發生的不正（zhèng）常（cháng）摩（mó）擦損傷（shāng），在大（dà）修改造中（zhōng）由無損檢（jiǎn）查（chá）、機械加工揭示出軸頸存在嚴（yán）懲的滲巴氏合（hé）金（jīn）現象（xiàng），低熔點金屬Sn、Sb與Cu向轉子材料晶界的深層滲入Z終導致（zhì）了3根大型在投轉子的嚴懲開裂與報廢。圖11表2 關鍵詞：汽輪機；軸承；巴氏合金（jīn）；磁粉顯示；機械加工；裂紋；脆性 1　前言 　　軸（zhóu）承是汽輪機的關鍵部（bù）件（jiàn）之一，在循環潤滑油的潤滑與（yǔ）冷卻作用下，對重載而高速運轉（zhuǎn）的（de）汽輪機轉子起支承作用。 　　軸（zhóu）承軸瓦在工作時，除了和軸頸造成磨損外（wài），還要隨軸（zhóu）頸傳（chuán）給它的載荷，因此軸承瓦塊材料應當有小的摩擦係數，抗磨性好並有足夠高（gāo）的抗壓（yā）強度和韌性（xìng）。故要求該軸承合金的組織中，在相當軟的基體上分布著一定大小高硬度的相組成物。鑄造錫基巴氏合金ZSnSb11Cu6符合這種組織要求，是一（yī）種Z優秀的軸承合金。和所有巴氏（shì）合金相比，ZSnSb11Cu6具（jù）有Z小的線膨脹（zhàng）係數，導熱係數比鉛（qiān）基合金大30％～60％，有Z高的耐蝕穩定（dìng）性及較高的疲勞強度，適合於承受（shòu）負荷（hé）特別（bié）高、HB300左右中等硬（yìng）度的轉軸運轉，因而它（tā）作為軸承巴氏合金在汽輪機中廣泛用作轉子支承軸承的軸瓦。 　　汽輪機在電廠的運行中，斷油（yóu）燒瓦而使軸承巴（bā）氏合金熔化的事情時有發生。一般情況下，均采取換瓦或（huò）重新澆巴來解決問題，而很少對汽輪（lún）機軸頸的材質（zhì）變（biàn）化給予足夠的關注，汽輪（lún）機軸頸的滲巴氏合金現象則更是（shì）鮮為人知。 　　但在2000年底至2001年短短的幾個月中，東方汽輪機廠先後接受了來自2個電廠的3根舊機轉子（zǐ）軸頸（jǐng）的修複處理。它們均由於滲巴氏合（hé）金造成了（le）軸頸材（cái）質的深層脆化，無法（fǎ）在允許的車削範圍內予以清除，Z終不得不作報廢（fèi）處理。本文就這些轉子在東汽廠處（chù）理過程中所揭示的轉子軸頸滲巴氏合金的現象作簡要論述。 2　關於巴氏合金（jīn）的基本情況 　　 ZSnSb11Cu6軸承巴氏合（hé）金的成分及各（gè）個組（zǔ）成相的作用（yòng）詳（xiáng）見表1。典型的（de）金相組織見圖1，即在暗黑色α固溶體塑（sù）性基體上，分布著白（bái）亮（liàng）色方塊或三角形晶體β相(SnSb)及白色針狀(或粒狀（zhuàng）)晶體ε相(Cu6Sn5)，該巴氏合金的平均硬度僅為Hm30。 ZSnSb11Cu6巴氏合金的固相點溫度為240℃，液相點溫（wēn）度為370℃，其Z高（gāo）使用溫度不（bú）得超過100℃，摩擦係數在有油（yóu）時為0.005，無（wú）油（yóu）時為0.28。 3　黃（huáng）石電廠低壓轉子（zǐ）的滲巴氏合（hé）金現象 3.1　黃石電廠低壓轉子材質（zhì）的（de）基本情況 　　黃石電（diàn）廠209＃機低壓轉（zhuǎn）子軸頸在（zài）3根轉子中是損傷Z嚴重的一根。該機為東方汽輪機廠1988年生產D29第1台N200－12.70/535/535－4型超（chāo）高壓中間再熱三缸兩排汽凝汽式汽輪機，1993年7月投（tóu）運。 　　低壓（yā）轉子係二重（chóng）廠生產的大鍛（duàn）件，材料為（wéi）34CrNi3Mo，力學性能數據見表2，各（gè）項性能優良，磁（cí）粉及（jí）超聲波探傷結果（guǒ）全部符合（hé）技術（shù）要求。 3.2　電廠大修中無損檢測發現（xiàn）的低壓轉子（zǐ）裂紋（wén） 　　電廠在2000年對該（gāi）機（jī）進行大（dà）修（xiū）期間，著色滲透檢查首先發現了低壓轉子5＃、6＃軸頸開裂，兩軸頸（jǐng）均有若幹短的軸（zhóu）向裂紋沿（yán）周（zhōu）向成環（huán）狀分布。西安熱工所采（cǎi）用KARL RMG4105型測深儀檢測確認（rèn），6＃軸頸上Z為嚴重的一個裂紋群（qún）的情況是：該環狀裂紋群中有裂紋170條（tiáo），Z長裂紋16.7mm，裂紋Z深達3.1mm，裂紋深度大於1mm的有35條，深度大於0.2mm有98條。根據這一檢驗結果，電廠決定將該（gāi）轉子返（fǎn）東汽（qì）廠（chǎng）由專（zhuān）用機床（chuáng）進（jìn）行軸頸車削處理，將直徑為360mm的5＃、6＃軸頸，單邊車小1.2～1.5mm，個別深（shēn）的裂紋采取局部打磨消缺及填補焊後繼續使用。 3.3　東汽廠（chǎng）車削加工中發現的轉子軸頸滲巴氏合金現象 　　 2000年11月20日該轉子進入東汽（qì）廠，為配合工廠對該轉子維修方案的實（shí）施（shī）與（yǔ）確定，對轉子電機端6＃軸頸裂（liè）紋帶的原始情況及軸（zhóu）頸車（chē）削過程的每一階段，進行了現場跟蹤、複型檢（jiǎn）查及硬度檢（jiǎn）測。 3.3.1　車削前（qián）6＃軸頸（jǐng）裂紋帶的原始情況 　　 6＃軸頸長（zhǎng）430mm，上述Z嚴重的裂紋帶（dài）離電機端台階位置約130mm。將裂（liè）紋（wén）附近區拋光至鏡麵並經硝酸酒（jiǔ）精溶液腐蝕後，顯示出一寬度約為90mm的深色（sè）帶區，與轉子基材形成明顯分界線，跨越分界線密集排列著軸向分布的短裂紋，其宏（hóng）觀可見長度多為3～5mm。對這一帶用裏（lǐ）氏（shì）硬度計測試布氏硬度的結果是：轉子基材硬度為 HB292～306左右，與轉（zhuǎn）子的出廠檢測結果相符（fú），深色帶（dài）內的硬度則高達HB540～593，而帶兩邊5mm範圍內硬度（dù）低於基材，為（wéi）HB241～255的軟化區。這顯然是機組運行中由於不正常（cháng）摩擦（cā），使（shǐ）軸頸局部區域嚴重發熱達到材料（liào）相變溫度以上，產生了相變硬化的結果。其硬度與宏觀裂紋分布的具體情況見圖2。 3.3.2　車削中6＃軸頸裂紋帶的（de）發展情況 　　 2000年底，湖北電（diàn）力局、中試所及黃石電廠領導、專家與東汽廠相關人員，在東汽廠共同進行了（le）低壓轉子6＃軸頸（jǐng）小進刀量(每次進刀0.2mm)車（chē）削的現場跟蹤檢查，發現了如下情況。 3.3.2.1　6＃軸頸出現兩個硬化亮帶 　　車刀從正常基（jī）材區進入高硬區（qū）時，金屬的車削聲立刻變得尖銳，鐵屑轉而斷為碎渣形式。與周圍正常區相比，高硬區車削後光（guāng）澤度高，明顯發亮，而（ér）車刀則（zé）極易在該區受損變鈍。車0.5mm後檢查，在原90mm寬硬化亮帶旁，出現了另一寬約22mm硬化亮帶（dài）(離電機端253mm)，亮帶（dài）兩邊密布的軸（zhóu）向裂紋肉眼可（kě）見(圖3)。 3.3.2.2　6＃軸頸（jǐng）車小過程中裂紋顯著增長 　　根據軸（zhóu）頸車削過程（chéng）中揭示的裂紋情況嚴重性，以及轉子軸頸極限扭矩應力的計算結（jié）果，將原先（xiān）設（shè）想的單邊加工1.5mm的預方案原則上放寬到單邊5mm。在每次進刀約0.2mm、軸頸逐漸（jiàn）加工變小的過程中，硬化帶邊界處裂紋群的（de）長度沒有象人（rén）們期待地那樣減小，反而在明顯地增加：由（yóu）原始的3～5mm級→10mm級（jí）(單邊（biān）加工0.5mm時)→20mm級(加工3.8mm時)→30mm級(加工5.49mm時（shí）)。其原始短裂紋加工後轉而變為長裂紋的情況如圖3所示。 　　Z終將軸頸極限尺寸再次加工縮小到φ347.14mm，即單邊加工去除了6.43mm的深度，此時裂紋的檢查情況依然嚴重（chóng）。 　　（1）裂紋總條（tiáo）數（shù）。原90mm硬化帶的邊（biān）界軸向裂紋還餘146條，其中25～37mm長的裂紋達64條之多。 　　（2）磨擦硬化（huà）帶寬（kuān）度與硬度。原90mm硬（yìng）化帶仍未（wèi）完全消失，剩餘寬度為5～23mm，硬帶Z高硬度HB562～588，而熱影響軟區硬度僅為HB225～255。兩變異區與基材正常金相組織的硬度HB284～298相差甚遠。原22mm硬化帶已完全消（xiāo）失，組織與硬度基本恢複正常（cháng）。 　　經雙（shuāng）方認真商議，確認該轉子6＃軸頸此時（shí）的剩（shèng）餘直徑已不符合（hé）安全裕度（dù）的設計要求，且仍存在大量裂紋，該轉（zhuǎn）子已無（wú）挽救希望，隻能（néng）作報廢處理。 3.3.2.3　6＃軸頸摩擦帶的滲巴氏合金（jīn）脆化現象 　　 6＃軸頸摩擦帶區域的加工鐵（tiě）屑呈1～5mm長的碎渣，見圖4(正常區是長鐵屑，車削過程中不斷)，說明該摩擦區金屬呈現明顯的脆性。 　　在6＃軸頸（jǐng）加工過程中，先後在不同（tóng）的加（jiā）工深度即0mm、1.4mm與6.43mm的Z終加工狀態，對裂紋帶作了3次複型微觀組織的檢查。不同深度的組織檢查情況基本相同，特征是宏（hóng）觀裂紋存在的地方以及硬化帶內部，均存在有大（dà）量（liàng）沿晶分布的粗大白色網狀組織，是大鍛件材料從來不曾見識過的異種相(圖5)；高硬化區基體呈（chéng）細針狀重結晶淬火馬氏體(圖6)，晶粒已細化到8級；轉子（zǐ）正常區為回火索氏體與回火貝氏體基材組（zǔ）織，晶粒度為4級(圖7)。 采用電鏡能譜儀分析摩擦硬化區碎鐵屑（xiè）的元素（sù）譜（pǔ）線，見圖8。Sn、Sb和Cu的（de）譜峰十（shí）分明顯，說明該區碎鐵屑中富含巴氏合金組成元素，證明裂紋帶白色網狀異種相正是巴（bā）氏合金Sn、Sb和（hé）Cu組成元素沿軸頸34CrNi3Mo材料晶界強烈滲入，形成了與巴氏合低熔點白色方塊β相(SnSb)相近的低硬（yìng）度脆性相的結果。 4　沙角電廠中、低壓轉子滲巴氏合金的情況 　　沙角發電總廠200MW A3汽輪機組為哈爾濱汽輪（lún）機廠製造，1988年出廠。 　　 2001年，高、中（zhōng）、低3根舊轉子由東汽廠對其進行通流改造。在軸頸進行磁粉檢（jiǎn）查時（shí），30Cr2MoV中壓轉子3＃軸頸(低壓端)發現一條寬約35mm的周向摩擦帶（dài），而34CrNi3Mo低壓轉子4＃軸頸(中（zhōng）壓端)發（fā）現一條寬約30mm的周向摩擦帶，帶（dài）中有大量軸向（xiàng）、周向及網狀磁痕顯示。 　　圖9示出了中壓轉子3＃軸頸（jǐng）摩擦位置（zhì）。軸頸長400mm，軸頸上一周向網狀摩擦龜裂帶離汽輪機端（duān）台階位（wèi）置約125mm，帶中（zhōng）大量的線狀（zhuàng）磁痕顯示與圖10(低壓轉子4＃軸頸（jǐng）磁痕顯示複型的示意圖)類似。值得注明的是，對這些缺陷用著色滲透檢驗時，無顯（xiǎn）示痕跡，表明缺陷還尚未開裂。 　　為進一步判定缺陷的性質，對中（zhōng）壓轉子（zǐ）3＃軸頸摩擦缺陷區進行了現場（chǎng）複膜金相檢驗及硬度檢查。摩擦區拋光腐蝕後（hòu）為（wéi）深的顏色，與轉子基材有（yǒu）明顯（xiǎn）的分界線。摩擦區內軸向與周向交錯分布的白色網狀組（zǔ）織發達，與宏觀磁痕顯示的龜裂形態完（wán）全一致，見圖11。摩擦區基體因滲（shèn）巴氏合金亦（yì）發生了明顯的組織改變。 對這一帶用裏氏硬（yìng）度計測試布氏硬度的結果是：中壓轉子基（jī）材硬度為HB223～236左右，帶內硬度為HB246～266。從硬度方麵看（kàn），摩擦區還沒有達到黃（huáng）石電廠那樣強烈地相變硬化狀態。 　　沙角低壓轉子4＃軸頸30mm周（zhōu）向摩擦帶（dài）在單邊車去3.5mm深度後，仍有20多條軸向的磁痕顯示，長度超過20mm，因而該低壓轉（zhuǎn）子，以及摩擦帶更寬的(35mm)中壓轉子Z後均作報廢處理。 5　電廠運行中汽輪機轉子軸頸滲巴氏合（hé）金的原因分析 　　汽輪（lún）機與發（fā）電（diàn）機各軸承所需的大量潤滑與冷卻用油（yóu），由汽（qì）輪機的油係統承擔。由於油（yóu）係統工作的可（kě）靠性極為重要，因（yīn）而（ér）油係統包括了由（yóu）汽輪機主軸直接驅（qū）動的“主油泵”，小汽（qì）輪機驅（qū）動的“汽動輔助油泵”以及由（yóu）電動（dòng）機拖動，發生事故時備用（yòng）的（de）“電動輔助油泵”，三泵聯合（hé）確保了汽輪機在正（zhèng）常運轉、啟動和（hé）停（tíng）機時均有良好的潤（rùn）滑作用。 　　機組（zǔ）在啟動與運行時，潤滑油在轉子軸頸表（biǎo）麵與軸瓦表麵之間的空間形成油膜，產生壓力（lì）將軸托起（qǐ），避免了軸頸與軸瓦金屬之間的幹摩擦（cā）。同時，進入（rù）各軸承的（de）油溫不超（chāo）過35～45℃，不斷地將軸承摩擦產生的熱量，以及由轉子（zǐ）體傳給（gěi）軸（zhóu）頸的熱量帶走，對軸頸起冷卻作用。因此，潤滑油的流通對（duì）軸承正常工作的重要性是不言而喻的，3根在役轉子的提前報廢正是此（cǐ）種重要性的具體（tǐ）體現（xiàn）。 　　據查，黃石電廠209＃機（jī）低壓轉子5＃、6＃軸承在1994年（nián）投運初期曾發生過嚴重的斷油燒瓦事故，此（cǐ）後兩軸承一直在（zài）瓦溫偏高的狀況下運行。從以上檢查（chá）結果看出，轉子摩擦高硬區細針狀馬氏體的存在說明此處發生了相變（biàn）重結晶，溫度達800℃以上；而摩擦帶（dài）兩旁軟化區則超（chāo）過轉子回火溫度，達600℃以上。斷（duàn）油事故不僅（jǐn）使轉子幹摩擦區發生（shēng）了相變硬化（huà），更使摩擦（cā）區發生了巴（bā）氏合金的沿晶滲入，特（tè）別是硬化帶的兩側既是軟化區，又是相變（biàn）硬（yìng）化淬（cuì）火的拉應力集中區，其深層滲入就更為強（qiáng）烈。Sn、Sb和Cu元素在轉子材料晶界（jiè）的富集使軸頸局部（bù）區材（cái）料失去了原有的高（gāo）強（qiáng）度與高（gāo）韌性，長（zhǎng）期運行後優先在（zài）摩（mó）擦帶兩旁的低強度軟化區（qū）裏（lǐ），由低熔（róng）點的白色相組織發生開裂成為宏觀裂紋。 轉子軸頸（jǐng）車削加工（gōng）中裂紋增長的現（xiàn）象則是白色網狀脆性相在車刀與加工應力作用（yòng）下連續不斷發生脆性脫落的結果。 　　沙角電廠2根轉子的滲巴氏合金現（xiàn）象，其（qí）原理也應如此，隻不過斷油時間與事故（gù）的嚴重程度稍輕（qīng）微一（yī）些。晶界滲入異種相還尚未開裂，它能引起磁粉的明顯堆集（jí）卻對（duì）著色（sè）滲透（tòu）沒有反應。 6　結論 　　 (1)在（zài）潤滑油暢通的情況下，鑄造錫基（jī）巴氏合金ZSnSb11Cu6是（shì）Z優秀（xiù）的軸承（chéng）合金，可（kě）以滿足（zú）汽輪機支承軸承對軸瓦的各項技術要（yào）求。 　　 (2)電廠3根在役（yì）轉子的中途報廢是軸承斷油、嚴重燒瓦及瓦溫長期偏高的必然結果。 　　 (3)汽輪（lún）機轉子軸（zhóu）頸環狀裂紋群或磁痕顯（xiǎn）示的出現，是在不正（zhèng）常運行工況下，巴氏合金低熔（róng）點組成元（yuán）素Sn、Sb及Cu向軸（zhóu）頸深層滲入，使轉子材料的局（jú）部發生了組織變異及脆化（huà）而致。 　　因此，電廠（chǎng）在發生燒瓦之後，更換軸（zhóu）承的同時應加強對軸頸摩擦區（qū）材料微觀組（zǔ）織的監督檢查。(來（lái）源：電站技（jì）術網)