摘 要:某05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼軸和軸套在試驗過程中發(fā)生黏連,采用宏觀觀察、化學成分 分析、金相檢驗、掃描電鏡分析、硬度測試等方法分析了該軸和軸套黏連的原因。結(jié)果表明:該不銹 鋼軸和軸套在裝配時,操作人員未涂潤滑脂,該軸和軸套配合間隙較小,在振動和旋轉(zhuǎn)試驗過程中, 軸和軸套間存在受力偏載現(xiàn)象,接觸部位發(fā)生微動磨損,使氧化膜破裂,金屬間直接接觸,從而導致 軸和軸套發(fā)生黏連。

關(guān)鍵詞:軸和軸套;05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼;黏連;磨損

中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)02-0067-04

05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼是一種典型的馬氏體 型沉淀硬化不銹鋼,含有較高的 Cr、Ni、Cu等合金 元素,其固溶時效處理后析出沉淀硬化相ε-Cu,并 在低碳馬氏體基體中呈彌散分布,因此具有較高的 強度、硬度,又具有良好的塑性、韌性、耐蝕性和加工 性,可用于400 ℃以下要求抗氧化性以及耐弱酸、 堿、鹽腐蝕,又要求高強度的工況,在航天航空、石油 化工、核 工 業(yè) 和 能 源 領(lǐng) 域 都 有 廣 泛 的 應 用[1-3]。 05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼材料常用于加工緊固件、 軸類等工業(yè)零部件,相當于美國的17-4PH 沉淀硬 化不銹鋼[4]。

某型飛機裝備用05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼軸 和軸套經(jīng)裝配后,完成1次垂直振動和1次水平振 動各30min,再旋轉(zhuǎn)30圈后,發(fā)現(xiàn)軸和軸套發(fā)生黏 連而無法旋轉(zhuǎn)。筆者采用一系列理化檢驗方法對軸 和軸套的黏連原因進行分析,并采取改進措施,提升 裝備質(zhì)量。具體軸和軸套裝配示意及宏觀形貌如 圖1所示。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

對黏連的軸和軸套用S500型直讀光譜儀進行 化學成分分析,結(jié)果如表1所示。主要化學成分滿足GB/T1220—2007《不銹鋼棒》中對05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼的要求,表明產(chǎn)品未出現(xiàn)混料現(xiàn)象。

1.2 幾何尺寸分析

對黏連的軸和軸套分別進行尺寸測量。選用微 米千 分 尺 對 軸 進 行 測 量,其 實 測 值 為 7.991~ 7.994mm,標準值為7.98~8.00mm;用不同規(guī)格 的塞棒對軸套進行測量,軸套內(nèi)孔直徑標準值為 8.005~8.020mm,選用8.005mm 的塞棒,勉強能 插入少許,用8.010mm的塞棒根本無法插入,表明 軸套內(nèi)孔尺寸較小,處于標準值下限。

1.3 宏觀觀察和掃描電鏡分析

對未經(jīng)清洗的黏連軸和軸套在SZ2-ILST型顯 微鏡和EVO18型掃描電鏡下觀察,具體結(jié)果如圖2 所示。

由圖2可知:軸套表面支撐面局部存在輕微磨 損,軸表面黏連部位損傷較為嚴重;軸套表面僅部分 油漆脫落,軸套口部未見明顯磨痕,黏連部位一面損 傷較為嚴重,相對面較輕,在試驗過程中存在偏載現(xiàn) 象;軸套內(nèi)部磨損痕跡離底部約為1.2mm,軸和軸 套底部未見接觸痕跡,表面未見明顯潤滑痕跡;軸和 軸套黏連部位未見其他金屬夾雜、夾渣及碎屑等,磨 損痕跡呈旋轉(zhuǎn)形貌。

對軸和軸套黏連部位進行能譜分析(EDS),具 體分析結(jié)果如表2所示。軸和軸套黏連部位化學成 分均為05Cr17Ni4Cu4Nb材料元素成分,未見其他 外來雜質(zhì)金屬元素。

1.4 金相檢驗

對軸和軸套黏連部位取樣,試樣制備依據(jù) GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》,腐蝕劑為4g 氯化銅+20ml鹽酸+20ml水,對制備好的試樣在光 學顯微鏡下進行觀察,具體分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知:軸和軸套黏連部位存在微裂紋和 碎屑,由于受力較大,顯微組織呈擠壓形貌;心部顯 微組織均為回火索氏體+強化相+少量白色塊狀δ 鐵素體,未見過熱、過燒等冶金缺陷。

1.5 硬度測試

對軸和軸套心部在 TH300型數(shù)顯洛氏硬度計 上進行硬度測試,試驗方法按照GB/T230.1—2018 《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》,具 體結(jié)果如表3所示。軸和軸套的硬度均滿足標準要 求,軸套硬度處于標準值下限。

對軸和軸套的黏連部位進行硬度梯度分析, 試驗方法依據(jù) GB/T4340.1—2009《金屬材料 維 氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》,試驗載荷為 2.94N,保載時間為15s,從黏連部位每隔0.2mm 測試一點,試驗設(shè)備為 TUKON1102型顯微硬度 計,具體試驗數(shù)據(jù)和趨勢如圖4所示。軸和軸套 黏連部位硬度達到最大,隨著離黏連部位的距離 增大,硬度呈下降趨勢,當深度大于0.8mm 時,硬 度趨于一致。

2 綜合分析

黏連的軸和軸套化學成分符合材料標準要求; 軸尺寸滿足標準要求,軸套尺寸處于標準值下限,導 致軸和軸套配合間隙較小;軸外表面和軸套內(nèi)表面 呈光亮態(tài),未見明顯油脂等潤滑物,黏連部位呈撕裂形貌,經(jīng)能譜分析未見其他雜質(zhì)金屬,黏連損傷程度 不一致,表明試驗過程中存在受力不均現(xiàn)象;黏連部 位的顯微組織存在擠壓變形特征,心部組織未見過 熱、過燒等冶金缺陷,硬度未見明顯異常,均符合標 準要求;黏連部位硬度最高,黏連導致變形組織深度 約為0.8mm。

通過軸和軸套黏連形貌可知,二者發(fā)生了磨損。 由磨損的機理[5-7]可知:兩個相對接觸且滑動的表面 在摩擦力的作用下,接觸部分的潤滑油膜、氧化膜等 被擠破,從而使兩金屬直接接觸而發(fā)生黏連。由于 軸和軸套均為05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼,二者材料 相同,為沉淀硬化不銹鋼,硬度范圍一致,具有一定 的互溶性,具備磨損的條件[8]。由尺寸測量數(shù)據(jù)可 知,該軸和軸套配合間隙較小,且存在一定的偏載現(xiàn) 象,導致摩擦接觸面積較大,在摩擦過程中產(chǎn)生的多 余物過早填充配合間隙,使摩擦進一步加劇。常采 用鈍化來提升05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼表面的耐 蝕性[9],涂覆 MoS2 涂層來降低摩擦副之間的摩擦 力[10]。

綜上所述,該軸和軸套由于尺寸間隙較小且 無有效潤滑,在安裝過程中可能存在不同軸現(xiàn)象, 由于材料為05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼,在空氣中可 形成非常薄的氧化膜層[11]。在振動過程中,軸和 軸套接觸部位發(fā)生微動磨損,使氧化膜層破裂,金 屬基體相接觸發(fā)生黏連,隨著振動時間的延長,碎 屑進一步填塞縫隙,加劇了磨損進程。在振動后 旋轉(zhuǎn)過程中,黏連現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生,造成不銹鋼完全 黏連而無法旋轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論及建議

(1)05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼軸和軸套配合間隙 較小,未見明顯潤滑現(xiàn)象,在振動和旋轉(zhuǎn)試驗過程中, 存在受力偏載現(xiàn)象,接觸部位發(fā)生微動磨損,使氧化 膜破裂,金屬直接接觸,發(fā)生磨損進而無法旋轉(zhuǎn)。

(2)建議在安裝過程中規(guī)范操作,增加檢查工 序,杜絕漏涂潤滑脂現(xiàn)象;進一步增加防錯設(shè)計,在 軸和軸套接觸表面進行鈍化和涂覆 MoS2 干膜潤滑 劑,提升防腐和潤滑性能。

(3)建議加工軸時選擇在標準值的下限,而軸 套應選擇在標準值的上限,進而增大軸和軸套的配 合間隙。

參考文獻:

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<文章來源 >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 2期 (pp:67-70)>