摘 要:某05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢轴和轴套在试验过程中发生黏连,采用宏观观察、化学成分 分析、金相检验、扫描电镜分析、硬度测试等方法分析了该轴和轴套黏连的原因。结果表明:该不锈 钢轴和轴套在装配时,操作人员未涂润滑脂,该轴和轴套配合间隙较小,在振动和旋转试验过程中, 轴和轴套间存在受力偏载现象,接触部位发生微动磨损,使氧化膜破裂,金属间直接接触,从而导致 轴和轴套发生黏连。

关键词:轴和轴套;05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢;黏连;磨损

中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)02-0067-04

05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢是一种典型的马氏体 型沉淀硬化不锈钢,含有较高的 Cr、Ni、Cu等合金 元素,其固溶时效处理后析出沉淀硬化相ε-Cu,并 在低碳马氏体基体中呈弥散分布,因此具有较高的 强度、硬度,又具有良好的塑性、韧性、耐蚀性和加工 性,可用于400 ℃以下要求抗氧化性以及耐弱酸、 碱、盐腐蚀,又要求高强度的工况,在航天航空、石油 化工、核 工 业 和 能 源 领 域 都 有 广 泛 的 应 用[1-3]。 05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢材料常用于加工紧固件、 轴类等工业零部件,相当于美国的17-4PH 沉淀硬 化不锈钢[4]。

某型飞机装备用05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢轴 和轴套经装配后,完成1次垂直振动和1次水平振 动各30min,再旋转30圈后,发现轴和轴套发生黏 连而无法旋转。笔者采用一系列理化检验方法对轴 和轴套的黏连原因进行分析,并采取改进措施,提升 装备质量。具体轴和轴套装配示意及宏观形貌如 图1所示。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

对黏连的轴和轴套用S500型直读光谱仪进行 化学成分分析,结果如表1所示。主要化学成分满足GB/T1220—2007《不锈钢棒》中对05Cr17Ni4Cu4Nb 钢的要求,表明产品未出现混料现象。

1.2 几何尺寸分析

对黏连的轴和轴套分别进行尺寸测量。选用微 米千 分 尺 对 轴 进 行 测 量,其 实 测 值 为 7.991~ 7.994mm,标准值为7.98~8.00mm;用不同规格 的塞棒对轴套进行测量,轴套内孔直径标准值为 8.005~8.020mm,选用8.005mm 的塞棒,勉强能 插入少许,用8.010mm的塞棒根本无法插入,表明 轴套内孔尺寸较小,处于标准值下限。

1.3 宏观观察和扫描电镜分析

对未经清洗的黏连轴和轴套在SZ2-ILST型显 微镜和EVO18型扫描电镜下观察,具体结果如图2 所示。

由图2可知:轴套表面支撑面局部存在轻微磨 损,轴表面黏连部位损伤较为严重;轴套表面仅部分 油漆脱落,轴套口部未见明显磨痕,黏连部位一面损 伤较为严重,相对面较轻,在试验过程中存在偏载现 象;轴套内部磨损痕迹离底部约为1.2mm,轴和轴 套底部未见接触痕迹,表面未见明显润滑痕迹;轴和 轴套黏连部位未见其他金属夹杂、夹渣及碎屑等,磨 损痕迹呈旋转形貌。

对轴和轴套黏连部位进行能谱分析(EDS),具 体分析结果如表2所示。轴和轴套黏连部位化学成 分均为05Cr17Ni4Cu4Nb材料元素成分,未见其他 外来杂质金属元素。

1.4 金相检验

对轴和轴套黏连部位取样,试样制备依据 GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》,腐蚀剂为4g 氯化铜+20ml盐酸+20ml水,对制备好的试样在光 学显微镜下进行观察,具体分析结果如图3所示。

由图3可知:轴和轴套黏连部位存在微裂纹和 碎屑,由于受力较大,显微组织呈挤压形貌;心部显 微组织均为回火索氏体+强化相+少量白色块状δ 铁素体,未见过热、过烧等冶金缺陷。

1.5 硬度测试

对轴和轴套心部在 TH300型数显洛氏硬度计 上进行硬度测试,试验方法按照GB/T230.1—2018 《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分:试验方法》,具 体结果如表3所示。轴和轴套的硬度均满足标准要 求,轴套硬度处于标准值下限。

对轴和轴套的黏连部位进行硬度梯度分析, 试验方法依据 GB/T4340.1—2009《金属材料 维 氏硬度试验 第1部分:试验方法》,试验载荷为 2.94N,保载时间为15s,从黏连部位每隔0.2mm 测试一点,试验设备为 TUKON1102型显微硬度 计,具体试验数据和趋势如图4所示。轴和轴套 黏连部位硬度达到最大,随着离黏连部位的距离 增大,硬度呈下降趋势,当深度大于0.8mm 时,硬 度趋于一致。

2 综合分析

黏连的轴和轴套化学成分符合材料标准要求; 轴尺寸满足标准要求,轴套尺寸处于标准值下限,导 致轴和轴套配合间隙较小;轴外表面和轴套内表面 呈光亮态,未见明显油脂等润滑物,黏连部位呈撕裂形貌,经能谱分析未见其他杂质金属,黏连损伤程度 不一致,表明试验过程中存在受力不均现象;黏连部 位的显微组织存在挤压变形特征,心部组织未见过 热、过烧等冶金缺陷,硬度未见明显异常,均符合标 准要求;黏连部位硬度最高,黏连导致变形组织深度 约为0.8mm。

通过轴和轴套黏连形貌可知,二者发生了磨损。 由磨损的机理[5-7]可知:两个相对接触且滑动的表面 在摩擦力的作用下,接触部分的润滑油膜、氧化膜等 被挤破,从而使两金属直接接触而发生黏连。由于 轴和轴套均为05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢,二者材料 相同,为沉淀硬化不锈钢,硬度范围一致,具有一定 的互溶性,具备磨损的条件[8]。由尺寸测量数据可 知,该轴和轴套配合间隙较小,且存在一定的偏载现 象,导致摩擦接触面积较大,在摩擦过程中产生的多 余物过早填充配合间隙,使摩擦进一步加剧。常采 用钝化来提升05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢表面的耐 蚀性[9],涂覆 MoS2 涂层来降低摩擦副之间的摩擦 力[10]。

综上所述,该轴和轴套由于尺寸间隙较小且 无有效润滑,在安装过程中可能存在不同轴现象, 由于材料为05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢,在空气中可 形成非常薄的氧化膜层[11]。在振动过程中,轴和 轴套接触部位发生微动磨损,使氧化膜层破裂,金 属基体相接触发生黏连,随着振动时间的延长,碎 屑进一步填塞缝隙,加剧了磨损进程。在振动后 旋转过程中,黏连现象持续发生,造成不锈钢完全 黏连而无法旋转。

4 结论及建议

(1)05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢轴和轴套配合间隙 较小,未见明显润滑现象,在振动和旋转试验过程中, 存在受力偏载现象,接触部位发生微动磨损,使氧化 膜破裂,金属直接接触,发生磨损进而无法旋转。

(2)建议在安装过程中规范操作,增加检查工 序,杜绝漏涂润滑脂现象;进一步增加防错设计,在 轴和轴套接触表面进行钝化和涂覆 MoS2 干膜润滑 剂,提升防腐和润滑性能。

(3)建议加工轴时选择在标准值的下限,而轴 套应选择在标准值的上限,进而增大轴和轴套的配 合间隙。

参考文献:

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