鍍鉻對(duì)8Cr4Mo4V鋼疲勞行為的影響

耿長(zhǎng)建，邢丕臣，牛春興，滕佰秋，李曉欣

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

某型發(fā)動(dòng)機(jī)軸承為外圈帶擋邊短圓柱滾子軸承，其外圈、保持架、滾棒裝配到中央錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，在軸承內(nèi)圈裝配到低壓渦輪軸上與軸頸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，軸承的內(nèi)外圈分別隨低渦軸和中央錐齒輪同時(shí)調(diào)整旋轉(zhuǎn)。如果軸承游隙過(guò)大、航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)大、滾動(dòng)軸承噪聲大；軸承游隙過(guò)小、滾動(dòng)軸承溫度升高、應(yīng)力增大以至滾動(dòng)體卡死，將會(huì)縮短軸承壽命。軸承由外圈、內(nèi)圈、保持架、滾動(dòng)體組成，是1個(gè)支撐軸并能使軸承旋轉(zhuǎn)的零件。軸承可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承[1]。8Cr4Mo4V鋼是某型發(fā)動(dòng)機(jī)軸承內(nèi)圈的使用材料，在工作過(guò)程中承受較大的交變彎曲載荷或扭轉(zhuǎn)載荷的作用。為了控制軸承在工作狀態(tài)下的游隙，需對(duì)軸承進(jìn)行鍍鉻。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鍍鉻工藝及其對(duì)材料力學(xué)行為的影響有一定研究[2-14]，但是鍍鉻對(duì)8Cr4Mo4V軸承鋼疲勞性能的影響研究，還少見(jiàn)相關(guān)的報(bào)道。

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在試車(chē)過(guò)程中軸承受損嚴(yán)重，該軸承內(nèi)圈因設(shè)計(jì)需要帶有防轉(zhuǎn)銷(xiāo)槽（即帶缺口），并且為了控制軸承在工作狀態(tài)下的游隙，對(duì)該部件首次進(jìn)行了鍍鉻工藝；為了研究軸承內(nèi)圈用材料8Cr4Mo4V鋼力學(xué)性能對(duì)缺口及鍍鉻工藝的敏感性，本文在接近軸承內(nèi)圈實(shí)際工作溫度200℃條件下，利用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)研究了缺口及鍍鉻工藝對(duì)8Cr4Mo4V鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度的影響，為排故工作提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，最終為確保軸承的使用壽命，保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠工作提供技術(shù)支持。

1 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)溫度為200℃、保溫時(shí)間為30 min、高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)頻率為5000 r/m。光滑試樣（表面粗糙度為0.32）、缺口試樣（表面粗糙度為0.32）均由同一熔批8Cr4Mo4V鋼加工，其尺寸分別如圖1、圖2所示。

鍍層厚度當(dāng)0.03～0.05 mm，鍍鉻工藝如下：

（1）預(yù)熱溫度：在49～53℃條件下，保溫為 2～8 min；

（2）陽(yáng)極處理：在49～-53℃條件下，保溫為0.5～1 min；

（3）鍍鉻：在 49～53℃條件下，在 1～2 min內(nèi)將電流密度提高至70～75 A/dm2，然后將其轉(zhuǎn)變到45～50 A/dm2；時(shí)間隨鍍層厚度不同而不同。

鍍鉻后4 h以?xún)?nèi)除氫：將試樣置于140～160℃下的HH-20航空滑油中，時(shí)間為2h+15 min。

1.1 光滑試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

1.1.1 非鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

非鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

經(jīng)計(jì)算光滑試樣中值疲勞極限：

1.1.2 鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 非鍍鉻試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果

表2 鍍鉻試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算，鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限為540 MPa，相對(duì)于非鍍鉻試樣疲勞極限為860MPa，下降了37.2%，與文獻(xiàn)[15]結(jié)果相似。

非鍍鉻試樣、鍍鉻試樣的疲勞壽命-載荷曲線(xiàn)如圖3所示。從圖中可見(jiàn)，鍍鉻試樣的疲勞壽命、疲勞極限均明顯低于非鍍鉻試樣，并且部分試樣的疲勞壽命分布在104以?xún)?nèi)。

1.2 缺口試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

1.2.1 非鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

缺口試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 缺口試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)計(jì)算，缺口試樣疲勞極限為310 MPa，與非鍍鉻試樣疲勞極限860 MPa相比降低了70%，說(shuō)明8Cr4Mo4V鋼缺口敏感性極強(qiáng)，該材料不適用于帶缺口構(gòu)件的加工。

1.2.2 缺口鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

缺口鍍鉻試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)見(jiàn)表4。

表4 缺口鍍鉻試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)計(jì)算，缺口鍍鉻試樣的疲勞極限為95 MPa，相比缺口非鍍鉻試樣疲勞極限為310 MPa，下降了69.4%，說(shuō)明鍍鉻對(duì)缺口試樣疲勞極限影響極大，所以帶缺口的構(gòu)件能用鍍鉻工藝來(lái)調(diào)整其工作游隙。

缺口試樣、缺口鍍鉻試樣的疲勞壽命-載荷曲線(xiàn)如圖4所示。從圖中可見(jiàn)，缺口鍍鉻試樣的疲勞壽命、疲勞極限均明顯低于缺口試樣。

2 分析與討論

2.1 非鍍鉻試樣斷口形貌

非鍍鉻試樣循環(huán)周次為5413982的斷口形貌如圖6所示。從圖6（b）中可見(jiàn)，該疲勞為單源疲勞，其裂紋起源于基體亞表面，距表面約為40μm。

2.2 鍍鉻試樣斷口形貌

鍍鉻試樣循環(huán)周次為5232的斷口形貌如圖7所示。在斷口處呈多處線(xiàn)源，起源于鍍層和基體界面處，沿鍍層和基體2個(gè)方向徑向擴(kuò)展，如圖7（a）所示；在鍍層和基體均可見(jiàn)大量的疲勞條帶特征，如圖7（b）～（d）所示；其余大部分面積均為快速擴(kuò)展區(qū)，如圖7（e）所示；其他區(qū)域鍍層也可見(jiàn)疲勞特征，均從鍍層和基體界面起源，如圖 7（f）所示。

3 結(jié)論

（1）鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限為540 MPa，相比非鍍鉻試樣疲勞極限為860 MPa，下降了37.2%，鍍鉻對(duì)軸承內(nèi)圈材料（8Cr4Mo4V）的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命有較大影響。

（2）缺口試樣疲勞極限為310 MPa，相比非鍍鉻試樣疲勞極限為860 MPa，降低了70%，8Cr4Mo4V鋼缺口敏感性極強(qiáng)，該材料不適用于帶缺口構(gòu)件的加工。

（3）缺口鍍鉻試樣的疲勞極限為95 MPa，相比缺口非鍍鉻試樣疲勞極限為310 MPa，下降了69.4%，鍍鉻對(duì)缺口試樣疲勞強(qiáng)度影響極大，帶缺口的構(gòu)件不能用鍍鉻工藝來(lái)調(diào)整其工作游隙。

（4）非鍍鉻試樣疲勞均起源于基體亞表面；在鍍鉻試樣中，循環(huán)周次較高的疲勞起源于基體亞表面，而循環(huán)周次較低的疲勞起源于鍍鉻層或基體與鍍鉻層界面。

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