滾壓處理對核主泵軸套耐磨性能的影響

譚俊哲， 李連海， 田云， 王學宇， 姚景文， 張玉金

(沈陽鼓風機集團核電泵業(yè)有限公司,沈陽 110869)

0 前言

核主泵是壓水堆核電站中關(guān)鍵的一回路設(shè)備之一，是核島內(nèi)唯一的旋轉(zhuǎn)設(shè)備。軸套是軸承核心摩擦副之一，它的作用是保護泵軸，防止液體對軸的腐蝕和軸不直接與填料產(chǎn)生摩擦以及為軸承提供動壓效應(yīng)所需的旋轉(zhuǎn)角速度。軸套浸泡于高溫高壓強腐蝕反應(yīng)堆冷卻劑中，這就要求軸套外表面光潔度質(zhì)量非常高，以達到軸承處于液膜潤滑狀態(tài)；同時為減少在干摩擦狀態(tài)下軸承的磨損量，要求軸套表面硬度必須達到摩擦配對副使用要求，因此采用表面滾壓的方式來達到設(shè)計要求[1-2]。

滾壓加工工藝就是利用金屬在常溫狀態(tài)下的冷塑性的特點，用硬質(zhì)、光滑的滾輪或滾珠在零件材料表面滾動的同時，向表面施加一定的壓力，促使零件表層金屬發(fā)生彈塑性變形，提高表面光潔度、硬度及強度，從而達到改善零件耐磨性能的作用[3-4]。目前，國內(nèi)研究主要集中于內(nèi)孔和外圓的表面加工、齒輪輪齒的滾壓光整加工、螺紋的滾壓加工。劉冶華等人[5]研究了18CrNiMo7-6齒輪鋼超聲滾壓后表面變質(zhì)層的性能，經(jīng)超聲滾壓后表面硬度及光潔度顯著提高；蔡衛(wèi)星等人[6]提出了表面滾壓技術(shù)應(yīng)用于提高鐵路車軸疲勞性能的可行性,詳細論述了滾壓強化技術(shù)的原理及應(yīng)用現(xiàn)狀；趙坤[7]分析和研究了表面鈉米化對金屬材料的耐磨性的影響，通過在材料表面對納米的結(jié)構(gòu)表層進行制定,進而對金屬材料的耐磨性作一提高；辛超等人[8]采用表面機械滾壓對退火態(tài)Zr-4合金進行表面納米化處理并對其微觀組織和力學性能開展了系統(tǒng)研究，經(jīng)滾壓處理后,表層顯微硬度、屈服強度和抗拉強度顯著提高。但此方法在核主泵薄壁軸套零件的加工中首次應(yīng)用，國內(nèi)相應(yīng)技術(shù)還處于空白階段。

文中主要是對軸套用馬氏體不銹鋼0cr13Ni4Mo滾壓加工后強化層的微觀組織結(jié)構(gòu)、組織演變規(guī)律、摩擦磨損性能進行評價及表征，為核主泵的自主研發(fā)及知識產(chǎn)權(quán)的形成奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用材料為核主泵軸套用馬氏體不銹鋼0cr13Ni4Mo，其化學成分如表1所示。采用的滾壓加工外圓表面。

1.2 檢測方法

將樣品采用電火花線切割成不同的尺寸，對樣品截面使用60，120，360，600，800，1 000，1 200，1 500，2 000號SiC耐水砂紙依次進行打磨，打磨結(jié)束后采用2.5 μm的金剛石水溶性研磨膏進行機械拋光。將試樣采用15 mL鹽酸+1 g苦味酸+100 mL無水乙醇腐蝕劑進行腐蝕，腐蝕時間為1 min，然后采用HITACHI SU8010型號SEM，對樣品組織進行觀察。采用MicroXAM-3D型表面輪廓儀對樣品進行表面粗糙度表征。

表1 0Cr13Ni4Mo不銹鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)

采用電子背散射衍射(EBSD)分析基材和滾壓樣品的晶粒尺寸和分布特征。將滾壓樣品采用線切割將樣件切割成5 mm×5 mm×3 mm的樣塊，然后滾壓層表面用1 500和2 000號SiC耐水23砂紙進行精打磨，而后采用1.5 μm的金剛石水溶性研磨膏進行機械拋光，再采用納米SiO2懸浮液振動拋光5 min，去除表面機械拋光應(yīng)力層，以備EBSD分析。該試驗采用的EBSD系統(tǒng)包括掃描電鏡(ZEISS Merlin公司生產(chǎn))和Noedlys Nano型附件，滾壓樣品組織形貌分析采用Channel 5軟件包進行數(shù)據(jù)采集和處理。

用HVS-1000型維氏硬度計測試其顯微硬度分布，法向載荷10 g，加載時間10 s。為了得到材料表層顯微硬度與表層距離的關(guān)系，但由于硬化層的深度較小，避免在測量時兩個硬度點之間的相互影響，采用如圖1的硬度測量方式。

利用MFT-4000型多功能材料表面性能試驗儀進行摩擦磨損測試，上摩擦副為直徑6 mm的GCr15鋼球，下摩擦副為馬氏體不銹鋼滾壓樣品小塊。摩擦磨損試驗參數(shù)為法向加載載荷為10 N，往復速度為120 mm/min，往復行程為7 mm，磨損時間為45 min。設(shè)備在磨損過程中自動記錄試驗數(shù)據(jù)，獲得摩擦系數(shù)曲線，評價材料的摩擦磨損性能。

圖1 顯微硬度測量示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 滾壓加工表面形貌及粗糙度

零件表面越粗糙，配合表面間的有效接觸面積越小，壓強越大，耐磨性就越差[9]。基材和滾壓加工后的SEM微觀形貌和白光干涉表面形貌如圖2所示，由圖中可以看出，基體表面溝壑比較密集，峰谷之間差值較大，而且條紋比較細，而滾壓加工后的表面形貌較磨削表面平整，峰谷差值變小，條紋變寬?；w和滾壓加工后的粗糙度如表2所示，表中的數(shù)值與微觀表面形貌顯示相一致?；w表面粗糙度大概是滾壓表面粗糙度的4～5倍。在滾壓的過程中，被滾壓表面材料發(fā)生塑性變形，波峰被碾平，材料被填入到低凹的波谷中，表面變得十分光滑，粗糙度變小。

圖2 磨削及滾壓試樣表面形貌

表2 基體和滾壓加工后表面粗糙度

2.2 滾壓層晶粒度

基體和滾壓層的電子背散射衍射組織形貌及晶粒尺寸分布圖如圖3所示。不同顏色代表不同晶粒尺寸的分布，顏色越深說明某一區(qū)間大尺寸晶粒比例越高，紅色表示晶粒尺寸相差最大，藍色最小。由圖可以看出，滾壓層的組織與基體相比明顯細化，晶粒尺寸減小，而且晶粒尺寸比較均勻。基體和滾壓層的EBSD分析晶粒尺寸柱狀圖如圖4所示，滾壓層尺寸為1 μm的小晶粒滾壓層的組織與基體相比明顯細化，晶粒尺寸減小，而且晶粒尺寸比較均勻，由圖4可以看出，滾壓層尺寸為1 μm的小晶粒占比明顯增加，在一定區(qū)域內(nèi)占比由基體的62%左右增加到75%左右，2～5 μm晶粒數(shù)量占比也明顯高于基體[10]。細化晶粒是增加表面強度和硬度的重要方法之一，因此經(jīng)滾壓后，材料的耐磨性與基體相比會明顯增高。

2.3 滾壓層的顯微硬度

試樣截面顯微硬度的分布圖如圖5所示。由圖可以直觀看出，隨著距滾壓層表面距離的增大，硬度逐漸降低，直到接近基體硬度趨于平緩。表面最高硬度經(jīng)測量可達到550 HV，基體硬度大概在260 HV左右，即經(jīng)滾壓后表面硬度提高大約2.2倍。這是由于在滾壓的過程中，材料表面發(fā)生塑性變形，晶體產(chǎn)生了剪切和滑移，致使晶格嚴重扭曲變形，并使晶粒拉長、破碎及纖維化[11]，促使材料表面的硬度和強度明顯提高，也就是產(chǎn)生了冷作硬化現(xiàn)象，從而提高了材料表面的耐磨性[12-14]。

圖3 基體和滾壓層的EBSD形貌及晶粒尺寸分布圖

圖4 基體和滾壓表面晶粒尺寸柱狀圖

圖5 試樣截面顯微硬度的分布圖

2.4 滾壓層的摩擦磨損性能

基體和滾壓層的摩擦系數(shù)曲線如圖6所示。由圖中可觀察到，摩擦系數(shù)都是先大幅度增加然后趨于平緩，且基體的摩擦系數(shù)要大于滾壓層，波動程度也較滾壓層大。這是由于在磨損的初始階段，摩擦副要經(jīng)過一段時間的磨合期，當磨損條件穩(wěn)定后，摩擦系數(shù)就會趨于平緩，也就說明表面相對平整，即粗糙度小。而對于粗糙度相對越小的試樣磨合期就會越短，而粗糙度相對越大的試樣磨合期就會越長，即圖中基體的磨合期大概10 min左右，而滾壓表面的磨合期只有1 min，也就是摩擦系數(shù)曲線由上升過渡到平緩的時間非常短。研究發(fā)現(xiàn)，磨合期越短的樣品摩擦系數(shù)越小，耐磨性就越好[15]。

圖6 基體和滾壓層的摩擦系數(shù)

3 結(jié)論

文中研究了滾壓對馬氏體不銹鋼ASTM A743 S41500的耐磨性的影響，得出如下結(jié)論。

(1)試樣經(jīng)滾壓后，表面粗糙度降低，大概為基體的1/4～1/5，粗糙度的降低會提高軸套材料的耐磨性。

(2)試樣經(jīng)滾壓后，滾壓層晶粒細化，小尺寸晶粒比例增大，硬度顯著提高，大概為基體硬度的2.2倍，提高了軸套材料的耐磨性；

(3)試樣經(jīng)滾壓后，滾壓層的摩擦系數(shù)降低，即軸套表面耐磨性提高。