鍍鉻對8Cr4Mo4V鋼疲勞行為的影響

耿長建，邢丕臣，牛春興，滕佰秋，李曉欣

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

某型發動機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機構中，在軸承內圈裝配到低壓渦輪軸上與軸頸一起轉動。在航空發動機工作中，軸承的內外圈分別隨低渦軸和中央錐齒輪同時調整旋轉。如果軸承游隙過大、航空發動機振動大、滾動軸承噪聲大；軸承游隙過小、滾動軸承溫度升高、應力增大以至滾動體卡死，將會縮短軸承壽命。軸承由外圈、內圈、保持架、滾動體組成，是1個支撐軸并能使軸承旋轉的零件。軸承可分為滾動軸承和滑動軸承[1]。8Cr4Mo4V鋼是某型發動機軸承內圈的使用材料，在工作過程中承受較大的交變彎曲載荷或扭轉載荷的作用。為了控制軸承在工作狀態下的游隙，需對軸承進行鍍鉻。雖然國內外學者對鍍鉻工藝及其對材料力學行為的影響有一定研究[2-14]，但是鍍鉻對8Cr4Mo4V軸承鋼疲勞性能的影響研究，還少見相關的報道。

某型航空發動機在試車過程中軸承受損嚴重，該軸承內圈因設計需要帶有防轉銷槽（即帶缺口），并且為了控制軸承在工作狀態下的游隙，對該部件首次進行了鍍鉻工藝；為了研究軸承內圈用材料8Cr4Mo4V鋼力學性能對缺口及鍍鉻工藝的敏感性，本文在接近軸承內圈實際工作溫度200℃條件下，利用旋轉彎曲疲勞試驗研究了缺口及鍍鉻工藝對8Cr4Mo4V鋼旋轉彎曲疲勞強度的影響，為排故工作提供試驗數據支撐，最終為確保軸承的使用壽命，保證發動機安全可靠工作提供技術支持。

1 旋轉彎曲疲勞試驗

試驗溫度為200℃、保溫時間為30 min、高溫旋轉彎曲疲勞試驗頻率為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0.03～0.05 mm，鍍鉻工藝如下：

（1）預熱溫度：在49～53℃條件下，保溫為 2～8 min；

（2）陽極處理：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內將電流密度提高至70～75 A/dm2，然后將其轉變到45～50 A/dm2；時間隨鍍層厚度不同而不同。

鍍鉻后4 h以內除氫：將試樣置于140～160℃下的HH-20航空滑油中，時間為2h+15 min。

1.1 光滑試樣旋轉彎曲疲勞試驗

1.1.1 非鍍鉻試樣旋轉彎曲疲勞試驗

非鍍鉻試樣旋轉彎曲疲勞試驗結果見表1。

經計算光滑試樣中值疲勞極限：

1.1.2 鍍鉻試樣旋轉彎曲疲勞試驗

鍍鉻試樣旋轉彎曲疲勞試驗結果見表2。

表1 非鍍鉻試樣疲勞試驗結果

表2 鍍鉻試樣疲勞試驗結果

經過計算，鍍鉻試樣旋轉彎曲疲勞極限為540 MPa，相對于非鍍鉻試樣疲勞極限為860MPa，下降了37.2%，與文獻[15]結果相似。

非鍍鉻試樣、鍍鉻試樣的疲勞壽命-載荷曲線如圖3所示。從圖中可見，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以內。

1.2 缺口試樣旋轉彎曲疲勞試驗

1.2.1 非鍍鉻試樣旋轉彎曲疲勞試驗

缺口試樣旋轉彎曲疲勞試驗結果見表3。

表3 缺口試樣疲勞試驗結果

通過計算，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%，說明8Cr4Mo4V鋼缺口敏感性極強，該材料不適用于帶缺口構件的加工。

1.2.2 缺口鍍鉻試樣旋轉彎曲疲勞試驗

缺口鍍鉻試樣的旋轉彎曲疲勞試驗見表4。

表4 缺口鍍鉻試樣疲勞試驗結果

通過計算，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%，說明鍍鉻對缺口試樣疲勞極限影響極大，所以帶缺口的構件能用鍍鉻工藝來調整其工作游隙。

缺口試樣、缺口鍍鉻試樣的疲勞壽命-載荷曲線如圖4所示。從圖中可見，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

非鍍鉻試樣循環周次為5413982的斷口形貌如圖6所示。從圖6（b）中可見，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

鍍鉻試樣循環周次為5232的斷口形貌如圖7所示。在斷口處呈多處線源，起源于鍍層和基體界面處，沿鍍層和基體2個方向徑向擴展，如圖7（a）所示；在鍍層和基體均可見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展區，如圖7（e）所示；其他區域鍍層也可見疲勞特征，均從鍍層和基體界面起源，如圖 7（f）所示。

3 結論

（1）鍍鉻試樣旋轉彎曲疲勞極限為540 MPa，相比非鍍鉻試樣疲勞極限為860 MPa，下降了37.2%，鍍鉻對軸承內圈材料（8Cr4Mo4V）的旋轉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，該材料不適用于帶缺口構件的加工。

（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%，鍍鉻對缺口試樣疲勞強度影響極大，帶缺口的構件不能用鍍鉻工藝來調整其工作游隙。

（4）非鍍鉻試樣疲勞均起源于基體亞表面；在鍍鉻試樣中，循環周次較高的疲勞起源于基體亞表面，而循環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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