0Cr17Ni4Cu4Nb鋼零件耐磨強化工藝研究

于耀華

上海第一機床廠有限公司 上海 201308

1 研究背景

0Crl7Ni4Cu4Nb不銹鋼是在18-8型奧氏體不銹鋼基礎上發展起來的一種典型馬氏體沉淀硬化不銹鋼,在核反應堆中被廣泛應用于包括控制棒驅動機構驅動桿在內的部分重要結構件[1-3]。

基于前期表面強化研究工作的結果,筆者將0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼作為基材,對其進行表面激光強化處理、電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化處理,并利用控制棒驅動機構實物在反應堆高溫高壓工況模擬環境下開展一系列耐磨試驗,通過試驗研究0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼零件在表面耐磨強化處理前后的磨損情況及不同表面耐磨強化工藝對工程使用的影響。研究結果可以為0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼零件的后續工程應用提供決策依據。

2 試驗材料

試驗基體材料選用0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼,采購于東北特鋼集團撫順特殊鋼股份有限公司,交貨狀態為退火態,直徑為40 mm,化學成分要求及實測數據見表1。材料經1 050 ℃±10 ℃保溫90 min后油淬固溶處理,采取510 ℃±10 ℃保溫90 min后空冷時效處理制度,時效處理后力學性能及要求見表2。

表1 0Cr17Ni4Cu4Nb鋼化學成分

表2 0Cr17Ni4Cu4Nb鋼力學性能

3 耐磨強化工藝參數

3.1 激光強化

激光強化處理采用的設備為釹釔鋁石榴子石脈沖激光器,工藝參數見表 3,采用干冰間隔冷卻預處理方式[4]。

表3 激光強化工藝參數

3.2 離子鍍TiN多層復合薄膜強化

TiN多層復合薄膜制備設備為等離子增強物理氣相沉積設備,TiN涂層具體制備工藝參數見表4[5]。

4 試驗機構

為對比0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼表面鍍膜前后在工程實踐中的磨損情況,從試驗便利性角度出發,選取一種絲杠螺母型控制棒驅動機構作為試驗機構[6]。試驗機構中的運動部件主要由絲杠和螺母組成,在螺母上均布四個三齒環槽結構的滾子,分別與絲杠槽形實現嚙合,如圖1所示。在外部電磁力驅動下,螺母帶動滾子繞絲杠作旋轉運動,進而帶動絲杠與負載進行直線運動。

表4 TiN涂層制備工藝參數

圖1 滾子與絲杠嚙合

5 試驗方案

通過試驗驗證0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼零件在不同強化工藝下的磨損情況[7],試驗結合控制棒驅動機構實物在反應堆高溫高壓模擬環境下進行,主要試驗參數見表5,試驗介質為去離子水。

表5 主要試驗參數

試驗依托上海第一機床廠有限公司自有的控制棒驅動機構專用試驗臺架進行,這一臺架可以提供試驗對象運行的環境溫度、壓力、負載等條件,配置機構專用接口[8]。

試驗用滾子基體材料為0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼,分別按三種表面狀態,即未經表面強化處理、表面激光強化處理、表面電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化處理進行試驗,每種狀態滾子數量均為4個。試驗過程中,滾子繞絲杠作速度恒定、按照一定周期變化旋轉方向的旋轉運動,帶動絲杠與負載在一定長度的絲杠范圍內進行周期性往返直線運動。

鑒于摩擦振動是摩擦系統輸出的重要特征信息之一,試驗臨近結束時,通過VIB-4a電腦振動噪聲測量儀和8860-50八通道儲存記錄儀,定性觀察對比三種不同表面狀態滾子的磨損及運行情況。試驗結束后,通過檢測三種不同表面狀態滾子的磨損情況,借助數據分析確定不同耐磨強化工藝的應用范圍,為后續工程應用提供依據[9-10]。

滾子零件為環槽結構的回轉體,試驗過程中始終處于旋轉狀態,因此其受力面磨損量可以通過局部或剖面的磨損量進行檢測。絲杠零件齒形雖為螺旋線走向,但考慮到工作狀況與滾子零件類似,仍可借鑒滾子零件的檢測方法。

由于試驗后的滾子和絲杠零件仍可繼續進行其它試驗研究,而一旦剖解則零件已經被破壞,實際上不利于后續工作,因此檢測時宜采用無損或非接觸的方法。

本次試驗磨損量通過施泰力400系列投影檢測儀進行檢測,通過光學投影的原理使試樣輪廓投影至屏幕上,從而將三維試樣轉變為二維平面再進行測量,如圖2所示。這一方法具有測量速度快、效率高、精度可達0.5μm的優點。

從研究零件是否耐磨強化的角度出發,準確測定滾子與絲杠工作接觸表面的磨損量是后續數據分析的基礎,也是投影檢測的重點。表面磨損量檢測如圖3所示。

圖2 投影檢測儀檢測

圖3 表面磨損量檢測

6 試驗結果分析

6.1 硬度與厚度

采取干冰間隔冷卻預處理方式的激光強化層維氏硬度(HV)可達480～520,厚度為0.40～0.50 mm。采取Ti單層沉積3 min、TiN單層沉積17 min、薄膜復合層數為6層工藝參數制備的Ti/TiN多層復合薄膜的厚度為0.003 mm左右,顯微維氏硬度(HV)達到2 700以上。

6.2 滾子磨損量

根據試驗方案和檢測方法,三種不同表面狀態的滾子零件在高溫高壓工況下分別單獨帶動負載運行了20萬轉左右。將滾子零件單獨拆卸后,利用投影檢測儀測量滾子受力面的磨損量,未進行表面強化處理的滾子受力面磨損量見表6,表面激光強化處理的滾子受力面磨損量見表7,表面電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化處理的滾子受力面磨損量見表8。表面激光強化處理和表面電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化處理的滾子試驗前后表面狀態如圖4所示。

三種不同表面狀態滾子零件的受力面磨損量對比如圖5所示。

同樣經過高溫高壓工況下約20萬轉的實物運行試驗,未經表面強化處理的滾子受力面磨損量最大,電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化處理的滾子受力面磨損量最小,表面激光強化處理的滾子受力面磨損量介于兩者之間。

未經表面強化處理的滾子,三個受力面磨損量平均值分別為0.259 mm、0.248 mm、0.238 mm。表面激光強化處理的滾子,三個受力面磨損量平均值分別為0.180 mm、0.175 mm、0.170 mm,磨損量為未經表面強化處理的69.6%、70.6%、71.1%。表面電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化處理的滾子,三個受力面磨損量平均值分別為0.037 mm、0.034 mm、0.031 mm,磨損量為未經表面強化處理的14.2%、13.5%、12.9%。

表6 未進行表面強化處理滾子受力面磨損量 mm

表7 表面激光強化處理滾子受力面磨損量 mm

表8 電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化處理滾子受力面磨損量 mm

任意一個滾子零件上三個齒形的磨損量從上到下依次減小,這一狀況與滾子和絲杠的初始嚙合狀態,尤其是兩者之間的游隙有關。當然,這并不影響表面激光強化處理和表面電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化處理的橫向對比結果。

表面激光強化處理的滾子,從上到下三個受力面磨損量相對未經表面強化處理的比值逐步升高,但表面電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化處理的滾子,從上到下三個受力面磨損量相對未經表面強化處理的比值卻逐步降低,說明表面電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化處理在有效提高零件局部耐磨性能的同時,對減少磨損、提升整體耐磨性能也有明顯影響。

6.3 絲杠磨損量

在實際工程應用中,雖然可以通過增大摩擦副的硬度差來達到提高耐磨性、延長耐磨壽命的目的,但是一味增大硬度差可能會引發新的問題,并最終縮短摩擦副的使用壽命。

試驗時,筆者借助對絲杠磨損量的檢測來研究0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼通過表面強化工藝提高耐磨性能后對配對摩擦副的影響。鑒于絲杠在一定區間內作直線往返運行,絲杠磨損量的測定位置選擇絲杠運行區間中點附近的五個受力齒形面。試驗中,五個受力齒形面的磨損量見表9。

配對三種不同表面狀態的滾子,絲杠受力面磨損量幾無差異,這與絲杠在一定區間內作直線往返運行,受力齒形數量遠超滾子,磨損量相對分散有關。

表9 絲杠受力面磨損量 mm

嚴格對絲杠受力面磨損量進行比較,表面電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化處理滾子配對絲杠的磨損量相對較小,這與TiN多層復合薄膜可以有效減小接觸表面摩擦因數,顯著改善體系的磨損性能有關。

6.4 運行振動

試驗即將結束時,對比安裝有三種不同表面狀態滾子零件的控制棒驅動機構的運行振動信號,如圖6所示。

圖6 控制棒驅動機構運行振動信號

顯然,在不考慮其它外界因素影響的前提下,安裝電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化處理滾子零件的控制棒驅動機構運行最為平穩,振動信號無明顯階躍。安裝未經表面強化處理滾子零件的控制棒驅動機構,運行雖保持平穩,但振動信號出現明顯波動,說明運行振動信號與滾子摩擦狀況密切相關,這為后續實時或在線監測類似結構零件的磨損狀態提供了新的研究方向和思路。

7 工程應用

根據試驗結果分析,0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼零件表面經激光強化處理后,耐磨性能較基體材料有所提升,但激光強化層硬度提升空間有限,直接應用于工程仍存較大風險。0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼表面經電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化處理后,表面顯微硬度明顯優于基體材料和經激光強化處理的零件,零件耐磨性能得到極大提升,但TiN多層復合薄膜厚度較小,一旦薄膜磨損完畢后,零件仍等同于基體材料,磨損量將較大。

基于以上分析,實際工程應用時,采取了激光強化和電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化相結合的復合強化工藝。采用這一復合強化工藝,產品經壽命試驗驗證,確認可以滿足工程要求。復合強化工藝流程如圖7所示。

值得注意的是,任何表面耐磨強化工藝都是在材料自身無法滿足使用要求的基礎上發展而來的,合適的材料才是支撐和保證核反應堆安全性的前提。因此,只有使包括材料科學在內的基礎工業得到長足發展,我國才能真正從制造業大國邁向制造業強國。

圖7 復合強化工藝流程

8 結束語

在高溫高壓工況下,激光強化和電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化均可有效提高0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼零件的耐磨性能。其中,電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化效果更佳。

激光強化和電弧離子鍍TiN多層復合薄膜強化單獨應用于工程仍然存在一定隱患,實際工程中采用兩者相結合的復合強化工藝,可以進一步提升0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼零件材料的耐磨性能,延長其使用壽命。通過控制棒驅動機構產品壽命試驗,確認復合強化工藝滿足工程要求。

試驗時控制棒驅動機構的振動信號監測結果為包括磨損狀態實時及在線監測在內的后續工作提供了研究方向。