镀铬对8Cr4Mo4V钢疲劳行为的影响

耿长建，邢丕臣，牛春兴，滕佰秋，李晓欣

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引言

某型发动机轴承为外圈带挡边短圆柱滚子轴承，其外圈、保持架、滚棒装配到中央锥齿轮传动机构中，在轴承内圈装配到低压涡轮轴上与轴颈一起转动。在航空发动机工作中，轴承的内外圈分别随低涡轴和中央锥齿轮同时调整旋转。如果轴承游隙过大、航空发动机振动大、滚动轴承噪声大；轴承游隙过小、滚动轴承温度升高、应力增大以至滚动体卡死，将会缩短轴承寿命。轴承由外圈、内圈、保持架、滚动体组成，是1个支撑轴并能使轴承旋转的零件。轴承可分为滚动轴承和滑动轴承[1]。8Cr4Mo4V钢是某型发动机轴承内圈的使用材料，在工作过程中承受较大的交变弯曲载荷或扭转载荷的作用。为了控制轴承在工作状态下的游隙，需对轴承进行镀铬。虽然国内外学者对镀铬工艺及其对材料力学行为的影响有一定研究[2-14]，但是镀铬对8Cr4Mo4V轴承钢疲劳性能的影响研究，还少见相关的报道。

某型航空发动机在试车过程中轴承受损严重，该轴承内圈因设计需要带有防转销槽（即带缺口），并且为了控制轴承在工作状态下的游隙，对该部件首次进行了镀铬工艺；为了研究轴承内圈用材料8Cr4Mo4V钢力学性能对缺口及镀铬工艺的敏感性，本文在接近轴承内圈实际工作温度200℃条件下，利用旋转弯曲疲劳试验研究了缺口及镀铬工艺对8Cr4Mo4V钢旋转弯曲疲劳强度的影响，为排故工作提供试验数据支撑，最终为确保轴承的使用寿命，保证发动机安全可靠工作提供技术支持。

1 旋转弯曲疲劳试验

试验温度为200℃、保温时间为30 min、高温旋转弯曲疲劳试验频率为5000 r/m。光滑试样（表面粗糙度为0.32）、缺口试样（表面粗糙度为0.32）均由同一熔批8Cr4Mo4V钢加工，其尺寸分别如图1、图2所示。

镀层厚度当0.03～0.05 mm，镀铬工艺如下：

（1）预热温度：在49～53℃条件下，保温为 2～8 min；

（2）阳极处理：在49～-53℃条件下，保温为0.5～1 min；

（3）镀铬：在 49～53℃条件下，在 1～2 min内将电流密度提高至70～75 A/dm2，然后将其转变到45～50 A/dm2；时间随镀层厚度不同而不同。

镀铬后4 h以内除氢：将试样置于140～160℃下的HH-20航空滑油中，时间为2h+15 min。

1.1 光滑试样旋转弯曲疲劳试验

1.1.1 非镀铬试样旋转弯曲疲劳试验

非镀铬试样旋转弯曲疲劳试验结果见表1。

经计算光滑试样中值疲劳极限：

1.1.2 镀铬试样旋转弯曲疲劳试验

镀铬试样旋转弯曲疲劳试验结果见表2。

表1 非镀铬试样疲劳试验结果

表2 镀铬试样疲劳试验结果

经过计算，镀铬试样旋转弯曲疲劳极限为540 MPa，相对于非镀铬试样疲劳极限为860MPa，下降了37.2%，与文献[15]结果相似。

非镀铬试样、镀铬试样的疲劳寿命-载荷曲线如图3所示。从图中可见，镀铬试样的疲劳寿命、疲劳极限均明显低于非镀铬试样，并且部分试样的疲劳寿命分布在104以内。

1.2 缺口试样旋转弯曲疲劳试验

1.2.1 非镀铬试样旋转弯曲疲劳试验

缺口试样旋转弯曲疲劳试验结果见表3。

表3 缺口试样疲劳试验结果

通过计算，缺口试样疲劳极限为310 MPa，与非镀铬试样疲劳极限860 MPa相比降低了70%，说明8Cr4Mo4V钢缺口敏感性极强，该材料不适用于带缺口构件的加工。

1.2.2 缺口镀铬试样旋转弯曲疲劳试验

缺口镀铬试样的旋转弯曲疲劳试验见表4。

表4 缺口镀铬试样疲劳试验结果

通过计算，缺口镀铬试样的疲劳极限为95 MPa，相比缺口非镀铬试样疲劳极限为310 MPa，下降了69.4%，说明镀铬对缺口试样疲劳极限影响极大，所以带缺口的构件能用镀铬工艺来调整其工作游隙。

缺口试样、缺口镀铬试样的疲劳寿命-载荷曲线如图4所示。从图中可见，缺口镀铬试样的疲劳寿命、疲劳极限均明显低于缺口试样。

2 分析与讨论

2.1 非镀铬试样断口形貌

非镀铬试样循环周次为5413982的断口形貌如图6所示。从图6（b）中可见，该疲劳为单源疲劳，其裂纹起源于基体亚表面，距表面约为40μm。

2.2 镀铬试样断口形貌

镀铬试样循环周次为5232的断口形貌如图7所示。在断口处呈多处线源，起源于镀层和基体界面处，沿镀层和基体2个方向径向扩展，如图7（a）所示；在镀层和基体均可见大量的疲劳条带特征，如图7（b）～（d）所示；其余大部分面积均为快速扩展区，如图7（e）所示；其他区域镀层也可见疲劳特征，均从镀层和基体界面起源，如图 7（f）所示。

3 结论

（1）镀铬试样旋转弯曲疲劳极限为540 MPa，相比非镀铬试样疲劳极限为860 MPa，下降了37.2%，镀铬对轴承内圈材料（8Cr4Mo4V）的旋转弯曲疲劳寿命有较大影响。

（2）缺口试样疲劳极限为310 MPa，相比非镀铬试样疲劳极限为860 MPa，降低了70%，8Cr4Mo4V钢缺口敏感性极强，该材料不适用于带缺口构件的加工。

（3）缺口镀铬试样的疲劳极限为95 MPa，相比缺口非镀铬试样疲劳极限为310 MPa，下降了69.4%，镀铬对缺口试样疲劳强度影响极大，带缺口的构件不能用镀铬工艺来调整其工作游隙。

（4）非镀铬试样疲劳均起源于基体亚表面；在镀铬试样中，循环周次较高的疲劳起源于基体亚表面，而循环周次较低的疲劳起源于镀铬层或基体与镀铬层界面。

[1]武晓龙，别忠义.某型发动机三支点轴承装配游隙的调整方法[J].机械工程师，2014（11）：255-256.WU Xiaolong,BIE Zhongyi.Clearance adjustment method of 3-pivot bearing in an aero-engine[J].Mechanical Engineering,2014（11）:255-256.（in Chinese)

[2]Luca Nobili,Luca Magagnin.DLC coatings for hydraulic applications[J].Trans.Nonferrous Met.Soc.China,2009（19）:810-813.

[3]包俊成，赵捷，王志奇，等.表面强化对30CrMnSiA钢疲劳性能的影响[J].机械工程材料，2010，34（6）：71-73.BAO Juncheng，ZHAO Jie，WANG Zhiqi，et al.Influence of surface strengthening on fatigue property of 30CrMnSiA steel[J].Materials for Mechanical Engineering,2010,34（6）:71-73.（in Chinese)

[4]叶斌，卢继光，邵渭贤.表面强化销轴农用滚子链的磨损试验研究[J].链传动专题，2012，36（1）：54-56.YE Bin,LU Jiguang,SHAO Weixian.Study on wear test of agriculture roller chain with surface strengthening pin[J].The Dissertation of Chain Drive,2012,36（1）:54-56.（in Chinese)

[5]黄进峰，连勇，张程，等.不同表面处理条件下身管烧蚀研究[J].北京科技大学学报，2014，36（3）：323-327.HUANG Jinfeng,LIAN Yong,ZHANG Cheng,et al.Study on erosion of gun barrels with different surface treatments[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2014,36（3）：323-327.（in Chinese)

[6]王宗雄，王超，彭海泉，等.镀铬工艺的应用及相关配方介绍[J].表面工程与再制造,2016,16（5）:25-27.WANG Zongxiong,WANG Chao,PENG Haiquan,et al.The application of chroming and introduction of distribution[J].Surface Engineering&Remanufacturing,2016,16（5）:25-27.（in Chinese)

[7]王荣，冯金善,苏顺.高强度钢制轴类零件加工制造中开裂原因分析与工艺改进[J].理化检验 - 物理分册，2005，41（4）：175-178.WANG Rong,FENG Jinshan,SU Sun.Analysis of cracking resulted during machining axle pins for aircraft landing gears and technique improvement process[J].PACT (part:a Phys.Test)，2005,41（4）:175-178.（in Chinese)

[8]龚煌辉.高强度钢制轴类零件加工制造中开裂原因分析与工艺改进[J].时代农机，2015，42（9）：47-49.GONG Huanghui.An analysis of causes resulting in cracking of high strength steel axle parts in manufacturing process and process improvement[J].Times Agricultural Machinery,2015,42（9）：47-49.（in Chinese)

[9]李毅，冯坤.工程机械常用销轴磨损失效分析[J].失效分析与预防，2013，8（6）：376-379.LI Yi，FENG Kun.Wear failure analysis on dowel of hydraulic grab[J].Analysis and Prevenience of Failure,2013,8（6）:376-379.（in Chinese)

[10]孙韶，刘强宪，夏禹，等.活塞环表面镀铬与激光微织构的复合工艺研究[J].广西大学学报，2016，4（5）：1413-142.SUN Shao,LIU Qiangxian,XIA Yu,et al.Research on composite process of chromium plating and laser surface texturing of piston ring running face [J].Journal of Guangxi University,216,4（5）：1413-1421.（in Chinese)

[11]杜战雄.活塞环镀铬针孔原因分析与预防 [J].内燃机配件，2005（3）：26-27.DU Zhanxiong.Analysis on causes of pinhole for chromeplated piston ring and prevention measure[J].Internal Combustion Engine Parts,2005（3）:26-27.（in Chinese)

[12]张继.镀铬技术在活塞环槽表面处理中的应用研究[D].大连:大连海事大学,2014.ZHANG Ji.Application study for chrome plating on ring grooves surface of piston crown[D].Dalian:Dalian Maritime University,2014.（in Chinese)

[13]李世杰.应变速率和除氢对镀铬和镀Cd-Ti后的GC-4钢氢脆特性的影响[J].中国电子技术学报，1994（9）：25-27.LI Shijie.Strain rate and hydrogen removing after plating Cr and Cd-Ti imposed effect on GC-4 steel hydrogen embrittelmental characteristic[J].China Academic Journal Electronic Publishing House,1994（9）:25-27.（in Chinese)

[14]张旭.直八直升机发动机传动系部件表面镀铬工艺与理论研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007.ZHANG Xu.Technology and theory research on chrome-plating of transmission system component of helicopter Z8 engine[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2007.（in chinese)

[15]王毓麟,王淑霞,贾伟.镀铬对0Cr13Ni4Mo钢疲劳强度的影响[J].兵器材料科学与工程，2002，25（2）：49-52.WANG Yulin,WANG Shuxia,JIA Wei.Effect of chroming on fatigue strength of 0Cr13Ni4Mo steel[J].Ordnance Material Science and Engineering,2002,25（2）:49-52.（in Chinese)