0Cr17Ni4Cu4Nb钢零件耐磨强化工艺研究

2020-04-08于耀华

上海电气技术 2020年1期

于耀华

上海第一机床厂有限公司上海 201308

1 研究背景

0Crl7Ni4Cu4Nb不锈钢是在18-8型奥氏体不锈钢基础上发展起来的一种典型马氏体沉淀硬化不锈钢,在核反应堆中被广泛应用于包括控制棒驱动机构驱动杆在内的部分重要结构件[1-3]。

基于前期表面强化研究工作的结果,笔者将0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢作为基材,对其进行表面激光强化处理、电弧离子镀TiN多层复合薄膜强化处理,并利用控制棒驱动机构实物在反应堆高温高压工况模拟环境下开展一系列耐磨试验,通过试验研究0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢零件在表面耐磨强化处理前后的磨损情况及不同表面耐磨强化工艺对工程使用的影响。研究结果可以为0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢零件的后续工程应用提供决策依据。

2 试验材料

试验基体材料选用0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢,采购于东北特钢集团抚顺特殊钢股份有限公司,交货状态为退火态,直径为40 mm,化学成分要求及实测数据见表1。材料经1 050 ℃±10 ℃保温90 min后油淬固溶处理,采取510 ℃±10 ℃保温90 min后空冷时效处理制度,时效处理后力学性能及要求见表2。

表1 0Cr17Ni4Cu4Nb钢化学成分

表2 0Cr17Ni4Cu4Nb钢力学性能

3 耐磨强化工艺参数

3.1 激光强化

激光强化处理采用的设备为钕钇铝石榴子石脉冲激光器,工艺参数见表 3,采用干冰间隔冷却预处理方式[4]。

表3 激光强化工艺参数

3.2 离子镀TiN多层复合薄膜强化

TiN多层复合薄膜制备设备为等离子增强物理气相沉积设备,TiN涂层具体制备工艺参数见表4[5]。

4 试验机构

为对比0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢表面镀膜前后在工程实践中的磨损情况,从试验便利性角度出发,选取一种丝杠螺母型控制棒驱动机构作为试验机构[6]。试验机构中的运动部件主要由丝杠和螺母组成,在螺母上均布四个三齿环槽结构的滚子,分别与丝杠槽形实现啮合,如图1所示。在外部电磁力驱动下,螺母带动滚子绕丝杠作旋转运动,进而带动丝杠与负载进行直线运动。

表4 TiN涂层制备工艺参数

图1 滚子与丝杠啮合

5 试验方案

通过试验验证0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢零件在不同强化工艺下的磨损情况[7],试验结合控制棒驱动机构实物在反应堆高温高压模拟环境下进行,主要试验参数见表5,试验介质为去离子水。

表5 主要试验参数

试验依托上海第一机床厂有限公司自有的控制棒驱动机构专用试验台架进行,这一台架可以提供试验对象运行的环境温度、压力、负载等条件,配置机构专用接口[8]。

试验用滚子基体材料为0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢,分别按三种表面状态,即未经表面强化处理、表面激光强化处理、表面电弧离子镀TiN多层复合薄膜强化处理进行试验,每种状态滚子数量均为4个。试验过程中,滚子绕丝杠作速度恒定、按照一定周期变化旋转方向的旋转运动,带动丝杠与负载在一定长度的丝杠范围内进行周期性往返直线运动。

鉴于摩擦振动是摩擦系统输出的重要特征信息之一,试验临近结束时,通过VIB-4a电脑振动噪声测量仪和8860-50八通道储存记录仪,定性观察对比三种不同表面状态滚子的磨损及运行情况。试验结束后,通过检测三种不同表面状态滚子的磨损情况,借助数据分析确定不同耐磨强化工艺的应用范围,为后续工程应用提供依据[9-10]。

滚子零件为环槽结构的回转体,试验过程中始终处于旋转状态,因此其受力面磨损量可以通过局部或剖面的磨损量进行检测。丝杠零件齿形虽为螺旋线走向,但考虑到工作状况与滚子零件类似,仍可借鉴滚子零件的检测方法。

由于试验后的滚子和丝杠零件仍可继续进行其它试验研究,而一旦剖解则零件已经被破坏,实际上不利于后续工作,因此检测时宜采用无损或非接触的方法。

本次试验磨损量通过施泰力400系列投影检测仪进行检测,通过光学投影的原理使试样轮廓投影至屏幕上,从而将三维试样转变为二维平面再进行测量,如图2所示。这一方法具有测量速度快、效率高、精度可达0.5μm的优点。

从研究零件是否耐磨强化的角度出发,准确测定滚子与丝杠工作接触表面的磨损量是后续数据分析的基础,也是投影检测的重点。表面磨损量检测如图3所示。

图2 投影检测仪检测

图3 表面磨损量检测

6 试验结果分析

6.1 硬度与厚度

采取干冰间隔冷却预处理方式的激光强化层维氏硬度(HV)可达480～520,厚度为0.40～0.50 mm。采取Ti单层沉积3 min、TiN单层沉积17 min、薄膜复合层数为6层工艺参数制备的Ti/TiN多层复合薄膜的厚度为0.003 mm左右,显微维氏硬度(HV)达到2 700以上。

6.2 滚子磨损量

根据试验方案和检测方法,三种不同表面状态的滚子零件在高温高压工况下分别单独带动负载运行了20万转左右。将滚子零件单独拆卸后,利用投影检测仪测量滚子受力面的磨损量,未进行表面强化处理的滚子受力面磨损量见表6,表面激光强化处理的滚子受力面磨损量见表7,表面电弧离子镀TiN多层复合薄膜强化处理的滚子受力面磨损量见表8。表面激光强化处理和表面电弧离子镀TiN多层复合薄膜强化处理的滚子试验前后表面状态如图4所示。

三种不同表面状态滚子零件的受力面磨损量对比如图5所示。

同样经过高温高压工况下约20万转的实物运行试验,未经表面强化处理的滚子受力面磨损量最大,电弧离子镀TiN多层复合薄膜强化处理的滚子受力面磨损量最小,表面激光强化处理的滚子受力面磨损量介于两者之间。

未经表面强化处理的滚子,三个受力面磨损量平均值分别为0.259 mm、0.248 mm、0.238 mm。表面激光强化处理的滚子,三个受力面磨损量平均值分别为0.180 mm、0.175 mm、0.170 mm,磨损量为未经表面强化处理的69.6%、70.6%、71.1%。表面电弧离子镀TiN多层复合薄膜强化处理的滚子,三个受力面磨损量平均值分别为0.037 mm、0.034 mm、0.031 mm,磨损量为未经表面强化处理的14.2%、13.5%、12.9%。

表6 未进行表面强化处理滚子受力面磨损量 mm

表7 表面激光强化处理滚子受力面磨损量 mm

表8 电弧离子镀TiN多层复合薄膜强化处理滚子受力面磨损量 mm

任意一个滚子零件上三个齿形的磨损量从上到下依次减小,这一状况与滚子和丝杠的初始啮合状态,尤其是两者之间的游隙有关。当然,这并不影响表面激光强化处理和表面电弧离子镀TiN多层复合薄膜强化处理的横向对比结果。

表面激光强化处理的滚子,从上到下三个受力面磨损量相对未经表面强化处理的比值逐步升高,但表面电弧离子镀TiN多层复合薄膜强化处理的滚子,从上到下三个受力面磨损量相对未经表面强化处理的比值却逐步降低,说明表面电弧离子镀TiN多层复合薄膜强化处理在有效提高零件局部耐磨性能的同时,对减少磨损、提升整体耐磨性能也有明显影响。

6.3 丝杠磨损量

在实际工程应用中,虽然可以通过增大摩擦副的硬度差来达到提高耐磨性、延长耐磨寿命的目的,但是一味增大硬度差可能会引发新的问题,并最终缩短摩擦副的使用寿命。

试验时,笔者借助对丝杠磨损量的检测来研究0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢通过表面强化工艺提高耐磨性能后对配对摩擦副的影响。鉴于丝杠在一定区间内作直线往返运行,丝杠磨损量的测定位置选择丝杠运行区间中点附近的五个受力齿形面。试验中,五个受力齿形面的磨损量见表9。

配对三种不同表面状态的滚子,丝杠受力面磨损量几无差异,这与丝杠在一定区间内作直线往返运行,受力齿形数量远超滚子,磨损量相对分散有关。

表9 丝杠受力面磨损量 mm

严格对丝杠受力面磨损量进行比较,表面电弧离子镀TiN多层复合薄膜强化处理滚子配对丝杠的磨损量相对较小,这与TiN多层复合薄膜可以有效减小接触表面摩擦因数,显著改善体系的磨损性能有关。

6.4 运行振动

试验即将结束时,对比安装有三种不同表面状态滚子零件的控制棒驱动机构的运行振动信号,如图6所示。

图6 控制棒驱动机构运行振动信号

显然,在不考虑其它外界因素影响的前提下,安装电弧离子镀TiN多层复合薄膜强化处理滚子零件的控制棒驱动机构运行最为平稳,振动信号无明显阶跃。安装未经表面强化处理滚子零件的控制棒驱动机构,运行虽保持平稳,但振动信号出现明显波动,说明运行振动信号与滚子摩擦状况密切相关,这为后续实时或在线监测类似结构零件的磨损状态提供了新的研究方向和思路。

7 工程应用

根据试验结果分析,0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢零件表面经激光强化处理后,耐磨性能较基体材料有所提升,但激光强化层硬度提升空间有限,直接应用于工程仍存较大风险。0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢表面经电弧离子镀TiN多层复合薄膜强化处理后,表面显微硬度明显优于基体材料和经激光强化处理的零件,零件耐磨性能得到极大提升,但TiN多层复合薄膜厚度较小,一旦薄膜磨损完毕后,零件仍等同于基体材料,磨损量将较大。

基于以上分析,实际工程应用时,采取了激光强化和电弧离子镀TiN多层复合薄膜强化相结合的复合强化工艺。采用这一复合强化工艺,产品经寿命试验验证,确认可以满足工程要求。复合强化工艺流程如图7所示。

值得注意的是,任何表面耐磨强化工艺都是在材料自身无法满足使用要求的基础上发展而来的,合适的材料才是支撑和保证核反应堆安全性的前提。因此,只有使包括材料科学在内的基础工业得到长足发展,我国才能真正从制造业大国迈向制造业强国。