滚压处理对核主泵轴套耐磨性能的影响

2020-11-10谭俊哲李连海田云王学宇姚景文张玉金

焊接 2020年8期

谭俊哲，李连海，田云，王学宇，姚景文，张玉金

(沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司,沈阳 110869)

0 前言

核主泵是压水堆核电站中关键的一回路设备之一，是核岛内唯一的旋转设备。轴套是轴承核心摩擦副之一，它的作用是保护泵轴，防止液体对轴的腐蚀和轴不直接与填料产生摩擦以及为轴承提供动压效应所需的旋转角速度。轴套浸泡于高温高压强腐蚀反应堆冷却剂中，这就要求轴套外表面光洁度质量非常高，以达到轴承处于液膜润滑状态；同时为减少在干摩擦状态下轴承的磨损量，要求轴套表面硬度必须达到摩擦配对副使用要求，因此采用表面滚压的方式来达到设计要求[1-2]。

滚压加工工艺就是利用金属在常温状态下的冷塑性的特点，用硬质、光滑的滚轮或滚珠在零件材料表面滚动的同时，向表面施加一定的压力，促使零件表层金属发生弹塑性变形，提高表面光洁度、硬度及强度，从而达到改善零件耐磨性能的作用[3-4]。目前，国内研究主要集中于内孔和外圆的表面加工、齿轮轮齿的滚压光整加工、螺纹的滚压加工。刘冶华等人[5]研究了18CrNiMo7-6齿轮钢超声滚压后表面变质层的性能，经超声滚压后表面硬度及光洁度显著提高；蔡卫星等人[6]提出了表面滚压技术应用于提高铁路车轴疲劳性能的可行性,详细论述了滚压强化技术的原理及应用现状；赵坤[7]分析和研究了表面钠米化对金属材料的耐磨性的影响，通过在材料表面对纳米的结构表层进行制定,进而对金属材料的耐磨性作一提高；辛超等人[8]采用表面机械滚压对退火态Zr-4合金进行表面纳米化处理并对其微观组织和力学性能开展了系统研究，经滚压处理后,表层显微硬度、屈服强度和抗拉强度显著提高。但此方法在核主泵薄壁轴套零件的加工中首次应用，国内相应技术还处于空白阶段。

文中主要是对轴套用马氏体不锈钢0cr13Ni4Mo滚压加工后强化层的微观组织结构、组织演变规律、摩擦磨损性能进行评价及表征，为核主泵的自主研发及知识产权的形成奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用材料为核主泵轴套用马氏体不锈钢0cr13Ni4Mo，其化学成分如表1所示。采用的滚压加工外圆表面。

1.2 检测方法

将样品采用电火花线切割成不同的尺寸，对样品截面使用60，120，360，600，800，1 000，1 200，1 500，2 000号SiC耐水砂纸依次进行打磨，打磨结束后采用2.5 μm的金刚石水溶性研磨膏进行机械抛光。将试样采用15 mL盐酸+1 g苦味酸+100 mL无水乙醇腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀时间为1 min，然后采用HITACHI SU8010型号SEM，对样品组织进行观察。采用MicroXAM-3D型表面轮廓仪对样品进行表面粗糙度表征。

表1 0Cr13Ni4Mo不锈钢化学成分(质量分数,%)

采用电子背散射衍射(EBSD)分析基材和滚压样品的晶粒尺寸和分布特征。将滚压样品采用线切割将样件切割成5 mm×5 mm×3 mm的样块，然后滚压层表面用1 500和2 000号SiC耐水23砂纸进行精打磨，而后采用1.5 μm的金刚石水溶性研磨膏进行机械抛光，再采用纳米SiO2悬浮液振动抛光5 min，去除表面机械抛光应力层，以备EBSD分析。该试验采用的EBSD系统包括扫描电镜(ZEISS Merlin公司生产)和Noedlys Nano型附件，滚压样品组织形貌分析采用Channel 5软件包进行数据采集和处理。

用HVS-1000型维氏硬度计测试其显微硬度分布，法向载荷10 g，加载时间10 s。为了得到材料表层显微硬度与表层距离的关系，但由于硬化层的深度较小，避免在测量时两个硬度点之间的相互影响，采用如图1的硬度测量方式。

利用MFT-4000型多功能材料表面性能试验仪进行摩擦磨损测试，上摩擦副为直径6 mm的GCr15钢球，下摩擦副为马氏体不锈钢滚压样品小块。摩擦磨损试验参数为法向加载载荷为10 N，往复速度为120 mm/min，往复行程为7 mm，磨损时间为45 min。设备在磨损过程中自动记录试验数据，获得摩擦系数曲线，评价材料的摩擦磨损性能。

图1 显微硬度测量示意图

2 结果与分析

2.1 滚压加工表面形貌及粗糙度

零件表面越粗糙，配合表面间的有效接触面积越小，压强越大，耐磨性就越差[9]。基材和滚压加工后的SEM微观形貌和白光干涉表面形貌如图2所示，由图中可以看出，基体表面沟壑比较密集，峰谷之间差值较大，而且条纹比较细，而滚压加工后的表面形貌较磨削表面平整，峰谷差值变小，条纹变宽。基体和滚压加工后的粗糙度如表2所示，表中的数值与微观表面形貌显示相一致。基体表面粗糙度大概是滚压表面粗糙度的4～5倍。在滚压的过程中，被滚压表面材料发生塑性变形，波峰被碾平，材料被填入到低凹的波谷中，表面变得十分光滑，粗糙度变小。

图2 磨削及滚压试样表面形貌

表2 基体和滚压加工后表面粗糙度

2.2 滚压层晶粒度

基体和滚压层的电子背散射衍射组织形貌及晶粒尺寸分布图如图3所示。不同颜色代表不同晶粒尺寸的分布，颜色越深说明某一区间大尺寸晶粒比例越高，红色表示晶粒尺寸相差最大，蓝色最小。由图可以看出，滚压层的组织与基体相比明显细化，晶粒尺寸减小，而且晶粒尺寸比较均匀。基体和滚压层的EBSD分析晶粒尺寸柱状图如图4所示，滚压层尺寸为1 μm的小晶粒滚压层的组织与基体相比明显细化，晶粒尺寸减小，而且晶粒尺寸比较均匀，由图4可以看出，滚压层尺寸为1 μm的小晶粒占比明显增加，在一定区域内占比由基体的62%左右增加到75%左右，2～5 μm晶粒数量占比也明显高于基体[10]。细化晶粒是增加表面强度和硬度的重要方法之一，因此经滚压后，材料的耐磨性与基体相比会明显增高。

2.3 滚压层的显微硬度

试样截面显微硬度的分布图如图5所示。由图可以直观看出，随着距滚压层表面距离的增大，硬度逐渐降低，直到接近基体硬度趋于平缓。表面最高硬度经测量可达到550 HV，基体硬度大概在260 HV左右，即经滚压后表面硬度提高大约2.2倍。这是由于在滚压的过程中，材料表面发生塑性变形，晶体产生了剪切和滑移，致使晶格严重扭曲变形，并使晶粒拉长、破碎及纤维化[11]，促使材料表面的硬度和强度明显提高，也就是产生了冷作硬化现象，从而提高了材料表面的耐磨性[12-14]。

图3 基体和滚压层的EBSD形貌及晶粒尺寸分布图

图4 基体和滚压表面晶粒尺寸柱状图

图5 试样截面显微硬度的分布图

2.4 滚压层的摩擦磨损性能

基体和滚压层的摩擦系数曲线如图6所示。由图中可观察到，摩擦系数都是先大幅度增加然后趋于平缓，且基体的摩擦系数要大于滚压层，波动程度也较滚压层大。这是由于在磨损的初始阶段，摩擦副要经过一段时间的磨合期，当磨损条件稳定后，摩擦系数就会趋于平缓，也就说明表面相对平整，即粗糙度小。而对于粗糙度相对越小的试样磨合期就会越短，而粗糙度相对越大的试样磨合期就会越长，即图中基体的磨合期大概10 min左右，而滚压表面的磨合期只有1 min，也就是摩擦系数曲线由上升过渡到平缓的时间非常短。研究发现，磨合期越短的样品摩擦系数越小，耐磨性就越好[15]。