05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢轴和轴套黏连原因_许永春.pdf

：不锈钢轴和轴套黏连原因许永春，李祥军，李旭健，李阳，徐俭，吴秋丽（河南省紧固连接技术重点实验室，信阳 ；河南航天精工制造有限公司，信阳 ；航天精工股份有限公司，天津 ）摘要：某 不锈钢轴和轴套在试验过程中发生黏连，采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电镜分析、硬度测试等方法分析了该轴和轴套黏连的原因。结果表明：该不锈钢轴和轴套在装配时，操作人员未涂润滑脂，该轴和轴套配合间隙较小，在振动和旋转试验过程中，轴和轴套间存在受力偏载现象，接触部位发生微动磨损，使氧化膜破裂，金属间直接接触，从而导致轴和轴套发生黏连。关键词：轴和轴套；不锈钢；黏连；磨损中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：许永春（），男，硕士，高级工程师，主要从事航空航天紧固件检测技术研究和失效分析工作，（，；，；，）：，：；不锈钢是一种典型的马氏体型沉淀硬化不锈钢，含有较高的 、等合金元素，其固溶时效处理后析出沉淀硬化相，并在低碳马氏体基体中呈弥散分布，因此具有较高的强度、硬度，又具有良好的塑性、韧性、耐蚀性和加工性，可用于 以下要求抗氧化性以及耐弱酸、碱、盐腐蚀，又要求高强度的工况，在航天航空、石油化 工、核 工 业 和 能 源 领 域 都 有 广 泛 的 应 用。不锈钢材料常用于加工紧固件、轴类等工业零部件，相当于美国的 沉淀硬化不锈钢。某型飞机装备用 不锈钢轴和轴套经装配后，完成次垂直振动和次水平振动各 ，再旋转 圈后，发现轴和轴套发生黏连而无法旋转。笔者采用一系列理化检验方法对轴和轴套的黏连原因进行分析，并采取改进措施，提升装备质量。具体轴和轴套装配示意及宏观形貌如图所示。理化检验化学成分分析对黏连的轴和轴套用 型直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表所示。主要化学成分满足许永春，等：不锈钢轴和轴套黏连原因图轴和轴套装配示意图及宏观形貌表轴和轴套化学成分分析结果项目质量分数 标准值 轴实测值 轴套实测值 不锈钢棒 中对 钢的要求，表明产品未出现混料现象。几何尺寸分析对黏连的轴和轴套分别进行尺寸测量。选用微米千 分 尺 对 轴 进 行 测 量，其 实 测 值 为 ，标准值为 ；用不同规格的塞棒对轴套进行测量，轴套内孔直径标准值为 ，选用 的塞棒，勉强能插入少许，用 的塞棒根本无法插入，表明轴套内孔尺寸较小，处于标准值下限。宏观观察和扫描电镜分析对未经清洗的黏连轴和轴套在 型显微镜和 型扫描电镜下观察，具体结果如图所示。图轴和轴套黏连部位宏观与微观形貌许永春，等：不锈钢轴和轴套黏连原因由图可知：轴套表面支撑面局部存在轻微磨损，轴表面黏连部位损伤较为严重；轴套表面仅部分油漆脱落，轴套口部未见明显磨痕，黏连部位一面损伤较为严重，相对面较轻，在试验过程中存在偏载现象；轴套内部磨损痕迹离底部约为，轴和轴套底部未见接触痕迹，表面未见明显润滑痕迹；轴和轴套黏连部位未见其他金属夹杂、夹渣及碎屑等，磨损痕迹呈旋转形貌。对轴和轴套黏连部位进行能谱分析（），具体分析结果如表所示。轴和轴套黏连部位化学成分均为 材料元素成分，未见其他外来杂质金属元素。表轴和轴套能谱分析结果零件质量分数 轴 轴套 金相检验对轴和轴套黏连部位取样，试样制备依据 金属显微组织检验方法，腐蚀剂为氯化铜 盐酸 水，对制备好的试样在光学显微镜下进行观察，具体分析结果如图所示。图轴和轴套黏连部位及心部显微组织形貌由图可知：轴和轴套黏连部位存在微裂纹和碎屑，由于受力较大，显微组织呈挤压形貌；心部显微组织均为回火索氏体强化相少量白色块状铁素体，未见过热、过烧等冶金缺陷。硬度测试对轴和轴套心部在 型数显洛氏硬度计上进行硬度测试，试验方法按照 金属材料 洛氏硬度试验 第部分：试验方法，具体结果如表所示。轴和轴套的硬度均满足标准要求，轴套硬度处于标准值下限。表轴和轴套心部硬度测试结果 试样测点 平均值标准值轴 轴套 对轴和轴套的黏连部位进行硬度梯度分析，试验方法依据 金属材料 维氏硬度 试 验 第 部 分：试 验 方 法，试 验 载 荷 为，保载时间为，从黏连部位每隔测试一点，试验设备为 型显微硬度计，具体试验数据和趋势如图所示。轴和轴套黏连部位硬度达到最大，随着离黏连部位的距离增大，硬度呈下降趋势，当深度大于时，硬度趋于一致。综合分析黏连的轴和轴套化学成分符合材料标准要求；轴尺寸满足标准要求，轴套尺寸处于标准值下限，导致轴和轴套配合间隙较小；轴外表面和轴套内表面呈光亮态，未见明显油脂等润滑物，黏连部位呈撕裂许永春，等：不锈钢轴和轴套黏连原因图轴和轴套黏连部位硬度变化趋势形貌，经能谱分析未见其他杂质金属，黏连损伤程度不一致，表明试验过程中存在受力不均现象；黏连部位的显微组织存在挤压变形特征，心部组织未见过热、过烧等冶金缺陷，硬度未见明显异常，均符合标准要求；黏连部位硬度最高，黏连导致变形组织深度约为。通过轴和轴套黏连形貌可知，二者发生了磨损。由磨损的机理可知：两个相对接触且滑动的表面在摩擦力的作用下，接触部分的润滑油膜、氧化膜等被挤破，从而使两金属直接接触而发生黏连。由于轴和轴套均为 不锈钢，二者材料相同，为沉淀硬化不锈钢，硬度范围一致，具有一定的互溶性，具备磨损的条件。由尺寸测量数据可知，该轴和轴套配合间隙较小，且存在一定的偏载现象，导致摩擦接触面积较大，在摩擦过程中产生的多余物过早填充配合间隙，使摩擦进一步加剧。常采用钝化来提升 不锈钢表面的耐蚀性，涂覆 涂层来降低摩擦副之间的摩擦力。综上所述，该轴和轴套由于尺寸间隙较小且无有效润滑，在安装过程中可能存在不同轴现象，由于材料为 不锈钢，在空气中可形成非常薄的氧化膜层。在振动过程中，轴和轴套接触部位发生微动磨损，使氧化膜层破裂，金属基体相接触发生黏连，随着振动时间的延长，碎屑进一步填塞缝隙，加剧了磨损进程。在振动后旋转过程中，黏连现象持续发生，造成不锈钢完全黏连而无法旋转。结论及建议（）不锈钢轴和轴套配合间隙较小，未见明显润滑现象，在振动和旋转试验过程中，存在受力偏载现象，接触部位发生微动磨损，使氧化膜破裂，金属直接接触，发生磨损进而无法旋转。（）建议在安装过程中规范操作，增加检查工序，杜绝漏涂润滑脂现象；进一步增加防错设计，在轴和轴套接触表面进行钝化和涂覆 干膜润滑剂，提升防腐和润滑性能。（）建议加工轴时选择在标准值的下限，而轴套应选择在标准值的上限，进而增大轴和轴套的配合间隙。参考文献：徐清泉，李 兴 东，赵 龙 飞，等残 余 奥 氏 体 对 钢逆变奥氏体含量的影响理化检验（物理分册），（）：孙永庆，刘振宝，李文辉，等 钢液压油缸开裂失效分析 金属热处理，（）：胡隆伟，叶文君紧固件材料手册北京：中国宇航出版社，胡庆宽，许永春，金宏 材料在宇航紧固件中的应用金属加工（热加工），（）：温诗铸，黄平摩擦学原理北京：清华大学出版社，杨晓燕，郭春河某型机载投放装置锁制机构发生粘着磨损故障分析 航空兵器，（）：张栋，钟培道，陶春虎，等 失效分析 北京：国防工业出版社，万蕾，孙璐，杨耀东接头螺纹咬死失效原因分析宇航材料工艺，（）：李英亮，殷小健，王洪军，等 紧固件概论 北京：国防工业出版社，马换梅，刘燕，许彦伟，等超声辅助涂覆对 螺母表面 涂层的影响电镀与精饰，（）：解婕浅析螺栓咬死问题的原因及预防措施科学技术创新，（）：