CN109955028B

CN109955028B - 一种核主泵用水润滑轴承轴套外圆滚压表面强化工艺

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Publication number: CN109955028B
Application number: CN201910229431.8A
Authority: CN
Inventors: 谭俊哲; 关锰; 陶邵佳; 李连海; 田云; 林斌; 张玉金; 王学宇; 王良
Original assignee: SHENYANG BLOWER WORKS GROUP NUCLEAR POWER PUMP CO Ltd
Current assignee: SHENYANG BLOWER WORKS GROUP NUCLEAR POWER PUMP CO Ltd
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: CN109955028A

Abstract

本发明提供了一种核主泵用水润滑轴承轴套外圆的滚压表面强化工艺，其特征在于：采用先磨削后滚压的加工方法，所述滚压加工包括将轴套固定于车床，按设定的泵压、车床转速、压下量及进给量调整滚压工具的位置和滚压力，开启冷却系统开始滚压，至滚压完毕，所述泵压设定为1.5MPa，所述车床转速设定为75‑85r/min，所述压下量设定为0.12mm‑0.24mm，所述进给量设定为0.12mm/min‑0.22mm/min。本发明提供的一种核主泵用水润滑轴承轴套外圆滚压表面强化工艺，能够提高轴套表面的硬度、强度、耐磨性及光洁度。

Description

一种核主泵用水润滑轴承轴套外圆滚压表面强化工艺

技术领域

本发明涉及金属材料表面加工技术领域，特别涉及一种核主泵用水润滑轴承轴套外圆滚压表面强化工艺。

背景技术

水润滑轴承在运转工作过程中，轴套处于整个轴承的最外围，需要较高的硬度、强度和耐磨性。因为考虑在极端工况下为减少在干摩擦状态下轴承的磨损量，需要对轴套表面进行硬化，使轴套的表面硬度达到摩擦配对副的使用要求；同时需要增加轴套的耐磨性，减小磨损过程中对轴套的消耗。轴封主泵的工作环境是长期浸泡在高温高压强腐蚀剂反应堆冷却剂中，直接暴露在环境中的是最外围的轴套，这就要求轴套的疲劳寿命需要达到100000，而生产轴套的原材料ASTM A473M S41500的疲劳寿命仅在5×10⁴左右，因而需要提高材料的疲劳寿命；此外轴套作为轴承核心摩擦副之一，也要求轴套外表面具有很高的光洁度。

滚压加工工艺是一种在不改变材料表面成分的前提下可以明显的提高轴套表面硬度、提高动力载荷下薄壁轴套的构建强度和使用寿命、增加轴套表面光洁度的表面强化方法。由于此方法在泵类水润滑轴承薄壁轴套零件的加工中是首次应用，因此，利用滚压加工工艺提高水润滑轴承薄壁轴套的表面硬度和强度、耐磨性、表面光洁度及轴套的使用寿命是当前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种核主泵用水润滑轴承轴套外圆滚压表面强化工艺，以提高轴套表面的硬度、强度、耐磨性及光洁度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种核主泵用水润滑轴承轴套外圆的滚压表面强化工艺，采用先磨削后滚压的加工方法，所述滚压加工包括将轴套固定于车床，按设定的泵压、车床转速、压下量及进给量调整滚压工具的位置和滚压力，开启冷却系统开始滚压，至滚压完毕。由于生产轴套的原材料为ASTM A473M S41500马氏体不锈钢且轴套壁较薄，同时，加工过程中的压下量和进给量对加工工件存在如下影响：

压下量的影响：压下量的选择取决于加工工件尺寸的减小量。随着压下量的增加，工件表面被压熨的越来越光，表面粗糙度也有了很大的改善。表面粗糙度先是降低，然后改变不大，直到达到某一个压下量之后，使试样表面起皮，粗糙度明显增大，表面粗糙度开始恶化。这是因为压下量加大将引起滚压套压力加大，使工件表面产生剥落现象。材料不同，工件直径不同，最佳的压下量将不同。一般来说，压下量取加工前表面粗糙度值的3-5倍，可获得较好的加工表面质量。

进给量的影响：当滚压力不变时，表面硬度随着滚压进给量的提高而呈下降趋势。在滚压力较大时，其特征尤为明显，主要是由于滚压的变形区域实际为面接触，进给量越小，在同一区域中单位时间内所滚压的次数也就越多，产生的塑性变形也就越大，冷作硬化现象也就越明显，所以表面硬度也就越高，过度的硬化导致工件表面鳞化、剥落，降低表面质量。当滚压力增大时，多次滚压所产生的差异就更明显。

因此，针对ASTM A473M S41500马氏体不锈钢薄壁轴套件外圆，通过改变压下量和进给量两个主要工艺参数进行马氏体不锈钢的表面滚压处理，将满足技术要求的滚压表面强化工艺参数区间确定如下：

泵压：1.5MPa；

车床转速：75-85r/min；

进给量：0.12mm/min-0.22mm/min；

压下量：0.12mm-0.24mm。

进一步地，所述轴套在设定的泵压、车床转速、压下量及进给量下进行滚压处理后，其表面硬化层厚度达到100-200μm。

进一步地，所述滚压工具的滚珠或滚柱应设置在轴套的中间位置，允许偏差±1mm。

进一步地，所述滚压工具的滚珠或滚柱在轴套表面竖直方向上的偏离角度控制在±30°。

进一步地，所述磨削加工和滚压加工使用水溶性冷却滋润液作为工作介质，所述水溶性冷却滋润液的含油量至少为5％。

本发明提供的一种核主泵用水润滑轴承轴套外圆滚压表面强化工艺，采用先磨削后滚压的加工方法，在不改变不锈钢轴套材料表面成分的前提下，通过改变压下量和进给量两个主要工艺参数进行马氏体不锈钢的表面滚压处理，能够达到以下效果：

提高了轴套滚压加工面的表面硬度，轴套经滚压加工后表面硬度由原始材料的260HV_0.1增加了150-300HV_0.1

提高了轴套材料的抗拉强度，ASTM A473M S41500不锈钢经滚压加工其抗拉强度由原来的686MPa提高至760-820MPa。

轴套材料表面耐磨性显著提升，经滚压加工后表面耐磨性相对于原材料提高了2-3倍。

提高轴套的疲劳使用寿命，与ASTM A473M S41500不锈钢原材料相比，经滚压加工后轴套疲劳寿命提高了1-2倍。

显著减小了轴套材料表面粗糙度，薄壁轴套件经滚压加工后表面粗糙度仅为原始材料表面的1/2-1/6。

附图说明

图1为对比例和本发明实施例1-4材料表面显微硬度柱状分布图；

图2为本发明实施例3、5、6材料表面显微硬度柱状分布图；

图3为本发明实施例1-4的材料截面硬度分布曲线；

图4为本发明实施例3、5、6的材料截面硬度分布曲线；

图5为对比例的白光干涉表面形貌；

图6为本发明实施例1的滚压层白光干涉表面形貌；

图7为本发明实施例2的滚压层白光干涉表面形貌；

图8为本发明实施例3的滚压层白光干涉表面形貌；

图9为本发明实施例4的滚压层白光干涉表面形貌；

图10为本发明实施例5的滚压层白光干涉表面形貌；

图11为本发明实施例6的滚压层白光干涉表面形貌；

图12为本发明实施例1-4滚压层表面残余应力分布曲线；

图13为本发明实施例3、5、6滚压层表面残余应力分布曲线；

图14为本发明实施例1的滚压层截面OM组织形貌；

图15为本发明实施例2的滚压层截面OM组织形貌；

图16为本发明实施例3的滚压层截面OM组织形貌；

图17为本发明实施例4的滚压层截面OM组织形貌；

图18为本发明实施例5的滚压层截面OM组织形貌；

图19为本发明实施例6的滚压层截面OM组织形貌；

图20为对比例样品摩擦磨损后的表面磨痕形貌；

图21为本发明实施例1样品摩擦磨损后的表面磨痕形貌；

图22为本发明实施例2样品摩擦磨损后的表面磨痕形貌；

图23为本发明实施例3样品摩擦磨损后的表面磨痕形貌；

图24为本发明实施例4样品摩擦磨损后的表面磨痕形貌；

图25为本发明实施例5样品摩擦磨损后的表面磨痕形貌；

图26为本发明实施例6样品摩擦磨损后的表面磨痕形貌；

图27为本发明实施例1-4滚压材料截面弹性模量变化曲线图；

图28为本发明实施例3、5、6滚压材料截面弹性模量变化曲线图。

具体实施方式

本发明实施例提供的一种核主泵用水润滑轴承轴套外圆的滚压表面强化工艺，采用先磨削后滚压的加工方法，所述滚压加工包括将轴套固定于车床，按设定的泵压、车床转速、压下量及进给量调整滚压工具的位置和滚压力，开启冷却系统开始滚压，至滚压完毕，其中，将泵压设定为1.5MPa，将车床转速设定为75-85r/min，将压下量设定为0.12mm-0.24mm，将进给量设定为0.12mm/min-0.22mm/min。

并且，本发明实施例提供的一种核主泵用水润滑轴承轴套外圆的滚压表面强化工艺中，要求轴套滚压加工使用的滚压工具的滚珠或者滚柱在使用前需要检查，不能有任何损坏，滚柱表面使用前必须做彻底清洁，滚压工具安装稳定。所述滚珠或滚柱必须放置在工件的中间位置，允许偏差±1mm。所述滚压工具放在工件的中间位置后，嵌入的滚珠近似的竖直加工工件表面，允许在竖直方向上偏离±30°。所述的滚压和磨削使用水溶性冷却滋润液作为工作介质，冷却润滑液含油量至少为5％。

本发明实施例提供的一种核主泵用水润滑轴承轴套外圆的滚压表面强化工艺，通过改变压下量和改变进给量进行滚压处理后的轴套表面硬化层厚度可在100-200μm之间。

为了验证本发明实施例提供的一种核主泵用水润滑轴承轴套外圆的滚压表面强化工艺得到的核主泵用水润滑轴承轴套的性能，对核主泵用水润滑轴承轴套进行如下处理和性能验证。

表面粗糙度表征：表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度一般受加工加工过程中刀具与零件表面间的摩擦、切屑分离时表面层金属的塑性变形以及工艺系统中的高频振动等因素影响。由于加工方法和工件材料的不同，被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别。表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命以及可靠性有重要影响。本发明实施例采用MicroXAM-3D型表面轮廓仪对样品进行粗糙度测量，通过电火花线切割机将滚压样品切割成10mm×10mm×10mm的样块，使用超声波清洗仪清洗5分钟后，取出吹干以作检测用。

残余应力表征：采用X射线衍射应力分析仪对样品表面进行残余应力分析，本发明实施例所用样品为

的马氏体不锈钢圆盘。该圆盘横截面中间小圆部分区域为精车区域，直径为

其余为滚压区域。本发明实施例沿样品表面精车区域与滚压区域的界面处至样品边缘方向做应力分析，在-40°到40°区间内均分为8个点分别进行残余应力的测量，取平均值进行表征。

滚压层深度及组织形貌表征：为了观察滚压样品截面的组织形貌，首先采用线切割将样品切割成10mm×10mm×10mm的样块，然后对样品截面进行处理，用60#、120#、360#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#SiC耐水砂纸进行打磨，然后用粒度为W2.5的人造金刚石研磨膏进行抛光，最后通过腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀剂成分为100ml无水乙醇、15ml盐酸和1g苦味酸，腐蚀时间为1分钟。采用OLYMPUS-GX71型光学显微镜进行观察。

显微硬度测定：首先采用线切割将样品切割成10mm×10mm×10mm的样块，对制备的滚压试样采用HVS-1000型维氏硬度计测试其显微硬度分布，法向载荷10g，加载时间10s。沿着样品表面精车区域与滚压区域的界面处至样品边缘方向，每隔8mm测量一个点，总共测量8个点并取平均值作为该试样表面的显微硬度值。

摩擦磨损性能表征：对于滚压试样摩擦磨损性能的研究采用点面接触的球块磨损进行测试。将滚压试样线切割成10mm×10mm×10mm的小块，然后对样品截面进行处理，用60#、120#、360#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#SiC耐水砂纸进行打磨，然后用粒度为W2.5的人造金刚石研磨膏进行抛光，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6mm的钢球，下摩擦副为马氏体滚压样品小块，法向加载载荷为10N，往复速度为120mm/min，往复距离为7mm，作用时间为45min。磨损试验设备在磨损过程中自动记录实验数据，获得摩擦系数及曲线。采用MicroXAM-3D型表面轮廓仪，利用该仪器测量磨痕的剖面轮廓、磨损体积。经磨损后比较其摩擦系数曲线及磨痕二维轮廓图，并计算相对耐磨性。相对耐磨性可以表征为：相对耐磨性＝样品磨损体积/基体磨损体积。相对耐磨性数值越大，耐磨性越好。

截面纳米硬度及微观力学性能表征：通过电火花线切割机将滚压样品切割成10mm×10mm×10mm的样块，然后对样品截面进行处理，采用SiC金相砂纸逐级打磨，然后用粒度为W2.5的人造金刚石研磨膏进行抛光。本发明实施例采用美国MTS公司生产的NanoIndenter XP型纳米压痕仪。该设备的位移分辨力为0.01nm，载荷分辨力为50nN，压头为Berkovich金刚石压子，加载速率和卸载速率均为10mN/s.最大载荷为300mN，对应最大载荷的保持时间为30s。为避免相邻压痕的应力场交叠，影响测量结果，以上所有测试中的相邻压痕中心之间的横向距离都设置为150μm。每一测试条件下对试样至少进行3次测量，然后取平均值。

下面通过具体实施例和对比例对本发明提供的一种核主泵用水润滑轴承轴套外圆的滚压表面强化工艺做具体说明。

对比例

将ASTM A473M S41500不锈钢基体材料做的核主泵用水润滑轴承轴套，使用专用芯轴装入轴套中，采用磨削加工工艺磨削轴套外圆，磨削完成后，检测样品得到样品的表面平均显微硬度达到250HV_0.1，粗糙度达到0.4。

实施例1

首先进行滚压实验，先确定泵压为150ba、主轴转速80r/min、滚珠尺寸为5mm、滚压道次为1次、压下量为0.12mm、进给量为0.12mm/min。将预先准备好的材料固定在卡具上，通过控制机器用滚珠抵住材料表面，然后进行滚压加工。检测样品得到样品的表面平均显微硬度约为340HV_0.1，相对于基体材料提高150HV_0.1，表面耐磨性相对于基体材料提高了2倍，疲劳寿命相对遇与材料提高1-2倍。表面粗糙度约为基体始材料表面的1/2。

实施例2

首先进行滚压实验，先确定泵压为150ba、主轴转速80r/min、滚珠尺寸为5mm、滚压道次为1次、压下量为0.16mm、进给量为0.12mm/min。将预先准备好的材料固定在卡具上，通过控制机器用滚珠抵住材料表面，然后进行滚压加工。检测样品得到样品的表面平均显微硬度约为450HV_0.1相对于原材料提高200HV_0.1，表面耐磨性相对于基体材料提高了3.1倍，疲劳寿命相对遇与材料提高1-2倍。表面粗糙度约为基体材料表面的1/3。

实施例3

首先进行滚压实验，先确定泵压为150ba、主轴转速80r/min、滚珠尺寸为5mm、滚压道次为1次、压下量为0.2mm、进给量为0.12mm/min。将预先准备好的材料固定在卡具上，通过控制机器用滚珠抵住材料表面，然后进行滚压加工。检测样品得到样品的表面平均显微硬度约为400HV_0.1相对于原材料提高150HV_0.1，表面耐磨性相对于基体材料提高了2.1倍，疲劳寿命相对遇与材料提高1-2倍。表面粗糙度约为基体材料表面的1/2。

实施例4

首先进行滚压实验，先确定泵压为150ba、主轴转速80r/min、滚珠尺寸为5mm、滚压道次为1次、压下量为0.24mm、进给量为0.12mm/min。将预先准备好的材料固定在卡具上，通过控制机器用滚珠抵住材料表面，然后进行滚压加工。检测样品得到样品的表面平均显微硬度约为340HV_0.1，相对于基体材料提高150HV_0.1，表面耐磨性相对于基体材料提高了2倍，疲劳寿命相对遇与材料提高1-2倍。表面粗糙度约为基体始材料表面的1/2。

实施例5

首先进行滚压实验，先确定泵压为150ba、主轴转速80r/min、滚珠尺寸为5mm、滚压道次为1次、压下量为0.2mm、进给量为0.17mm/min。将预先准备好的材料固定在卡具上，通过控制机器用滚珠抵住材料表面，然后进行滚压加工。检测样品得到样品的表面平均显微硬度约为450HV_0.1相对于原材料提高200HV_0.1，表面耐磨性相对于基体材料提高了3.1倍，疲劳寿命相对遇与材料提高1-2倍。表面粗糙度约为基体材料表面的1/3。

实施例6

首先进行滚压实验，先确定泵压为150ba、主轴转速80r/min、滚珠尺寸为5mm、滚压道次为1次、压下量为0.2mm、进给量为0.22mm/min。将预先准备好的材料固定在卡具上，通过控制机器用滚珠抵住材料表面，然后进行滚压加工。检测样品得到样品的表面平均显微硬度约为400HV_0.1相对于原材料提高150HV_0.1，表面耐磨性相对于基体材料提高了2.1倍，疲劳寿命相对遇与材料提高1-2倍。表面粗糙度约为基体材料表面的1/2。

参见图1，可以看出，滚压后的显微硬度明显提高，压下量为0.20mm时平均显微硬度值最大约为550HV_0.1，硬度是基体材料的2.2倍左右。

参见图2，可以看出，滚压后的显微硬度明显提高，进给量为0.12mm/min时平均显微硬度值最大约为550HV_0.1，硬度是基体材料的2.2倍左右。

参见图3，可以看出，滚压后距离表面越近显微硬度越高，远离表面显微硬度越趋近于基体的显微硬度。同时可以看出压下量为0.20mm时的硬度曲线分布处于更大值，明显优于采用其他参数滚压工艺的显微硬度值。

参见图4，可以看出，滚压后距离表面越近显微硬度越高，远离表面显微硬度越趋近于基体的显微硬度。同时可以看出进给量为0.12mm/min时的曲线值最大，明显优于采用其他参数滚压工艺的显微硬度。

参见图5-11，可以看出，与ASTM A473M S41500不锈钢基体材料相比，滚压层表面的平整度明显提高。从图6-11经滚压后的6张相貌照片可见，滚压层表面未见划痕、微裂纹、脱皮等损伤，说明滚压工程中仅存在表面塑性变形，材料表面局部形成薄层材料的塑性流动。同时可以观察到实施例3工艺材料表面最为平整，粗糙度最小。此时的压下量和进给量分别为0.20mm、0.12mm/min。

参见图12，可以看出，样品滚压后的残余应力都有巨幅的增加，其中在压下量为0.2mm时残余应力的绝对值最大约为900MPa左右。

参见图13，可以看出样品滚压后的残余应力都有巨幅的增加，其中在进给量为0.12mm/min时残余应力的绝对值最大约为900MPa左右。残余压应力可以降低了疲劳平均应力，减小了疲劳应力比，具有延长疲劳寿命和提高疲劳强度的作用。

参见图14-19，可以看出，滚压后材料表面形成了硬化层。其中实施例1和实施例4的样品的硬化层平均厚度约为100μm，实施例2的样品的硬化层平均厚度约为130μm，实施例6的样品的硬化层厚度约为100μm左右，实施例5的样品的硬化层厚度为130μm左右，而实施例3的样品的硬化层平均厚度最深，约为160μm左右。

参见图20-26，可以看出，ASTM A473M S41500不锈钢基体材料磨损样品表面的磨损最为严重，出现了大量的脱落和氧化磨损。材料经滚压处理后，样品表面磨痕形貌明显优于基体的磨痕形貌，剥落倾向减小、犁沟变浅。由于磨屑参与的二次磨损，其磨损特征表现为磨粒磨损。

参见图27，可以看出，实施例3的样品的弹性模量最大，其次是实施例2的样品，弹性模量最低的是实施例1和实施例4的样品。说明在实施滚压工艺时其他参数恒定不变的情况下，滚压压下量为0.20mm时效果最优。

参见图28，可以看出，实施例3的样品的弹性模量在各个层深的值均是最大的，其次是实施例6的样品，实施例5的样品最低。说明在其他参数不变的情况下进给量为0.12mm/min时最优。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种核主泵用水润滑轴承轴套外圆的滚压表面强化工艺，其特征在于：采用先磨削后滚压的加工方法，所述滚压加工包括将轴套固定于车床，按设定的泵压、车床转速、压下量及进给量调整滚压工具的位置和滚压力，开启冷却系统开始滚压，至滚压完毕，所述泵压设定为1.5MPa，所述车床转速设定为75-85r/min，所述压下量设定为0.12mm-0.24mm，所述进给量设定为0.12mm/min-0.22mm/min；所述轴套在设定的泵压、车床转速、压下量及进给量下进行滚压处理后，其表面硬化层厚度达到100-200μm。

2.根据权利要求1所述的核主泵用水润滑轴承轴套外圆的滚压表面强化工艺，其特征在于：所述滚压工具的滚珠或滚柱应设置在轴套的中间位置，允许偏差±1mm。

3.根据权利要求2所述的核主泵用水润滑轴承轴套外圆的滚压表面强化工艺，其特征在于：所述滚压工具的滚珠或滚柱在轴套表面竖直方向上的偏离角度控制在±30°。

4.根据权利要求1所述的核主泵用水润滑轴承轴套外圆的滚压表面强化工艺，其特征在于：所述磨削加工和滚压加工使用水溶性冷却滋润液作为工作介质，所述水溶性冷却滋润液的含油量至少为5％。