耿長建，邢丕臣，牛春興，滕佰秋，李曉欣

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

某型發(fā)動機(jī)軸承為外圈帶擋邊短圓柱滾子軸承，其外圈、保持架、滾棒裝配到中央錐齒輪傳動機(jī)構(gòu)中，在軸承內(nèi)圈裝配到低壓渦輪軸上與軸頸一起轉(zhuǎn)動。在航空發(fā)動機(jī)工作中，軸承的內(nèi)外圈分別隨低渦軸和中央錐齒輪同時(shí)調(diào)整旋轉(zhuǎn)。如果軸承游隙過大、航空發(fā)動機(jī)振動大、滾動軸承噪聲大；軸承游隙過小、滾動軸承溫度升高、應(yīng)力增大以至滾動體卡死，將會縮短軸承壽命。軸承由外圈、內(nèi)圈、保持架、滾動體組成，是1個(gè)支撐軸并能使軸承旋轉(zhuǎn)的零件。軸承可分為滾動軸承和滑動軸承[1]。8Cr4Mo4V鋼是某型發(fā)動機(jī)軸承內(nèi)圈的使用材料，在工作過程中承受較大的交變彎曲載荷或扭轉(zhuǎn)載荷的作用。為了控制軸承在工作狀態(tài)下的游隙，需對軸承進(jìn)行鍍鉻。雖然國內(nèi)外學(xué)者對鍍鉻工藝及其對材料力學(xué)行為的影響有一定研究[2-14]，但是鍍鉻對8Cr4Mo4V軸承鋼疲勞性能的影響研究，還少見相關(guān)的報(bào)道。

某型航空發(fā)動機(jī)在試車過程中軸承受損嚴(yán)重，該軸承內(nèi)圈因設(shè)計(jì)需要帶有防轉(zhuǎn)銷槽（即帶缺口），并且為了控制軸承在工作狀態(tài)下的游隙，對該部件首次進(jìn)行了鍍鉻工藝；為了研究軸承內(nèi)圈用材料8Cr4Mo4V鋼力學(xué)性能對缺口及鍍鉻工藝的敏感性，本文在接近軸承內(nèi)圈實(shí)際工作溫度200℃條件下，利用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)研究了缺口及鍍鉻工藝對8Cr4Mo4V鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度的影響，為排故工作提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，最終為確保軸承的使用壽命，保證發(fā)動機(jī)安全可靠工作提供技術(shù)支持。

1 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)溫度為200℃、保溫時(shí)間為30 min、高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)頻率為5000 r/m。光滑試樣（表面粗糙度為0.32）、缺口試樣（表面粗糙度為0.32）均由同一熔批8Cr4Mo4V鋼加工，其尺寸分別如圖1、圖2所示。

鍍層厚度當(dāng)0.03～0.05 mm，鍍鉻工藝如下：

（1）預(yù)熱溫度：在49～53℃條件下，保溫為 2～8 min；

（2）陽極處理：在49～-53℃條件下，保溫為0.5～1 min；

（3）鍍鉻：在 49～53℃條件下，在 1～2 min內(nèi)將電流密度提高至70～75 A/dm2，然后將其轉(zhuǎn)變到45～50 A/dm2；時(shí)間隨鍍層厚度不同而不同。

鍍鉻后4 h以內(nèi)除氫：將試樣置于140～160℃下的HH-20航空滑油中，時(shí)間為2h+15 min。

1.1 光滑試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

1.1.1 非鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

非鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表1。

經(jīng)計(jì)算光滑試樣中值疲勞極限：

1.1.2 鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 非鍍鉻試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果

表2 鍍鉻試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限為540 MPa，相對于非鍍鉻試樣疲勞極限為860MPa，下降了37.2%，與文獻(xiàn)[15]結(jié)果相似。

非鍍鉻試樣、鍍鉻試樣的疲勞壽命-載荷曲線如圖3所示。從圖中可見，鍍鉻試樣的疲勞壽命、疲勞極限均明顯低于非鍍鉻試樣，并且部分試樣的疲勞壽命分布在104以內(nèi)。

1.2 缺口試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

1.2.1 非鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

缺口試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 缺口試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果

通過計(jì)算，缺口試樣疲勞極限為310 MPa，與非鍍鉻試樣疲勞極限860 MPa相比降低了70%，說明8Cr4Mo4V鋼缺口敏感性極強(qiáng)，該材料不適用于帶缺口構(gòu)件的加工。

1.2.2 缺口鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

缺口鍍鉻試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)見表4。

表4 缺口鍍鉻試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果

通過計(jì)算，缺口鍍鉻試樣的疲勞極限為95 MPa，相比缺口非鍍鉻試樣疲勞極限為310 MPa，下降了69.4%，說明鍍鉻對缺口試樣疲勞極限影響極大，所以帶缺口的構(gòu)件能用鍍鉻工藝來調(diào)整其工作游隙。

缺口試樣、缺口鍍鉻試樣的疲勞壽命-載荷曲線如圖4所示。從圖中可見，缺口鍍鉻試樣的疲勞壽命、疲勞極限均明顯低于缺口試樣。

2 分析與討論

2.1 非鍍鉻試樣斷口形貌

非鍍鉻試樣循環(huán)周次為5413982的斷口形貌如圖6所示。從圖6（b）中可見，該疲勞為單源疲勞，其裂紋起源于基體亞表面，距表面約為40μm。

2.2 鍍鉻試樣斷口形貌

鍍鉻試樣循環(huán)周次為5232的斷口形貌如圖7所示。在斷口處呈多處線源，起源于鍍層和基體界面處，沿鍍層和基體2個(gè)方向徑向擴(kuò)展，如圖7（a）所示；在鍍層和基體均可見大量的疲勞條帶特征，如圖7（b）～（d）所示；其余大部分面積均為快速擴(kuò)展區(qū)，如圖7（e）所示；其他區(qū)域鍍層也可見疲勞特征，均從鍍層和基體界面起源，如圖 7（f）所示。

3 結(jié)論

（1）鍍鉻試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限為540 MPa，相比非鍍鉻試樣疲勞極限為860 MPa，下降了37.2%，鍍鉻對軸承內(nèi)圈材料（8Cr4Mo4V）的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命有較大影響。

（2）缺口試樣疲勞極限為310 MPa，相比非鍍鉻試樣疲勞極限為860 MPa，降低了70%，8Cr4Mo4V鋼缺口敏感性極強(qiáng)，該材料不適用于帶缺口構(gòu)件的加工。

（3）缺口鍍鉻試樣的疲勞極限為95 MPa，相比缺口非鍍鉻試樣疲勞極限為310 MPa，下降了69.4%，鍍鉻對缺口試樣疲勞強(qiáng)度影響極大，帶缺口的構(gòu)件不能用鍍鉻工藝來調(diào)整其工作游隙。

（4）非鍍鉻試樣疲勞均起源于基體亞表面；在鍍鉻試樣中，循環(huán)周次較高的疲勞起源于基體亞表面，而循環(huán)周次較低的疲勞起源于鍍鉻層或基體與鍍鉻層界面。

[1]武曉龍，別忠義.某型發(fā)動機(jī)三支點(diǎn)軸承裝配游隙的調(diào)整方法[J].機(jī)械工程師，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，趙捷，王志奇，等.表面強(qiáng)化對30CrMnSiA鋼疲勞性能的影響[J].機(jī)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]葉斌，盧繼光，邵渭賢.表面強(qiáng)化銷軸農(nóng)用滾子鏈的磨損試驗(yàn)研究[J].鏈傳動專題，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]黃進(jìn)峰，連勇，張程，等.不同表面處理?xiàng)l件下身管燒蝕研究[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，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.鍍鉻工藝的應(yīng)用及相關(guān)配方介紹[J].表面工程與再制造,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]王榮，馮金善,蘇順.高強(qiáng)度鋼制軸類零件加工制造中開裂原因分析與工藝改進(jìn)[J].理化檢驗(yàn) - 物理分冊，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]龔煌輝.高強(qiáng)度鋼制軸類零件加工制造中開裂原因分析與工藝改進(jìn)[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，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，馮坤.工程機(jī)械常用銷軸磨損失效分析[J].失效分析與預(yù)防，2013，8（6）：376-379.LI Yi，F(xiàn)ENG Kun.Wear failure analysis on dowel of hydraulic grab[J].Analysis and Prevenience of Failure,2013,8（6）:376-379.（in Chinese)

[10]孫韶，劉強(qiáng)憲，夏禹，等.活塞環(huán)表面鍍鉻與激光微織構(gòu)的復(fù)合工藝研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，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]杜戰(zhàn)雄.活塞環(huán)鍍鉻針孔原因分析與預(yù)防 [J].內(nèi)燃機(jī)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]張繼.鍍鉻技術(shù)在活塞環(huán)槽表面處理中的應(yīng)用研究[D].大連:大連海事大學(xué),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.應(yīng)變速率和除氫對鍍鉻和鍍Cd-Ti后的GC-4鋼氫脆特性的影響[J].中國電子技術(shù)學(xué)報(bào)，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]張旭.直八直升機(jī)發(fā)動機(jī)傳動系部件表面鍍鉻工藝與理論研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，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,賈偉.鍍鉻對0Cr13Ni4Mo鋼疲勞強(qiáng)度的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程，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)