迷宮密封環(huán)覆熔銅及試驗(yàn)檢測(cè)

何 柳 劉 淵 陳昌尾 黃新源 俞翔棟 解 放

(七一一研究所， 上海 200090)

0 引言

迷宮密封環(huán)是一種具有密封作用的零件，其鋼基體的內(nèi)外圓表面為覆銅層，在覆銅層表面加工有密封溝槽。迷宮密封環(huán)安裝在設(shè)備油腔和軸承座之間，通過(guò)內(nèi)外表面的密封溝槽防止油腔工作油與軸承潤(rùn)滑油的串通。

迷宮密封環(huán)在工作中受到離心力、慣性力、振動(dòng)力、熱應(yīng)力的作用，覆銅層與鋼基體的接合強(qiáng)度為考核其性能的主要指標(biāo)。本文采用熔覆銅技術(shù)進(jìn)行覆銅層的加工，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)熔覆性能進(jìn)行檢測(cè)。

1 迷宮密封環(huán)覆銅方案

目前常用的覆銅技術(shù)有氧乙炔焰堆焊、熔化極氣體保護(hù)電弧焊、釬焊及熔覆銅等。

(1) 氧乙炔焰堆焊

使用氧乙炔火焰熔化焊料及母材。迷宮密封環(huán)屬于薄壁零件，使用氧乙炔火焰堆焊，對(duì)工件的變形難以控制。通過(guò)樣件試制，其變形量約為2 mm，而要求的銅合金層在加工溝槽后銅層厚度只有1 mm，不能滿(mǎn)足加工要求。

(2) 熔化極氣體保護(hù)電弧焊

將焊絲作為電極，以連續(xù)送進(jìn)的焊絲與工件之間燃燒的電弧作為熱源來(lái)熔化焊絲與母材金屬。自動(dòng)焊接需1 mm直徑的盤(pán)裝焊絲，焊接過(guò)程穩(wěn)定，零件變形小。但因產(chǎn)品對(duì)焊材的特殊要求，沒(méi)有符合材料要求的1 mm焊絲。

(3) 釬焊

釬焊是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)，低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。釬焊對(duì)焊接零件的預(yù)留間隙要求較高，迷宮密封環(huán)薄壁銅套與鋼基體異種材料熱膨脹系數(shù)不同，兩者之間的間隙難以控制，釬焊樣件存在焊不滿(mǎn)和脫焊的現(xiàn)象。

(4) 熔覆銅

熔覆銅是指采用某種加熱方式使預(yù)置在基體上的銅合金整體熔化與基體發(fā)生冶金結(jié)合,而基體不熔化的一種覆銅方法，可實(shí)現(xiàn)無(wú)熔深表面熔覆[1]。在航天、航空領(lǐng)域及兵器制造業(yè)，為改善鋼材的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和表面硬度，通常在基體表面熔覆銅合金[2,3]。

通過(guò)上述方案的對(duì)比驗(yàn)證，熔覆銅為適用于迷宮密封環(huán)的覆銅方案。

通過(guò)熔覆銅技術(shù)，成功制作了迷宮密封環(huán)樣件，如圖1所示。

圖1 迷宮密封環(huán)熔覆銅Fig.1 labyrinth ring cladding copper

2 迷宮密封環(huán)分析計(jì)算

迷宮密封環(huán)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，需對(duì)其受力情況進(jìn)行分析、計(jì)算，以確定疲勞試驗(yàn)的加載方案。

2.1 宮密封環(huán)使用工況

根據(jù)設(shè)備的實(shí)際使用環(huán)境，迷宮密封環(huán)使用工況見(jiàn)表1。

表1 迷宮密封環(huán)使用工況

2.2 仿真計(jì)算

對(duì)迷宮密封環(huán)考核的目的是檢驗(yàn)熔覆層與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度，根據(jù)表1工況，按照迷宮密封環(huán)分別受離心力、慣性力、振動(dòng)力、熱應(yīng)力的情況，對(duì)迷宮密封環(huán)鋼銅結(jié)合層的受力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

結(jié)合層σ離心力max=5 MPa

結(jié)合層σ慣性力max=0.008 MPa

結(jié)合層σ振動(dòng)力max=0.06 MPa

結(jié)合層最大應(yīng)力σ熱應(yīng)力max=42 MPa。

2.3 小結(jié)

由上述計(jì)算結(jié)果可知，不同材料的熱膨脹差異是迷宮密封環(huán)鋼銅結(jié)合層受力的主要影響因素。

3 迷宮密封環(huán)熔覆層試驗(yàn)測(cè)試

3.1 宏觀及微觀金相試驗(yàn)

根據(jù)《ISO 15614-7 2007 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)—第7部分：堆焊》的要求，在樣件上截取試樣進(jìn)行金相分析，試樣包含鋼基體及內(nèi)外側(cè)熔覆層，試樣低倍形貌如圖6所示。

圖2 離心力最大主應(yīng)力分布圖Fig.2 maximum principal stress of centrifugal force

圖3 慣性力最大主應(yīng)力分布圖Fig.3 maximum principal stress of inertia force

圖4 振動(dòng)力最大主應(yīng)力分布圖Fig.4 maximum principal stress of vibration force

圖5 熱應(yīng)力最大主應(yīng)力分布圖Fig.5 maximum principal stress of thermal stress

圖6 試樣低倍形貌Fig.6 low magnification of specimen

圖6中A區(qū)(內(nèi)側(cè)熔覆層)組織為：α相+β相+少量灰色相，未見(jiàn)缺陷，見(jiàn)圖7所示；

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圖7 A區(qū)(內(nèi)側(cè)熔覆層)形貌Fig.7 morphology of A region (inner cladding layer)

熔合區(qū)(A與B交界區(qū))形貌見(jiàn)圖8所示，未見(jiàn)缺陷；

圖8 熔合區(qū)(A與B交界區(qū))形貌Fig.8 morphology of fusion area (transiting zone between A and B)

B區(qū)(鋼基體)組織為：鐵素體+珠光體，未見(jiàn)缺陷，見(jiàn)圖9所示；

圖9 B區(qū)(鋼基體)形貌Fig.9 morphology of B region (steel matrix)

熔合區(qū)(B與C交界區(qū))形貌見(jiàn)圖10所示，未見(jiàn)缺陷；

圖10 熔合區(qū)(B與C交界區(qū))形貌Fig.10 morphology of fusion area (transiting zone between B and C)

C區(qū)(外側(cè)熔覆層)組織為：α相+β相+少量灰色相，未見(jiàn)缺陷，見(jiàn)圖11所示。

金相試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼基體、熔覆層和結(jié)合層均未發(fā)現(xiàn)缺陷，滿(mǎn)足ISO 15614-7 2007的要求。

3.2 側(cè)彎試驗(yàn)

根據(jù)ISO 15614-7 2007的要求，進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，試樣厚度5 mm，彎曲角度120°，要求試樣的任何方向不得出現(xiàn)>3 mm的單缺陷。

圖11 C區(qū)(外側(cè)熔覆層)形貌Fig.11 morphology of C region (outer cladding layer)

迷宮密封換試樣經(jīng)側(cè)彎試驗(yàn)，未出現(xiàn)開(kāi)裂等損傷，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖12所示。

圖12 側(cè)彎試驗(yàn)Fig.12 lateral bending test

3.3 疲勞試驗(yàn)

根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形式，采用彎曲疲勞試驗(yàn)。

疲勞試驗(yàn)加載：1) 機(jī)械載荷(離心力、慣性力、振動(dòng)力)取3倍安全系數(shù)；2) 熱應(yīng)力取報(bào)警溫度110℃鋼銅結(jié)合面最大應(yīng)力。

疲勞試驗(yàn)結(jié)合層最大應(yīng)力：

σ結(jié)合層=3*(σ離心力+σ慣性力+σ振動(dòng)力) +σ熱應(yīng)力=57.2 MPa

(1)

對(duì)復(fù)合層結(jié)構(gòu)試樣彎曲應(yīng)力，采用等效截面法計(jì)算：

(2)

(3)

式中：b—試樣寬度，h—試樣厚度

試樣截面如圖13所示：

由式(2)、(3)可得試樣參數(shù)，見(jiàn)表2。

表中X為全截面形心位置：

5.6119 mm

(4)

圖13 試樣截面Fig.13 specimen section

內(nèi)容外側(cè)銅-1鋼基體-2內(nèi)側(cè)銅-3寬度b/mm3.74.52.7厚度h/mm555截面積S/mm214.738222.59.7382形心至截面左側(cè)面距離X/mm2.18285.458.7396移軸距離aX-X1X-X2X3-X截面慣性矩I/mm412.686337.96884.4388等效截面慣性矩I/mm492.994438.143466.2978

由全截面形心位置X可得：全截面型心距外側(cè)鋼銅結(jié)合面d1=X-b1=1.9119(mm)，距內(nèi)側(cè)鋼銅結(jié)合面d2=b1+b2-X=2.5881(mm)。

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，結(jié)合面的正應(yīng)力：

(5)

式中：M—彎矩，F(xiàn)—加載力，L—試驗(yàn)外支點(diǎn)間距(設(shè)為15 mm)，I—試驗(yàn)內(nèi)支點(diǎn)間距。

由式(5)得：

(6)

由式(1)、(6)得：

F=575 N

參照GB/T 3075-2008 金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法，確定試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3，試驗(yàn)裝置如圖14所示。

表3 疲勞試驗(yàn)參數(shù)

圖14 疲勞試驗(yàn)Fig.14 fatigue test

經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)后，對(duì)試樣進(jìn)行探傷檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，迷宮密封環(huán)熔覆銅試樣通過(guò)疲勞試驗(yàn)測(cè)試。

4 結(jié)論

迷宮密封環(huán)熔覆銅試樣金相試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼基與覆銅層界面沒(méi)有出現(xiàn)缺陷，實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合；側(cè)彎試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼基與覆銅層結(jié)合強(qiáng)度符合要求。

熔覆銅技術(shù)可以滿(mǎn)足迷宮密封環(huán)的覆銅工藝要求，解決了迷宮密封環(huán)覆銅工藝的難題，能夠滿(mǎn)足設(shè)備使用要求。