迷宫密封环覆熔铜及试验检测

0 引言

迷宫密封环是一种具有密封作用的零件，其钢基体的内外圆表面为覆铜层，在覆铜层表面加工有密封沟槽。迷宫密封环安装在设备油腔和轴承座之间，通过内外表面的密封沟槽防止油腔工作油与轴承润滑油的串通。

迷宫密封环在工作中受到离心力、惯性力、振动力、热应力的作用，覆铜层与钢基体的接合强度为考核其性能的主要指标。本文采用熔覆铜技术进行覆铜层的加工，并通过试验对熔覆性能进行检测。

1 迷宫密封环覆铜方案

目前常用的覆铜技术有氧乙炔焰堆焊、熔化极气体保护电弧焊、钎焊及熔覆铜等。

(1) 氧乙炔焰堆焊

使用氧乙炔火焰熔化焊料及母材。迷宫密封环属于薄壁零件，使用氧乙炔火焰堆焊，对工件的变形难以控制。通过样件试制，其变形量约为2 mm，而要求的铜合金层在加工沟槽后铜层厚度只有1 mm，不能满足加工要求。

(2) 熔化极气体保护电弧焊

将焊丝作为电极，以连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属。自动焊接需1 mm直径的盘装焊丝，焊接过程稳定，零件变形小。但因产品对焊材的特殊要求，没有符合材料要求的1 mm焊丝。

(3) 钎焊

钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。钎焊对焊接零件的预留间隙要求较高，迷宫密封环薄壁铜套与钢基体异种材料热膨胀系数不同，两者之间的间隙难以控制，钎焊样件存在焊不满和脱焊的现象。

(4) 熔覆铜

熔覆铜是指采用某种加热方式使预置在基体上的铜合金整体熔化与基体发生冶金结合,而基体不熔化的一种覆铜方法，可实现无熔深表面熔覆[1]。在航天、航空领域及兵器制造业，为改善钢材的导电、导热性能和表面硬度，通常在基体表面熔覆铜合金[2,3]。

通过上述方案的对比验证，熔覆铜为适用于迷宫密封环的覆铜方案。

通过熔覆铜技术，成功制作了迷宫密封环样件，如图1所示。

图1 迷宫密封环熔覆铜
Fig.1 labyrinth ring cladding copper

2 迷宫密封环分析计算

迷宫密封环进行疲劳试验，需对其受力情况进行分析、计算，以确定疲劳试验的加载方案。

2.1 宫密封环使用工况

根据设备的实际使用环境，迷宫密封环使用工况见表1。

表1 迷宫密封环使用工况

Table 1 working condition of labyrinth ring

2.2 仿真计算

对迷宫密封环考核的目的是检验熔覆层与钢基体的结合强度，根据表1工况，按照迷宫密封环分别受离心力、惯性力、振动力、热应力的情况，对迷宫密封环钢铜结合层的受力进行计算，计算结果如下：

结合层σ离心力max=5 MPa

结合层σ惯性力max=0.008 MPa

结合层σ振动力max=0.06 MPa

结合层最大应力σ热应力max=42 MPa。

2.3 小结

由上述计算结果可知，不同材料的热膨胀差异是迷宫密封环钢铜结合层受力的主要影响因素。

3 迷宫密封环熔覆层试验测试

3.1 宏观及微观金相试验

根据《ISO 15614-7 2007 焊接工艺评定试验—第7部分：堆焊》的要求，在样件上截取试样进行金相分析，试样包含钢基体及内外侧熔覆层，试样低倍形貌如图6所示。

图2 离心力最大主应力分布图
Fig.2 maximum principal stress of centrifugal force

图3 惯性力最大主应力分布图
Fig.3 maximum principal stress of inertia force

图4 振动力最大主应力分布图
Fig.4 maximum principal stress of vibration force

图5 热应力最大主应力分布图
Fig.5 maximum principal stress of thermal stress

图6 试样低倍形貌
Fig.6 low magnification of specimen

图6中A区(内侧熔覆层)组织为：α相+β相+少量灰色相，未见缺陷，见图7所示；

图7 A区(内侧熔覆层)形貌
Fig.7 morphology of A region (inner cladding layer)

熔合区(A与B交界区)形貌见图8所示，未见缺陷；

图8 熔合区(A与B交界区)形貌
Fig.8 morphology of fusion area (transiting zone between A and B)

B区(钢基体)组织为：铁素体+珠光体，未见缺陷，见图9所示；

图9 B区(钢基体)形貌
Fig.9 morphology of B region (steel matrix)

熔合区(B与C交界区)形貌见图10所示，未见缺陷；

图10 熔合区(B与C交界区)形貌
Fig.10 morphology of fusion area (transiting zone between B and C)

C区(外侧熔覆层)组织为：α相+β相+少量灰色相，未见缺陷，见图11所示。

金相试验结果表明：钢基体、熔覆层和结合层均未发现缺陷，满足ISO 15614-7 2007的要求。

3.2 侧弯试验

根据ISO 15614-7 2007的要求，进行侧弯试验，试样厚度5 mm，弯曲角度120°，要求试样的任何方向不得出现>3 mm的单缺陷。

图11 C区(外侧熔覆层)形貌
Fig.11 morphology of C region (outer cladding layer)

迷宫密封换试样经侧弯试验，未出现开裂等损伤，满足标准要求，如图12所示。

图12 侧弯试验
Fig.12 lateral bending test

3.3 疲劳试验

根据零件的结构形式，采用弯曲疲劳试验。

疲劳试验加载：1) 机械载荷(离心力、惯性力、振动力)取3倍安全系数；2) 热应力取报警温度110℃钢铜结合面最大应力。

疲劳试验结合层最大应力：

σ结合层=3*(σ离心力+σ惯性力+σ振动力) +σ热应力=57.2 MPa

(1)

对复合层结构试样弯曲应力，采用等效截面法计算：

(2)

式中：I—截面惯性矩，等效截面惯性矩，S—截面积，a—移轴距离

(3)

式中：b—试样宽度，h—试样厚度

试样截面如图13所示：

由式(2)、(3)可得试样参数，见表2。

表中X为全截面形心位置：

X=+

5.6119 mm

(4)

其中：弹性模量

图13 试样截面
Fig.13 specimen section

表2 试样参数

Table 2 specimen parameters

由全截面形心位置X可得：全截面型心距外侧钢铜结合面d1=X-b1=1.9119(mm)，距内侧钢铜结合面d2=b1+b2-X=2.5881(mm)。

四点弯曲试验中，结合面的正应力：

(5)

式中：M—弯矩，F—加载力，L—试验外支点间距(设为15 mm)，I—试验内支点间距。

由式(5)得：

(6)

由式(1)、(6)得：

F=575 N

参照GB/T 3075-2008 金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法，确定试验参数见表3，试验装置如图14所示。

表3 疲劳试验参数

Table 3 parameters of fatigue test

图14 疲劳试验
Fig.14 fatigue test

经过疲劳试验后，对试样进行探伤检测，未发现裂纹等缺陷，迷宫密封环熔覆铜试样通过疲劳试验测试。

4 结论

迷宫密封环熔覆铜试样金相试验结果表明：钢基与覆铜层界面没有出现缺陷，实现了冶金结合；侧弯试验及疲劳试验结果表明：钢基与覆铜层结合强度符合要求。

熔覆铜技术可以满足迷宫密封环的覆铜工艺要求，解决了迷宫密封环覆铜工艺的难题，能够满足设备使用要求。