高壓氣淬對8Cr4Mo4V鋼制軸承套圈變形的影響

單瓊飛，賈玉鑫，康風波，李檢貴

（洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

8Cr4Mo4V高溫鋼制套圈的軸承在高溫下有較高的強度和良好的穩定性，適用于發動機的一些關鍵部位，在航空航天領域得到了廣泛應用。目前使用該材料加工的軸承型號越來越多，且加工尺寸逐漸向大型薄壁方向發展，對套圈熱處理質量控制要求也越來越高。然而由于受現有普通真空爐性能及油淬工藝所限，套圈依然采用傳統的油淬方式，變形、翹曲及錐度等尺寸較難控制，導致廢品率居高不下，造成大量浪費，增大了成本。而若增大加工留量，又易造成后期磨削燒傷，將嚴重影響產品的加工質量。

高壓氣淬工藝具有無氧化脫碳、無合金元素貧化及硬度均勻性好等特點，而且可以通過控制加熱及冷卻速度減小熱處理變形，并可實現清潔化熱處理［1-3］，故真空高壓氣淬技術在過去的幾十年內得到了迅速的發展和應用。一些國外企業已把高壓氣淬工藝成功地應用于高溫軸承鋼套圈淬火中，而國內還在探索階段。由于高壓氣淬工藝對設備性能要求較高，且與傳統油淬相比冷卻速度明顯降低，如何保證此類產品的淬透性也是難題之一。下文嘗試對大型薄壁、寬度較大的8Cr4Mo4V高溫軸承鋼套圈的高壓氣淬工藝進行研究，以獲得其最佳的高壓氣淬熱處理工藝參數，在保證產品淬透性的同時，減小套圈變形、翹曲及錐度，提高產品合格率。

1 試驗

1.1 試驗設備

試驗設備為法國ECM真空滲碳爐，該爐由加熱室、油淬室、真空通道及氣淬室構成，可同時實現傳統油淬和高壓氣淬工藝試驗。加熱室極限加熱溫度為1 320℃，可滿足8Cr4Mo4V高溫軸承鋼套圈熱處理工藝加熱要求；氣淬室可選用0～1 MPa的高壓氮氣（氮氣純度99.995%）進行淬火冷卻，確保產品的淬透性。

1.2 試驗內容

通過對淬火工藝以及氣淬壓力進行調整，分析高溫軸承鋼氣淬淬透性及氣淬壓力與產品變形、翹曲以及錐度的對應關系，解決由高溫軸承鋼油淬冷卻速度及淬火時組織轉變的不同時性引起的變形及翹曲，特別是錐度問題。

試驗的技術難點是既要保證產品的硬度要求，又能將產品的圓度、平面度及錐度控制在最小值。特別是錐度在熱處理中是無法進行整形處理的，所以減小寬度較大的耐熱鋼產品熱處理過程中的錐度尤為重要。

2 試驗結果與分析

2.1 氣淬壓力的選擇

在高壓氣淬熱處理工藝調試過程中，對有效壁厚1～12 mm的高溫軸承鋼套圈分別在0.1～1 MPa氣淬壓力下進行淬透性及尺寸控制方面的工藝試驗。隨著氣淬壓力的提高，氣淬室氣體密度增加，從高溫軸承鋼套圈上帶走的熱量增多，其冷卻速度加快。對淬火后的組織、硬度及變形、翹曲等尺寸變形量等質量控制指標進行檢測，研究高壓氣淬壓力與產品質量的對應關系。通過多次工藝試驗優化給出高溫軸承鋼高壓氣淬壓力的合適范圍為：氣淬壓力（MPa）＝（0.08～0.09）×套圈有效壁厚（mm）。

2.2 氣淬與油淬對套圈平面度及圓度的影響

選用20件某型號8Cr4Mo4V鋼制圓柱滾子軸承C27XX／01（外徑180 mm，寬度18 mm，有效壁厚2 mm）和20件D10XX／01（外徑220 mm，寬度20 mm，有效壁厚2 mm）分別進行氣淬及油淬熱處理工藝試驗，隨后對試件進行硬度檢測和組織觀察，并檢測其平面度及圓度等尺寸，結果見表1和表2。

該產品設計要求為：硬度60～64 HRC，組織M2～M4級，變形量（圓度、平面度）應控制在0.20 mm以內。從表1和表2可知：（1）2種套圈在氣淬和油淬工藝下均滿足組織和硬度要求。（2）C27XX／01氣淬工藝圓度平均變形量為0.13 mm，圓度超過0.20 mm的套圈有2件，不合格率為20%；平面度平均變形量為0.16 mm，平面度超過0.20 mm的套圈有3件，不合格率為30%。（3）油淬工藝圓度平均變形量為0.25 mm，圓度超過0.20 mm的套圈有7件，不合格率達70%；平面度平均變形量為0.28 mm，平面度超過0.20 mm的套圈有8件，不合格率高達80%。D10XX／01與C27XX／01的變形結果基本一致。與傳統油淬工藝相比，高壓氣淬工藝既可保證高溫軸承鋼套圈的淬透性，又在尺寸變形量控制方面有明顯改善，不合格率降低約40%～50%。

表1 圓柱滾子軸承C27XX／01和D10XX／01在0.2 MPa氣淬工藝下的試驗結果

表2 圓柱滾子軸承C27XX／01和D10XX／01在0.2 MPa油淬工藝下的試驗結果

2.3 氣淬與油淬對套圈錐度的影響

試驗選用30 件某型號圓柱滾子軸承8D26XX／01（外徑320 mm，有效壁厚10 mm，寬度40 mm）和30件D12XX／01（外徑180 mm，有效壁厚10 mm，寬度75 mm）分別進行油淬及氣淬熱處理工藝試驗，并在淬火后進行錐度檢測，檢測數據如圖1和圖2所示。

圖1 8D26XX／01氣／油淬火后的錐度變化

圖2 D12XX／01氣／油淬火后的錐度變化

由圖1可知，8D26XX／01采用真空滲碳爐氣淬工藝時的平均錐度為0.13 mm，而采用傳統油淬工藝時的平均錐度高達0.38mm。由圖2可知，D12XX／01采用氣淬工藝時的平均錐度為0.11 mm，傳統油淬工藝時的平均錐度高達0.50 mm。由此可見，氣淬工藝與傳統油淬相比，錐度均可控制在0.15 mm以內，徹底解決了油淬過程中套圈錐度難以控制的問題。

2.4 結果分析

工件淬火變形主要是由熱應力和組織應力所致［4-5］。淬火過程中隨著溫度的降低軸承套圈整體會向心部收縮，外層也會因冷速較快先開始收縮，并向心部冷卻較慢的部分施加壓應力，迫使其變形。油淬時高溫軸承鋼薄壁工件冷卻速度快，熱應力較大，產生的變形亦較大。而氣淬工藝中氮氣是相對緩和的冷卻介質，冷卻速度也可通過調節氣淬壓力和風扇轉速來控制，能確保工件均勻冷卻，故氣淬產生的熱應力和組織應力相對較小，工件變形小，產品變形量得到明顯改善。

3 結論

（1）通過多次熱處理工藝試驗，優化給出了8Cr4Mo4V鋼制軸承套圈最佳高壓氣淬壓力的經驗公式。

（2）與傳統油淬工藝相比，高壓氣淬工藝既能保證產品的淬透性，又能有效控制尺寸變形量，圓度及平面度均顯著改善，產品不合格率可降低約40%～50%；錐度可控制在0.15 mm以內，徹底解決了傳統油淬過程中錐度難以控制的問題。