SG13Cr4Mo4Ni4V鋼軸承套圈熱處理工藝改進

劉秀蓮，班君，鄭艷華，趙強

(中航工業哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150027)

軸承是發動機系統的重要部件，與發動機的性能、壽命和可靠性密切相關，其服役工況復雜，具有高溫、高速、重載的特點，因此要求軸承表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有良好的韌性和強度。SG13Cr4Mo4Ni4V鋼系國產航空軸承用高溫滲碳鋼，在純凈度、微量元素及含氧量指標控制方面，通過雙真空冶煉技術可獲得與國外M50NiL鋼相近的化學成分和綜合力學性能，是高可靠性航空軸承研制的首選材料。

高溫滲碳鋼軸承套圈滲碳熱處理后的技術要求為：表面硬度58～63 HRC，心部硬度35～48 HRC；表面含碳量0.75%～0.95%；有效硬化層深度1.5～1.8 mm；表面組織為高碳細小結晶馬氏體及均勻分布的殘留碳化物，心部組織為低碳板條馬氏體和少量鐵素體。

以往用井式爐進行軸承套圈滲碳熱處理的工藝為：滲碳(強滲+擴散)+淬火+3次高溫回火+2次冷處理，改用密封箱式滲碳爐滲碳后，存在的主要問題是表面碳濃度達不到技術要求，滲碳層組織不均勻。為此，對SG13Cr4Mo4Ni4V鋼開展預氧化工藝試驗研究[1]，解決SG13Cr4Mo4Ni4V鋼套圈在密封箱式滲碳爐中存在的問題，以保證軸承質量[2]。

1 試驗材料

試驗材料為退火態SG13Cr4Mo4Ni4V鋼，其化學成分見表1，理化檢驗結果見表2。

表1 化學成分 (質量分數，%)

表2 理化檢驗結果

試驗設備為RM9-60×90×48密封箱式滲碳爐，爐內配置風扇循環系統，確保爐內氣氛均勻一致，溫度控制系統主要由數字化智能儀表、可控硅調功器和高溫熱電偶組成，通過PID精確控制爐膛溫度，控溫精度在±1.7 ℃以內;碳勢控制系統由碳控儀、氧探頭和丙烷氣體分配站構成，根據設定碳勢可自動調節丙烷氣的供氣量，碳控儀控制精度在±0.05%以內。

測試架規格：900 mm×600 mm×400 mm，剝層棒規格：φ60 mm×80 mm，試樣規格：φ15 mm×12 mm。剝層棒是在滲碳后，通過定量化學分析方法測試碳濃度梯度，為了評價加熱區內不同位置的滲碳質量效果，每種試驗均采用1個剝層棒和8個試樣，將1#～8#試樣分別置于測試架對應位置(圖1)，剝層棒置于中心點(9#)。

圖1 試樣測試架示意圖

2 試驗

2.1 預氧化時間優化試驗

針對SG13Cr4Mo4Ni4V鋼預先氧化處理與表面滲碳效果的關聯性進行試驗研究，采用不同的預氧化時間處理樣件，并在相同滲碳工藝條件下進行滲碳和熱處理[4]，即氣體滲碳+淬火+3次高溫回火+2次冷處理，通過測試分析獲取預氧化效果與滲碳工藝的匹配關系，解決碳濃度不達標的問題。采取預先截斷保護氣供應及排氣后直接入爐的方法。參考AMS2759/7B《滲碳鋼零件的氣體和真空滲碳與熱處理標準》、AMS6278《鋼棒、鍛件和管材4.1Cr-3.4Ni-4.2Mo-1.2V(0.11～0.15C)雙真空熔煉材料標準》和國外企業的成熟工藝制定試驗方案。根據國外先進企業的滲碳和相關熱處理工藝步驟及工藝控制技術要求，并經過反復試驗與驗證，最終確定預氧化處理溫度為(945±5) ℃，結合SG13Cr4Mo4Ni4V鋼制軸承套圈結構復雜、壁厚變化較大的特點，采取不同的預氧化時間進行試驗，試驗方案見表3。

表3 預氧化時間優化試驗方案

試樣分別經4種不同時間預氧化工藝處理及相同條件的滲碳和淬火+3次高溫回火+2次冷處理工藝(圖2)后，剝層棒按規定方法剝層取樣并進行化學定碳分析，測試結果見表4、表5，滲層組織如圖3所示。

圖2 工藝曲線

圖3 滲碳層顯微組織

表4 碳濃度分布結果

由表4、表5可知，經方案1工藝處理的試樣碳濃度和滲層深度均達不到技術要求；經方案2和方案3工藝處理的試樣，軸承工作表面(0.4 mm處)碳濃度在0.93%左右，滲層深度達到1.5～1.8 mm；經方案4工藝處理的試樣滲層深度過深，最深達到2.05 mm，且軸承工作表面(0.4 mm處)碳濃度達到1.21%。由圖可知，隨預氧化時間的延長，網狀和粗大碳化物呈明顯加重趨勢，因此確定最佳預氧化時間為30～40 min。

表5 爐內不同位置滲碳試樣理化檢測結果

試驗結果表明，SG13Cr4Mo4Ni4V鋼通過預氧化處理，可有效解決表面碳濃度不達標的問題。這是因為滲碳前進行預氧化，能燒掉零件表面未清洗掉的油脂[5]，不容易形成炭黑，使氧氣與鐵發生反應[6]，提高滲碳零件表面活性，從而加快活性碳原子滲入過程和表面碳濃度梯度的形成，有效地提高滲碳速度和滲層均勻性，獲得合格的組織和性能[7]。

2.2 預生產試驗

為了解決滲層不均勻的問題，參考以往多次試驗結果，基于密封箱式滲碳爐兩側風循環通道的結構特性及爐門的影響，將有效裝載區尺寸進行調整，調整后長×寬×高為600 mm×500 mm×400 mm，裝載區的縮小有利于提高滲碳件溫度場和氣氛對流的均勻性，減少爐內邊界區域氣氛流動不均勻導致的干擾和影響。根據軸承套圈的壁厚范圍，試樣壁厚分別選擇8，14，25 mm，壁厚大時，采取上限時間；壁厚小時，采取下限時間，預氧化對應時間分別為30，35，40 min。試驗方案見表6。

表6 預生產試驗方案

試樣經預氧化、滲碳熱處理后全面進行理化測試分析，剝層棒按規定方法剝層取樣并進行化學定碳分析，測試結果見表7、表8，滲層組織、心部組織分別如圖4、圖5所示。

表7 碳濃度分布測試結果

表8 理化檢測結果

圖4 滲碳層顯微組織

圖5 心部顯微組織

由表7、表8及圖4、圖5可知，試樣的碳濃度、表面和心部硬度、有效硬化層深度、滲層和心部組織均達到技術要求，且同爐試樣滲碳層均在0.13 mm以內，解決了在密封箱式多用爐上滲碳層不均勻的問題。通過預生產試驗，不但驗證了預氧化時間確定的合理性，而且同爐滲層均勻性得到有效控制，解決了密封箱式滲碳爐滲碳后，滲碳表面濃度不達標、滲碳層不均勻的問題。

3 實際驗證

根據井式爐滲碳原工藝，結合測試結果和預生產試驗工藝，按套圈的有效壁厚，采用預氧化工藝(945±5) ℃×(30～40) min+氣體滲碳+淬火+3次高溫回火+2次冷處理進行軸承套圈生產驗證，經此工藝生產的軸承套圈，不但滲碳熱處理后的表面硬度、心部硬度、表面含碳量、有效硬化層深度、表面組織和心部組織等技術指標達到了技術要求，而且研制交付的某發動機主軸軸承，其性能均達到了技術要求，一次性通過2 500 h壽命試驗和斷油試驗，滿足了發動機的設計技術要求，且此工藝已用于軸承套圈的批量加工。

4 結論

1)采用密封箱式多用爐氣體滲碳SG13Cr4Mo4Ni4V鋼軸承套圈，滲碳前應進行預氧化處理，可保證滲層質量。

2)通過SG13Cr4Mo4Ni4V鋼預氧化工藝技術研究，確定SG13Cr4Mo4Ni4V鋼的熱處理工藝為：預氧化(945±5)℃×(30～40) min+氣體滲碳+淬火+3次高溫回火+2次冷處理，經生產驗證滿足軸承熱處理技術要求。