M50NiL材料復(fù)合化學(xué)熱處理后殘余應(yīng)力的預(yù)測

鄭艷華，劉秀蓮，班君，公平，張靜靜

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150000)

M50NiL鋼為低碳高合金滲碳鋼，國內(nèi)牌號為G13Cr4Mo4Ni4V，其中含有鎳元素，使材料具有較高的強(qiáng)度和韌性，由于含碳量較低，在應(yīng)用過程中往往通過滲碳工藝加工實現(xiàn)表面硬化。即使在高溫條件下，材料表面仍具有較高的硬度，同時心部保持較高的強(qiáng)度和韌性，是當(dāng)前高溫條件下服役的航空發(fā)動機(jī)軸承的優(yōu)選材料[1]。

近年來，航空軸承的應(yīng)用工況越來越苛刻，對M50NiL材料進(jìn)行表面滲碳工藝加工已不能滿足當(dāng)前的使用要求，國外對于該材料較早的采用復(fù)合化學(xué)熱處理工藝加工，即在滲碳工藝的基礎(chǔ)上再進(jìn)行滲氮處理。與單一的滲碳或滲氮方法相比，復(fù)合化學(xué)熱處理工藝加工后，材料表面的滲氮層與滲碳層之間可形成良好的功能梯度，其表面具有較高的硬度，在表面沿深度方向上的一定范圍內(nèi)產(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力，能抵抗較大的接觸應(yīng)力，抑制次表層的塑性變形，可大幅提高軸承的耐磨性、抗疲勞性能和抗膠合能力[2]。

在加工過程中，殘余應(yīng)力的形成過程無法控制，所以要求殘余應(yīng)力的檢測十分準(zhǔn)確，但檢測設(shè)備本身具有局限性，無法滿足高精度的測量要求。為此，對M50NiL材料在相同滲碳工藝基礎(chǔ)上選用不同的離子滲氮工藝加工參數(shù)，制備性能梯度分布不同的復(fù)合硬化層。分析不同工藝參數(shù)下滲氮層的顯微硬度和殘余應(yīng)力，確定沿深度方向上硬度梯度與殘余應(yīng)力的關(guān)系，從而建立殘余應(yīng)力的預(yù)測模型，并利用殘余應(yīng)力的測定值驗證該模型的準(zhǔn)確性。

1 試驗

試驗材料為M50NiL，冶煉方式為真空感應(yīng)(VIM)加真空自耗(VAR)，交貨狀態(tài)為退火態(tài)。對M50NiL材料進(jìn)行復(fù)合化學(xué)熱處理加工，即在滲碳工藝加工的基礎(chǔ)上進(jìn)行離子滲氮加工，試樣尺寸為φ20 mm×5 mm。采用氣體滲碳工藝，滲碳溫度為950 ℃，滲碳總時間為21 h。滲碳后試樣再經(jīng)機(jī)械加工和熱處理加工，在表面形成深約1.2 mm的滲碳層。材料的心部硬度為43～45 HRC，試樣硬度梯度曲線如圖1所示。

圖1 試樣硬度梯度曲線

離子滲氮工藝采用真空離子滲氮爐，滲氮過程通入氮?dú)夂蜌錃猓渲袣錃庾鳛橄♂寶怏w，可降低滲氮反應(yīng)的活化能，同時起到還原零件表面氧化物的作用。離子滲氮試驗中設(shè)定電壓為650 V，通入氮?dú)饬髁繛?00 mL/min，氫氣流量為800 mL/min，選定不同的滲氮溫度和滲氮時間進(jìn)行離子滲氮，工藝方案見表1。

表1 滲氮工藝方案

離子滲氮加工后，利用顯微維氏硬度計檢測滲氮層沿深度方向的硬度梯度，采用X射線應(yīng)力分析儀檢測滲層的應(yīng)力梯度。

2 結(jié)果與討論

5種方案下試樣的硬度梯度如圖2所示。由圖可知，對比滲碳后，材料經(jīng)滲氮后表面硬度大幅提高，達(dá)到1 000 HV0.3以上，在滲碳層的基礎(chǔ)上形成了均勻過渡的超硬滲氮層。從圖中的硬度曲線可知，上述5種方案中的滲氮層深度分別為150，200，135，141，155 μm；表面硬度分別為1 106，1 112，1 154，1 167，1 193HV0.3。對比方案A和B可知，在相同的滲氮溫度下，滲氮時間越長，表面硬度越高，滲層深度越深。研究表明，在離子滲氮過程中，隨著滲氮層深度增加，材料抗疲勞的極限值將增大[4-6]。對比方案C,D和E，在相同的滲氮時間下，隨著滲氮溫度的升高，滲氮層逐漸增大，材料表面的硬度逐漸增加。

圖2 滲氮后材料的硬度梯度

為了提高表面的抗疲勞性能，必須在接觸應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上計算材料的承載能力，在次表面下的殘余應(yīng)力的最大值所對應(yīng)的深度位置，必須與Hertz應(yīng)力的最大值所對應(yīng)的深度位置是相同的[7]。由于滲氮過程中氮元素與合金元素形成的氮化物以及碳氮化合物溶于ɑ-Fe中會引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致形成殘余應(yīng)力。為了獲得殘余應(yīng)力的最大值所對應(yīng)的深度，采用X射線衍射應(yīng)力測試儀測定5種方案滲氮后的殘余應(yīng)力，利用電解拋光方法獲得沿深度方向上的數(shù)據(jù)，滲氮后的殘余應(yīng)力分布曲線如圖3所示。由圖可知，M50NiL材料經(jīng)滲氮后的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最大值位于距表面100 μm的區(qū)域內(nèi)，且隨著深度增大，應(yīng)力逐漸減小。滲氮后材料表面的應(yīng)力增大，5種方案下殘余應(yīng)力最大值及其所在位置見表2。

由表2可知，對比方案C，D和E，隨著滲氮溫度的升高，滲氮后材料表面應(yīng)力的最大值所在位置距表面深度逐漸增大，但應(yīng)力值未呈現(xiàn)出一定規(guī)律。

圖3 滲氮后材料的殘余應(yīng)力

表2 滲氮后殘余應(yīng)力最大值及其所在位置

文獻(xiàn)[3]研究了H11鋼在離子滲氮后的顯微硬度和殘余應(yīng)力，證明沿深度方向上的顯微硬度曲線與殘余應(yīng)力曲線存在著一定的關(guān)系。鑒于此，分析M50Nil材料復(fù)合化學(xué)熱處理工藝加工后顯微硬度與殘余應(yīng)力的關(guān)系，建立殘余應(yīng)力的預(yù)測模型：利用沿滲層深度方向上的顯微硬度分布曲線對距表面距離進(jìn)行求導(dǎo)。求導(dǎo)后曲線最小值所在深度將與殘余應(yīng)力最大值所對應(yīng)的深度一致。

利用OriginLab軟件，分別將5種方案的硬度值HV0.3對距表面距離x求導(dǎo)，得出dHV0.3/dx的曲線分布，分別與對應(yīng)工藝方案下的殘余應(yīng)力的實測值(圖3)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，硬度曲線求導(dǎo)后與殘余應(yīng)力的分布趨勢接近；dHV0.3/dx的最小值所對應(yīng)的x值與殘余應(yīng)力最大值所對應(yīng)x實測值接近，進(jìn)而驗證了該模型的準(zhǔn)確性。在復(fù)合化學(xué)熱處理的工藝加工中，通過該模型的建立，可以利用顯微硬度曲線來推測材料次表面最大殘余應(yīng)力的深度位置，可以與Hertz應(yīng)力的最大值所對應(yīng)的深度位置進(jìn)行對比。

3 結(jié)束語

復(fù)合化學(xué)熱處理后，材料的顯微硬度曲線與殘余應(yīng)力的分布存在一定的關(guān)系，即顯微硬度曲線求導(dǎo)后的最小值與殘余應(yīng)力的最大值所對應(yīng)的深度方向上的位置是一致的。因此，復(fù)合化學(xué)熱處理工藝加工后，可以通過硬度計測定獲得滲氮層及擴(kuò)散區(qū)的顯微硬度曲線，將曲線求導(dǎo)后推斷殘余應(yīng)力最大值所在的深度位置，近而可以優(yōu)化離子滲氮的工藝參數(shù)，使殘余應(yīng)力最大值所在的深度位置達(dá)到Hertz應(yīng)力的最大值所在的深度位置，提高材料的抗疲勞性能。

(a)方案A

(b)方案B

(c)方案C

(d)方案D

圖4 dHV0.3/dx與殘余應(yīng)力的對比Fig.4 Comparison with dHV0.3/dx and residual stress