40Cr15Mo2VNA鋼軸承套圈鍛造工藝改進

馮小川，吳玉成，范紅偉，艾青牧，高春月

(中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150027)

軸承作為航空發動機系統的重要零部件，其使用性能直接影響發動機的壽命和可靠性[1-2]。航空發動機某部位用軸承要求能夠滿足高溫、重載、防潮濕、防鹽霧、防霉菌等特殊工況需求，為了滿足主機使用要求，軸承設計時經多方案論證，套圈材料采用40Cr15Mo2VNA鋼(Cronidur30鋼的國產化材料)。該材料通過降碳增氮，優化冶煉、鍛造和熱處理工藝等措施控制組織結構、晶粒度以及碳化物分布等，允許使用溫度高達350 ℃，在高溫下具有穩定的硬度、強度、良好的抗磨性和較高的斷裂韌性，在“三防”方面具有顯著的耐腐蝕特性。

軸承工作中承受軸向、徑向載荷及傾覆力矩，并結合軸承大長徑比的結構特點(外徑φ700 mm，寬度22 mm)，套圈需要采用鍛件毛坯加工。套圈鍛造鐓粗輾擴加工，除了可以滿足幾何尺寸要求外，還可以改變金屬內部組織，提高金屬的力學性能；使粗大的晶粒細化；減小切削加工余量，提高生產效率。

根據40Cr15Mo2VNA鋼材料成分和其高溫特性，制定的鍛造工藝流程為：下料→加熱→鐓粗→沖孔→加熱→預軋→加熱→終軋→退火。首批采用外圈進行試鍛，共鍛造了10件，根據理化檢測結果，鍛件的組織性能均能滿足標準要求，但在鍛造生產過程中坯料開裂問題比較嚴重(發現3件)。為防止后期鍛件生產時坯料開裂[3-7]，需要對目前的工藝流程和工藝方法進行分析和優化。

1 原材料檢測

1.1 原材料復驗

原材料采用國產高氮不銹鋼(牌號40Cr15Mo2VNA-Q/GYB 912—2015)，冶煉方法為非真空感應+電渣重熔，棒料投料，入廠復驗包括：

1)化學成分檢測。檢測結果見表1，滿足技術協議要求。

表1 化學成分 (質量分數，%)

2)退火態硬度檢測。截取試樣進行淬、回火處理后檢測硬度，結果見表2，硬度滿足技術協議要求。

表2 硬度檢測結果

3)40Cr15Mo2VNA材料性能參數檢驗結果見表3。

表3 40Cr15Mo2VNA材料性能參數

1.2 原材料驗收

1)低倍組織：頭部、尾部均未見缺陷，白斑、暗斑、放射狀偏析、環狀偏析均優于標準ASTM A604—2007中的A級(圖1)。

圖1 棒材的低倍組織照片

2)晶粒度:原材料頭、尾部晶粒度檢測結果均為8級(技術要求為6級或更細)，如圖2所示。

圖2 棒材晶粒度

3)碳化物：碳化物檢驗檢測均滿足標準要求，網狀碳化物按照YB 4107—2000《航空發動機用高碳鉻軸承鋼》檢驗，合格級別小于或等于2.5級；帶狀碳化物按照YB 4107—2000檢驗， 提供實測值。高倍組織如圖3所示。

圖3 棒材碳化物檢測組織

4)非金屬夾雜物：棒材頭、尾部的非金屬夾雜物檢測結果見表4和圖4。

表4 棒材頭、尾部的非金屬夾雜物檢測結果

圖4 棒材非金屬夾雜物

5)脫碳層：棒材頭、尾部脫碳層深度分別為0.621,0.659 mm(要求≤1.14 mm )，如圖5所示。

圖5 棒材脫碳層組織

2 套圈鍛造工藝及存在問題

40Cr15Mo2VNA鋼鍛件原生產工藝見表5。

表5 鍛件生產工藝

圖6 鍛造加熱曲線

圖7 退火加熱曲線

依照原工藝加工的套圈存在如下問題：

1)鐓粗沖孔后，坯料出現大量的麻紋(圖8)；

圖8 鍛件的表面麻紋

2)預軋后，套圈內徑倒角處有裂紋；

3)退火后，鍛件端面內徑倒角處產生大量裂紋(圖9)。

圖9 帶裂紋的鍛件

對鍛件進行理化檢測，室溫拉伸、伸長率、硬度、高溫拉伸等性能指標均合格(表6)。

表6 鍛件力學性能檢測結果

3 改進后鍛造工藝

針對改進前套圈鍛造工藝出現的鍛件表面存在麻紋和端面內徑倒角處產生大量裂紋問題，分析產生的原因為：1)棒料為拉拔成形，表面狀態差，可能存在微小裂紋；2)加熱后鐓粗和沖孔一次完成，鍛件坯料一次變形量過大，存在較大應力；3)鍛件冷卻過快，組織轉變應力過大，導致裂紋。

改進后的工藝路線為：棒料表面車加工→下料→加熱→鐓粗→加熱→沖孔→加熱→預軋→加熱→終軋→紅裝退火。與改進前工藝路線相比，增加了棒料表面車光、沖孔前加熱工序，并調整了退火工序，由原來的隨爐緩冷后退火調整為紅裝退火(狀態是紅色)等。改進前后工藝對比見表7。

表7 鍛件工藝對比

4 改進效果

采用改進后的工藝進行套圈鍛件加工，加工外徑φ700 mm的軸承內圈20件、外圈10件，加工外徑φ650 mm的軸承內圈10件、外圈5件，共計45件。2種型號軸承的內、外套圈鍛件外觀檢查全部合格，未出現坯料開裂問題；理化檢測的各項性能指標均合格。