用12Cr18Ni9替代1Cr18Ni9Ti制造某型軸承保持架的可行性分析

陳博， 葉健熠，張文濤，孫北奇

(1. 中國人民解放軍空軍裝備部，北京 100843；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

某型高溫深溝球軸承的工作環(huán)境溫度為350 ℃，工作轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，采用油潤滑，軸承承受的載荷較小。軸承套圈及鋼球采用高溫鋼Cr4Mo4V，要求符合YB/T 4105—2000《航空發(fā)動機(jī)用高溫軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)；保持架為2個帶爪沖壓半保持架，材料采用1Cr18Ni9Ti，要求符合GB/T 4239—1991《不銹鋼和耐熱鋼冷軋鋼帶》中經(jīng)固溶處理的奧氏體型鋼帶(軟態(tài))。多年來，該型號軸承均以此方式研制生產(chǎn)，產(chǎn)品應(yīng)用情況良好，未發(fā)生質(zhì)量問題。

目前，GB/T 4239—1991并入GB/T 3280—2015《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》，新國標(biāo)中無1Cr18Ni9Ti的材料牌號，鋼鐵企業(yè)也不再冶煉該鋼材。因此，必須重新選擇一種材料來替代1Cr18Ni9Ti制造該型號軸承和類似工況軸承的保持架。12Cr18Ni9與1Cr18Ni9Ti均屬于奧氏體不銹鋼，具有無磁性，耐蝕性能良好，高溫強(qiáng)度和高溫抗氧化性能好，沖擊韌性好，大量作為耐熱鋼使用。現(xiàn)通過對比1Cr18Ni9Ti和12Cr18Ni9的化學(xué)成分、力學(xué)性能、耐腐蝕性能及加工性能，研究用12Cr18Ni9替代1Cr18Ni9Ti制造該型軸承沖壓保持架的可行性。

1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

1.1 化學(xué)成分

12Cr18Ni9與1Cr18Ni9Ti的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值見表1(除范圍外，其余均為最大值)。由表可知，這2種材料中主要化學(xué)元素(C，Cr，Ni)的含量基本相當(dāng)，不同的是1Cr18Ni9Ti含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5(C-0.02)%～0.80%的Ti，12Cr18Ni9含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.10%的N。

表1 2種鋼的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值Tab.1 Standard values for chemical compositions of two kinds of steels w，%

1.2 力學(xué)性能

2種材料的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值及厚度δ=0.3 mm鋼帶的力學(xué)性能實測結(jié)果見表2。由表可知，2種材料的力學(xué)性能相當(dāng)。

表2 2種鋼的力學(xué)性能要求和檢測結(jié)果Tab.2 Mechanical property requirements and testing results of two kinds of steels

2 耐腐蝕性能

12Cr18Ni9與1Cr18Ni9Ti相比，后者加入了少量穩(wěn)定碳化物的元素Ti，主要目的是防止晶間腐蝕，但需要經(jīng)過穩(wěn)定化處理后才能實現(xiàn)。雖然Ti的加入可形成TiC，但在固溶處理過程中，Cr3C2溶解的同時，大部分TiC也溶解了。由于Ti在鋼中的含量相對于Cr要少的多，且Ti原子比Cr原子大，Ti的擴(kuò)散能力低于Cr，隨后再經(jīng)過400～800 ℃加熱，形成的仍是Cr3C2，而不是TiC。只有800 ℃以上的時效處理才能保證TiC的形成，從而達(dá)到防止晶間腐蝕的效果。由此可見，1Cr18Ni9Ti穩(wěn)定化處理對防止晶間腐蝕非常重要，一般生產(chǎn)中采用的穩(wěn)定化工藝為860～880 ℃，保溫6 h，在空氣中冷卻。

該型號軸承自定型以來，為了保證保持架的表面質(zhì)量，1Cr18Ni9Ti保持架從未進(jìn)行穩(wěn)定化處理，也起不到防止晶間腐蝕作用。該軸承在具有噴油潤滑系統(tǒng)的高溫環(huán)境下工作不會發(fā)生晶間腐蝕，因此，保持架設(shè)計不是主要考慮防止晶間腐蝕，而是考慮高溫高速下保持架的強(qiáng)度。另外，該軸承套圈及鋼球材料為高溫鋼Cr4Mo4V，易腐蝕，而1Cr18Ni9Ti 和12Cr18Ni9均為奧氏體不銹鋼，耐腐蝕性能更優(yōu)。因此，在該軸承的使用工況下，12Cr18Ni9保持架的耐腐蝕性完全滿足要求。

3 加工工藝性能

12Cr18Ni9鋼帶具有良好的力學(xué)性能及較大的變形能力，是常用的軸承沖壓保持架材料。采用12Cr18Ni9固溶態(tài)鋼帶沖壓的保持架現(xiàn)已在多種型號軸承中大量應(yīng)用，加工和使用狀況良好、穩(wěn)定。

沖壓保持架的工藝流程為：下料→串光→沖壓成形→整形→串光→拋光→成檢。沖壓保持架成品不能有折裂、裂紋等缺陷。用厚度0.3 mm的固溶態(tài)12Cr18Ni9鋼帶加工一批保持架，抽取10件進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)折裂、裂紋等缺陷，尺寸檢測結(jié)果見表3，檢測結(jié)果完全符合設(shè)計要求。

表3 保持架檢測結(jié)果Tab.3 Testing results of cages mm

4 主機(jī)考核驗證

用12Cr18Ni9替代1Cr18Ni9Ti制造的保持架安裝在該系列高溫軸承上，經(jīng)用戶主機(jī)使用考核后沒有發(fā)現(xiàn)異常，達(dá)到了主機(jī)精度及壽命的要求。后續(xù)交付2個批次帶12Cr18Ni9保持架的軸承，軸承使用狀況良好，完全滿足使用要求。

由此可知，用12Cr18Ni9替代原設(shè)計使用的1Cr18Ni9Ti制造的沖壓保持架用于該型號高溫軸承完全可行。