航空軸承典型表面處理技術

遲杰，楊曉峰，于遨海，曹娜娜，劉金玲

(1.中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025；2.空裝駐哈爾濱地區第一軍代表室，哈爾濱 150025)

航空軸承作為航空發動機的核心部件，主要用于支承機械旋轉體，傳輸載荷以及降低發動機各部件之間的摩擦力，是高端裝備的重要基礎件，在裝備的服役中起關鍵作用[1]。8Cr4Mo4V高溫軸承鋼及G13Cr4Mo4Ni4V高溫滲碳軸承鋼是航空發動機主軸軸承常用鋼種，其最高使用溫度為316 ℃，可以滿足國產三代機使用需求[2]。隨著航空發動機工況日益惡劣，8Cr4Mo4V高溫軸承鋼的常規熱處理技術難以滿足高溫、高速、高dn值和長壽命的使用需求，需采用表面處理技術進一步提升航空軸承使用性能。現航空軸承套圈主要表面處理技術有離子注入、噴丸強化、 離子滲氮以及氮化鈦涂覆等，用以提升軸承工作位置硬度和應力水平，進而提升軸承套圈工作位置耐磨性及接觸疲勞性能。表面處理后軸承套圈工作位置硬度得到提升，需對滾動體進行相同表面處理或配合氮化硅陶瓷球使用，以滿足軸承硬度匹配要求。本文以軸承套圈為例，介紹幾種典型軸承表面處理技術。

1 離子注入

離子注入是根據使用性能需求，將要注入的元素分離成離子，在高壓電場作用下以高速轟擊工件表層，進而提升工件耐蝕、耐磨等性能[3]。在航空軸承上采用離子注入方法的主要原因有：1)注入元素與基件元素呈冶金結合，不存在表面剝落問題；2)沒有增加軸承尺寸問題；3)可以控制在室溫下注入，不會引起基體性能下降；4)在真空狀態下注入，表面粗糙度不發生變化，可作為最終處理工藝，產品合格率高[4]。依據軸承工況需求，可選取相應元素進行離子注入加工，如為提升表面抗氧化性、耐蝕性以及耐磨性可選取鉻元素或硅元素。

依據8Cr4Mo4V高溫軸承鋼材料特性及航空軸承工況條件，選取注入元素為氮。以某批內徑為45 mm的8Cr4Mo4V高溫軸承鋼制航空球軸承套圈為例，對離子注入前后軸承溝道圓度ΔCir、輪廓度ΔCur及表面粗糙度Ra值等尺寸精度及表面殘余應力進行對比，結果見表1。

表1 某型8Cr4Mo4V鋼制航空軸承離子注入氮元素前后溝道檢測結果

對同爐次8Cr4Mo4V鋼制圓片試樣進行納米硬度檢測，離子注入前后檢測結果見表2。高溫軸承鋼離子注入氮元素過程中，不僅氮離子與基體撞擊產生離子輻照損傷，增加位錯密度起到機械強化作用；同時形成的Fe4N，Fe2-3N，Cr2N等氮化物會彌散分布于晶體中，提升軸承工作位置表面硬度及壓應力水平，進而提高軸承耐磨性、接觸疲勞性能、使用壽命和抗斷油能力。

表2 離子注入氮元素前后8Cr4Mo4V鋼制圓片試樣硬度檢測結果

從8Cr4Mo4V高溫軸承鋼離子注入前后相關指標檢測結果可知，離子注入氮元素后軸承尺寸精度保持良好，軸承溝道圓度、輪廓度以及表面粗糙度全部滿足指標要求，離子注入可作為最終加工工序。

2 噴丸強化

噴丸強化處理是現有成本較低，應用較廣的表面處理技術，噴丸過程中大量高速彈丸撞擊工件表面，速度瞬間變化，工件材料發生不同程度塑性變形，加工位置產生壓應力[5]。由文獻[6]可知，噴丸強化后未改變馬氏體相，但是在晶界及馬氏體內形成了大量缺陷，提高了強化層的顯微硬度，噴丸強化后疲勞裂紋源向內部擴展。硬度、應力水平的提升以及裂紋源向內擴展都將有效降低軸承發生早期疲勞失效的風險。

以某型內徑為135 mm的8Cr4Mo4V高溫軸承鋼制軸承套圈為例，采用熱噴丸加工形式，噴丸強化處理后的硬度梯度如圖1所示，應力梯度如圖2所示。噴丸強化處理后由于噴丸高速撞擊，在材料內部形成大量位錯，軸承溝道位置顯微硬度提升50 HV，同時軸承工作位置表面殘余壓應力提升2倍以上，殘余壓應力深度增加至200 μm，硬度及應力梯度的提升有助于提高軸承的耐磨性和接觸疲勞性能。噴丸強化在保證噴丸覆蓋率以及消除裂紋源的前提下，是目前最經濟有效的表面強化方式。

圖1 噴丸強化后8Cr4Mo4V鋼制軸承強化位置的硬度梯度

圖2 噴丸強化前后8Cr4Mo4V鋼制軸承強化位置的應力梯度

3 離子滲氮

8Cr4Mo4V及G13Cr4Mo4Ni4V材料內合金含量較高，存在滲氮層脈狀組織難以控制及滲氮層深度不足等缺點。離子滲氮技術是一種高性能滲氮方法，具有滲氮周期短，滲層脆性低，滲氮層厚度及組織可控性高等優勢[7]。離子滲氮是在低真空含氮氣氛中，以工件作為陰極，爐體為陽極，在陰陽兩極間加上數百伏電壓，使之產生輝光放電，氮氣被電離成為氮離子，在電場作用下轟擊零件表面進行滲氮加工。

以某型內徑為135 mm的8Cr4Mo4V高溫軸承鋼制軸承套圈為例，采用離子滲氮處理后軸承溝道位置脈狀組織不大于1級，心部組織無變化，如圖3所示。由于脈狀組織是脆性相，滲層中脈狀組織嚴重容易導致軸承發生早期剝落，因此需嚴格控制脈狀組織。

(a)滲氮層組織

離子滲氮后軸承強化位置硬度梯度如圖4所示：離子滲氮處理后由于濺射轟擊以及滲氮層中形成γ′-Fe4N及ε-Fe3N相，軸承套圈工作表面硬度由720 HV提升至974 HV。目前離子滲氮后軸承強化位置硬度均穩定在940 HV(68 HRC)以上，硬度的提高有助于提升軸承強化位置的耐磨性。

圖4 離子滲氮后8Cr4Mo4V鋼制軸承強化位置的硬度梯度

滲氮前后軸承強化位置的應力梯度對比如圖5所示：軸承強化位置的最大殘余壓應力由-400 MPa提升至-900 MPa以上，最大殘余壓應力提高1倍以上，壓應力層深度由不足14 μm提升至240 μm以上。壓應力的增加能抵抗較大的接觸應力，抑制次表層的塑性變形，可大幅度提高軸承耐磨性、接觸疲勞性能和抗膠合性[8]。

圖5 離子滲氮前后8Cr4Mo4V鋼制軸承強化位置的應力梯度

4 氮化鈦涂層

G13Cr4Mo4Ni4V高溫滲碳軸承鋼是在8Cr4Mo4V高溫軸承鋼基礎上進行改進的鋼種，表面滲碳硬化處理后G13Cr4Mo4Ni4V鋼比8Cr4Mo4V鋼心部韌性更優異，但其抗磨粒磨損性能較差，為此引入氮化鈦涂覆技術用以解決軸承套圈擋邊磨損失效問題。氮化鈦涂層具有高硬度，高黏著強度，低摩擦因數等優勢，在刀具等領域得到廣泛應用[9]。

以某型G13Cr4Mo4Ni4V鋼制內徑為135 mm的軸承套圈為例，對軸承套圈擋邊進行氮化鈦涂覆處理，軸承擋邊位置納米硬度由原始11 GPa提升至33 GPa，有效增加擋邊抗磨損能力。對隨爐G13Cr4Mo4Ni4V鋼制試樣氮化鈦涂層組織進行觀察(圖6)，涂層顆粒分布均勻，最大顆粒尺寸小于10 μm。

圖6 G13Cr4Mo4Ni4V鋼制試樣的氮化鈦涂敷效果

由文獻[10]可知，氮化鈦涂覆層可以有效推遲軸承磨粒磨損出現時間，這主要是由于氮化鈦涂覆處理后軸承擋邊位置的納米硬度顯著提升以及其致密組織結構有助于其耐磨性提升。因此氮化鈦涂層技術可應用于航空軸承，以提升其耐磨能力，降低磨粒磨損等早期失效風險。

5 小結

軸承套圈幾種典型表面處理技術特點對比見表3，表中“+”為性能增加，“-”為性能無提升，“+”越多越有利于性能提升。

表3 表面處理后性能對比

目前航空軸承常用表面處理技術對軸承耐蝕性提升不明顯，難以滿足燃氣輪機日益增加的三防性能(軸承抵抗“鹽霧、霉菌、濕熱”三種環境試驗能力)需求。為此后續重點開展耐蝕元素離子注入技術研究，以及多種表面處理技術組合的復合強化技術研究。

國內相關研究團隊將多種表面處理技術組合進行復合強化處理：文獻[5]采用離子注入和噴丸強化技術復合處理，由于耦合效應，殘余壓應力較單一表面處理更大，且壓應力層深度更深；文獻[9]將離子滲氮技術與氮化鈦涂層技術結合，復合強化處理后工件表面更加平整，出現納米組織，硬度及應力水平得到進一步提升，從而提高了工件的耐磨性。

6 結論

由8Cr4Mo4V和G13Cr4Mo4Ni4V鋼制軸承表面處理后的性能可知：

1)離子注入、離子滲氮以及噴丸強化等表面處理手段可以有效提升軸承強化位置壓應力水平，有助于提升軸承接觸疲勞性能。

2)氮化鈦涂層、離子滲氮處理后軸承強化位置表面硬度得到顯著提升，這有助于提升軸承耐磨性，進而提升軸承抗污染能力。

3)軸承表面處理是提升軸承耐磨性、耐蝕性以及接觸疲勞性能的有效手段，結合軸承使用工況選取適當表面處理技術，可以提升軸承可靠性，滿足軸承工況需求。