G80Cr4Mo4V鋼軸承套圈離子滲氮工藝優(yōu)化試驗(yàn)

劉金玲，于遨海，索志鵬，韓松，黃麗

(中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

G80Cr4Mo4V鋼是我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承常用的第二代高溫軸承鋼材料，但隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)工況越來越苛刻，對(duì)軸承旋轉(zhuǎn)精度、抗污染能力、可靠性以及使用壽命提出了更高的要求[1-2]，現(xiàn)有的材料水平及加工技術(shù)手段很難保障軸承在高溫、重載工況下的長壽命和高性能要求。為解決此項(xiàng)技術(shù)難題，提出了軸承套圈離子滲氮表面改性技術(shù)。

離子滲氮技術(shù)是一種高性能滲氮方法，具有滲氮周期短，滲層脆性低，滲層厚度及組織可控性高的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)工件表面有凈化作用[3]。經(jīng)過離子滲氮處理后，材料表面硬度及壓應(yīng)力水平得到顯著提高，這將有助于提高材料抗疲勞性能及磨損性能[4]。本文在前期離子滲氮工藝研究的基礎(chǔ)上[5-6]，再次對(duì)G80Cr4Mo4V鋼套圈離子滲氮工藝進(jìn)行深入研究，同時(shí)分析滲氮層組織及性能的變化。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取φ72 mm某型號(hào)軸承外圈為試樣，材料為G80Cr4Mo4V鋼，其化學(xué)成分見表1。結(jié)合相關(guān)資料[7]及廠內(nèi)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，外圈淬回火工藝為：在1 070 ℃下保溫35 min后進(jìn)行氣淬，氣淬處理后將外圈在540 ℃條件下回火3次，每次2 h。

表1 G80Cr4Mo4V鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

常規(guī)淬回火使用BMI小型真空熱處理爐，該設(shè)備最高使用溫度1 300 ℃，最大淬火壓力1.2 MPa，可滿足G80Cr4Mo4V鋼常規(guī)淬回火的使用需求。離子滲氮采用RUBIG制造的離子滲氮爐，該設(shè)備有效工作尺寸為φ700 mm×1 200 mm，最高工作溫度650 ℃，極限真空度5 Pa，最大脈沖電壓700 V，最大脈沖電流300 A，最大脈沖功率210 kW，可調(diào)脈沖周期3～4 000 μs，可調(diào)脈沖休止周期9～4 000 μs，最大脈沖頻率0.125～83 kHz。

1.3 試驗(yàn)方法

外圈滾道精磨后進(jìn)行離子滲氮加工，基于前期離子滲氮工藝參數(shù)研究[5-6]，離子滲氮溫度515 ℃，滲氮激活電壓650 V，滲氮電壓520 V，滲氮過程爐內(nèi)壓力保持在250 Pa，氮?dú)浔葹?∶25。選取5種不同離子滲氮工藝進(jìn)行處理(表2)，每種工藝處理試樣不少于10件；滲氮處理后分析相應(yīng)組織和硬度梯度，每個(gè)工藝不少于3件。選取組織合格和硬度梯度最佳的試樣進(jìn)行終磨及精研加工，對(duì)比離子滲氮前、后試樣滾道處應(yīng)力梯度變化。

表2 G80Cr4Mo4V鋼外圈不同離子滲氮工藝

依據(jù)GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗(yàn)》，對(duì)離子滲氮后外圈組織、硬度、滲層深度以及脆性進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用電解拋光并用X射線衍射法對(duì)離子滲氮前后外圈應(yīng)力梯度進(jìn)行檢測評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 滲氮層組織

將滲氮處理的外圈用線切割沿軸向部位切開，磨、拋處理后用4%硝酸酒精溶液浸蝕，采用500倍金相顯微鏡對(duì)組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示，離子滲氮前、后試樣心部組織基本一樣，說明離子氮化處理只改變表面組織,對(duì)心部組織無影響。經(jīng)過工藝4,5滲氮處理后，滲氮層中出現(xiàn)不同程度的脈狀組織，這說明離子濺射時(shí)間過長或脈沖停頓時(shí)間不足將導(dǎo)致滲氮層中出現(xiàn)脈狀組織甚至網(wǎng)狀分布，這與文獻(xiàn)[8]的結(jié)論一致。

圖1 不同滲氮工藝下試樣的滲氮層及心部形貌

增加離子濺射時(shí)間，材料表面吸收功增加，表面氮離子濃度增高，容易導(dǎo)致脈狀組織出現(xiàn)。在其他工藝參數(shù)不變情況下，減少脈沖停頓時(shí)間，單位時(shí)間內(nèi)離子轟擊時(shí)間增加，滲氮層的氮濃度增加，增加了脈狀組織形成風(fēng)險(xiǎn)，脈狀組織的出現(xiàn)會(huì)阻礙氮的擴(kuò)散，致使表面積累大量氮，影響氮濃度分布同時(shí)降低了滲氮層深度[9]。GB/T 11354—2005規(guī)定，重要零件脈狀組織控制在1～2級(jí)，航空軸承作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件，要求軸承工作表面脈狀組織為1級(jí)甚至完全消除脈狀組織。考慮航空主軸軸承惡劣工況，本次試驗(yàn)工藝1～3為合格組織，工藝4和工藝5為不合格組織。

2.2 滲氮層硬度及深度

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，外圈表面硬度提高[10]，將有助于提高軸承工作表面耐磨性能。

依據(jù)GB/T 11354—2005，采用TUKON250維氏硬度計(jì)以2.94 N(0.3 kgf)的測試力對(duì)滲氮層從表面0.03 mm處每隔0.05 mm進(jìn)行硬度檢測，檢測至比基體硬度值高50 HV0.3處的垂直距離即為滲氮層深度。硬度梯度如圖2所示，圖中橫線為滲氮層有效區(qū)硬度分割線，硬度值為780 HV0.3(高于基體平均硬度50 HV0.3)。滲氮層深度見表3。

圖2 不同滲氮工藝下滲氮層硬度梯度

表3 不同離子滲氮工藝下外圈滲氮層深度

從滲氮層深度及硬度檢測結(jié)果可知，增加濺射時(shí)間可有效增加滲氮層深度及硬度。這是由于濺射時(shí)間越長，滲氮層表面吸收氮離子越多，接收能量也越多，但濺射時(shí)間過長會(huì)出現(xiàn)脈狀組織。在其他工藝參數(shù)不變的情況下，滲氮時(shí)間由30 h增至50 h，滲氮層深度及硬度得到顯著增加，滲氮時(shí)間延長至75 h時(shí)，由于滲氮時(shí)間達(dá)到50 h后滲氮層中氮濃度相對(duì)較高，繼續(xù)增加滲氮時(shí)間滲氮效果不再顯著，對(duì)滲氮層深度及硬度影響不再明顯。對(duì)比工藝2和工藝4可知，調(diào)整脈沖停頓時(shí)間可有效改善滲氮層脈狀組織，但對(duì)滲氮層深度及硬度影響不大。

2.3 滲氮層脆性

離子滲氮具有效率高，脆性小等優(yōu)勢[11]。依據(jù)GB/T 11354—2005，采用維氏硬度計(jì)對(duì)前3種組織合格工藝的滲氮層脆性進(jìn)行檢測，測試力為98.07 N，工藝3的滲氮層脆性檢測形貌如圖3所示，壓痕邊角完整無缺，脆性為1級(jí)。目前普遍認(rèn)為滲氮后白亮層及嚴(yán)重脈狀組織是導(dǎo)致脆性的重要因素，由金相檢測可知滲氮層未產(chǎn)生白亮層且脈狀組織不大于1級(jí)。滲氮層脆性合格可減少軸承工作部位擦傷、碰傷等脆化表現(xiàn)[9]。

圖3 工藝3的滲氮層脆性檢測形貌(200×)

2.4 應(yīng)力梯度

離子滲氮處理后由于氮離子進(jìn)入晶格間隙促使晶格發(fā)生膨脹，以及氮與鐵離子發(fā)生相變等促使?jié)B氮層壓應(yīng)力增加[12]。根據(jù)廠內(nèi)離子滲氮處理后套圈圓度及表面粗糙度發(fā)生變化數(shù)據(jù)積累可知，滲氮處理后需對(duì)套圈進(jìn)行終磨及精研加工。對(duì)工藝2滲氮后的外圈進(jìn)行磨削加工，滾道磨削量為0.02 mm，外圈工作部位離子滲氮處理與常規(guī)硬化處理的應(yīng)力梯度如圖4所示。

圖4 工藝2外圈滲氮前后殘余應(yīng)力梯度對(duì)比

由圖4可知，離子滲氮后軸承工作部位壓應(yīng)力水平得到顯著提高，最大壓應(yīng)力提高1倍以上，壓應(yīng)力深度由8 μm增至250 μm。壓應(yīng)力的增加使軸承能抵抗較大的接觸應(yīng)力，抑制次表面的塑性變形，可大幅提高軸承耐磨性、抗疲勞性能和抗膠合性能[13]。

3 結(jié)束語

氮?dú)浔葹?∶25，脈沖比為1∶6工藝條件下，G80Cr4Mo4V鋼外圈在滲氮溫度515 ℃、滲氮時(shí)間50 h、脈沖時(shí)間70 μs、濺射時(shí)間3 h時(shí)性能最優(yōu)。離子滲氮處理后材料表面硬度、壓應(yīng)力得到顯著提高，有助于提高軸承疲勞壽命。