G80Cr4Mo4V鋼軸承套圈離子滲氮工藝優化試驗

劉金玲，于遨海，索志鵬，韓松，黃麗

(中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

G80Cr4Mo4V鋼是我國航空發動機主軸軸承常用的第二代高溫軸承鋼材料，但隨著航空發動機工況越來越苛刻，對軸承旋轉精度、抗污染能力、可靠性以及使用壽命提出了更高的要求[1-2]，現有的材料水平及加工技術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。為解決此項技術難題，提出了軸承套圈離子滲氮表面改性技術。

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，滲層厚度及組織可控性高的優點，并對工件表面有凈化作用[3]。經過離子滲氮處理后，材料表面硬度及壓應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上[5-6]，再次對G80Cr4Mo4V鋼套圈離子滲氮工藝進行深入研究，同時分析滲氮層組織及性能的變化。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

選取φ72 mm某型號軸承外圈為試樣，材料為G80Cr4Mo4V鋼，其化學成分見表1。結合相關資料[7]及廠內生產經驗，外圈淬回火工藝為：在1 070 ℃下保溫35 min后進行氣淬，氣淬處理后將外圈在540 ℃條件下回火3次，每次2 h。

表1 G80Cr4Mo4V鋼的化學成分(質量分數)

1.2 試驗設備

常規淬回火使用BMI小型真空熱處理爐，該設備最高使用溫度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，可調脈沖周期3～4 000 μs，可調脈沖休止周期9～4 000 μs，最大脈沖頻率0.125～83 kHz。

1.3 試驗方法

外圈滾道精磨后進行離子滲氮加工，基于前期離子滲氮工藝參數研究[5-6]，離子滲氮溫度515 ℃，滲氮激活電壓650 V，滲氮電壓520 V，滲氮過程爐內壓力保持在250 Pa，氮氫比為1∶25。選取5種不同離子滲氮工藝進行處理(表2)，每種工藝處理試樣不少于10件；滲氮處理后分析相應組織和硬度梯度，每個工藝不少于3件。選取組織合格和硬度梯度最佳的試樣進行終磨及精研加工，對比離子滲氮前、后試樣滾道處應力梯度變化。

表2 G80Cr4Mo4V鋼外圈不同離子滲氮工藝

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

2 結果與討論

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倍金相顯微鏡對組織進行觀察，結果如圖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,對心部組織無影響。經過工藝4,5滲氮處理后，滲氮層中出現不同程度的脈狀組織，這說明離子濺射時間過長或脈沖停頓時間不足將導致滲氮層中出現脈狀組織甚至網狀分布，這與文獻[8]的結論一致。

圖1 不同滲氮工藝下試樣的滲氮層及心部形貌

增加離子濺射時間，材料表面吸收功增加，表面氮離子濃度增高，容易導致脈狀組織出現。在其他工藝參數不變情況下，減少脈沖停頓時間，單位時間內離子轟擊時間增加，滲氮層的氮濃度增加，增加了脈狀組織形成風險，脈狀組織的出現會阻礙氮的擴散，致使表面積累大量氮，影響氮濃度分布同時降低了滲氮層深度[9]。GB/T 11354—2005規定，重要零件脈狀組織控制在1～2級，航空軸承作為發動機核心部件，要求軸承工作表面脈狀組織為1級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GB/T 11354—2005，采用TUKON250維氏硬度計以2.94 N(0.3 kgf)的測試力對滲氮層從表面0.03 mm處每隔0.05 mm進行硬度檢測，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果可知，增加濺射時間可有效增加滲氮層深度及硬度。這是由于濺射時間越長，滲氮層表面吸收氮離子越多，接收能量也越多，但濺射時間過長會出現脈狀組織。在其他工藝參數不變的情況下，滲氮時間由30 h增至50 h，滲氮層深度及硬度得到顯著增加，滲氮時間延長至75 h時，由于滲氮時間達到50 h后滲氮層中氮濃度相對較高，繼續增加滲氮時間滲氮效果不再顯著，對滲氮層深度及硬度影響不再明顯。對比工藝2和工藝4可知，調整脈沖停頓時間可有效改善滲氮層脈狀組織，但對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，脆性小等優勢[11]。依據GB/T 11354—2005，采用維氏硬度計對前3種組織合格工藝的滲氮層脆性進行檢測，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。目前普遍認為滲氮后白亮層及嚴重脈狀組織是導致脆性的重要因素，由金相檢測可知滲氮層未產生白亮層且脈狀組織不大于1級。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[9]。

圖3 工藝3的滲氮層脆性檢測形貌(200×)

2.4 應力梯度

離子滲氮處理后由于氮離子進入晶格間隙促使晶格發生膨脹，以及氮與鐵離子發生相變等促使滲氮層壓應力增加[12]。根據廠內離子滲氮處理后套圈圓度及表面粗糙度發生變化數據積累可知，滲氮處理后需對套圈進行終磨及精研加工。對工藝2滲氮后的外圈進行磨削加工，滾道磨削量為0.02 mm，外圈工作部位離子滲氮處理與常規硬化處理的應力梯度如圖4所示。

圖4 工藝2外圈滲氮前后殘余應力梯度對比

由圖4可知，離子滲氮后軸承工作部位壓應力水平得到顯著提高，最大壓應力提高1倍以上，壓應力深度由8 μm增至250 μm。壓應力的增加使軸承能抵抗較大的接觸應力，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 結束語

氮氫比為1∶25，脈沖比為1∶6工藝條件下，G80Cr4Mo4V鋼外圈在滲氮溫度515 ℃、滲氮時間50 h、脈沖時間70 μs、濺射時間3 h時性能最優。離子滲氮處理后材料表面硬度、壓應力得到顯著提高，有助于提高軸承疲勞壽命。