G80Cr4Mo4V鋼角接觸球軸承套圈鍛件輾擴工藝改進

吳玉成，劉明，付中元，王教翔

(中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

G80Cr4Mo4V鋼具有高強度、高硬度和好的高溫下尺寸穩定性以及優良的接觸疲勞性能，廣泛應用于航空發動機主軸軸承。由于Cr，Mo和V等合金元素的加入，會與C形成多種碳化物，從而顯著提高G80Cr4Mo4V鋼的強度和硬度。但這些碳化物帶來良好力學性能的同時也會降低其熱加工性能，如G80Cr4Mo4V鋼鍛造過程中的熱加工區間較窄，不規則的鍛造變形使局部多條碳化物帶重疊并導致局部碳化物聚集等問題。國外M50鋼(等同于G80Cr4Mo4V鋼)的鍛造工藝早已成熟并已廣泛應用，雖然我國G80Cr4Mo4V鋼軸承也廣泛應用，但G80Cr4Mo4V鋼航空發動機軸承仍存在使用壽命低的問題。套圈鍛造工藝對軸承使用壽命有顯著的影響，隨著航空工業的發展，對軸承使用壽命及可靠性提出了更高的要求，因此，亟需對現有軸承套圈鍛造工藝進行優化，進而提高軸承使用壽命。

1 原材料

原始棒料采用G80Cr4Mo4V鋼，執行標準為GJB 9659—2019《航空發動機用高溫軸承鋼G80Cr4Mo4V規范》。棒料采用真空感應+真空自耗的方式雙真空冶煉，經熱軋退火、磨光后交付。化學成分標準要求及實測值見表1。

表1 G80Cr4Mo4V 鋼化學成分的質量分數Tab.1 Mass fraction of chemical composition for G80Cr4Mo4V steel %

2 原鍛造工藝

2.1 工藝流程

以某航空發動機用角接觸球軸承外圈為例，原工藝路線為預熱、高溫加熱、鐓粗、沖孔、沖連皮、反爐加熱、輾擴及灰冷，如圖1所示，圖中S表示有效壁厚。

圖1 外圈原鍛造工藝Fig.1 Original forging process of outer ring

2.2 存在的問題

原鍛造工藝(簡稱原工藝)存在以下問題：需兩次或兩次以上加熱，脫碳氧化層較深，局部存在較大晶粒；溝道采用車削加工，加工位置流線被切斷，導致溝道表面流線露頭，成為表面疲勞失效裂紋源，降低了零件疲勞壽命。

3 改進后的鍛造工藝

新鍛造工藝(簡稱新工藝)路線為車制環坯、預熱、高溫加熱、輾擴及灰冷，如圖2所示。與原工藝相比，新工藝省去鐓粗和沖孔工序，增加了車制環坯工序。

圖2 外圈新鍛造工藝Fig.2 New forging process of outer ring

新工藝使用CA6140A車床進行環坯車加工，熱軋棒料中疏松、偏析等缺陷均產生在棒料心部。采用車制環坯的加工方式可有效去除棒料心部的暗斑、白點、疏松、偏析缺陷，避免將原料缺陷帶入鍛造加工及成品零件中。

新工藝輾擴設備與原工藝相同，均為D51-250CY輾擴機，輾擴成形不允許返爐加熱，且需均勻施加軋制力，保證均勻變形。用測溫槍測環坯輾擴前后工件溫度，保證輾擴溫度不低于950 ℃(終鍛溫度)，輾壓輪及芯軸預熱(150±10)℃。

4 改進后的效果

4.1 鍛件實物及尺寸

新工藝輾擴后外圈鍛件熱態及冷態實物如圖3所示，由圖可知，熱態及冷態的鍛件表面無折疊、飛邊、毛刺及端面凹坑等宏觀質量缺陷，表面質量合格。新工藝和原工藝采用相同輾擴設備完成最終成形，尺寸精度一致，新工藝外圈留量由原工藝的單邊1.5 mm減小為單邊1 mm。

圖3 新工藝輾擴后外圈鍛件實物圖Fig.3 Physical drawing of forging for outer ring after rolling by new technology

4.2 無損檢測

新工藝鍛件粗車后采用ScanMaster設備進行水浸超聲檢測，其檢測精度為φ0.4 mm-10 dB平底孔當量，結果(圖4)無異常。

圖4 水浸超聲檢測Fig.4 Water immersion ultrasonic testing

4.3 晶粒度

外圈鍛件淬火后按GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》進行評級(圖5)，新工藝晶粒度8.5級，原工藝晶粒度8.0級，均滿足7級或者更細的標準要求，但原工藝鍛件局部位置存在異常的大尺寸晶粒。新工藝縮短了工藝流程，環坯有效壁厚小于棒料有效壁厚，高溫區域總保溫時間減少約55 min，降低了晶粒長大傾向，所以新工藝晶粒尺寸相對一致且更細小。

圖5 外圈鍛件淬火后的晶粒度Fig.5 Grain size of forging for outer ring after quenching

4.4 脫碳層

外圈鍛件脫碳層厚度如圖6所示，由于新工藝減少了鍛造次數，只需一次加熱就能完成，脫碳層深度從0.83 mm減小到0.54 mm，脫碳層深度較原工藝減小了約1/3，為后續的車削工序減小了加工余量，降低了生產成本。

圖6 外圈鍛件的脫碳層Fig.6 Decarburization layer of forging for outer ring

4.5 金屬流線

按圖7所示位置，對鍛造外圈取樣檢測金屬流線，并對金屬流線形貌及分布進行分析評價。

圖7 外圈鍛件金屬流線取樣位置及示意圖Fig.7 Sampling postion and diagram of metal flow line of forging for outer ring

新工藝外圈鍛件取樣酸洗后流線分布如圖8a所示，金屬流線沿溝道呈有序放射性分布，溝道底部流線致密，沿溝道至邊沿逐漸形成均勻散開的流線，未出現渦流和紊亂現象。圖8b為原工藝外圈鍛件車削后的溝道，鍛件金屬流線分布不規則，導致外圈車削后金屬流線被切斷，部分外圈疲勞剝落失效都發生在溝道金屬流線露頭的位置。

圖8 外圈鍛件金屬流線Fig.8 Metal flow line of forging for outer ring

4.6 碳化物分布

外圈鍛件碳化物分布如圖9所示,新工藝外圈鍛件碳化物均呈帶狀分布，條線清晰；而原工藝外圈鍛件受鐓粗、沖孔及輾擴等多次復雜變形的影響，碳化物由沿棒材軋制方向變為不規則分布，碳化物帶存在彎曲、重疊、聚集等現象。在軸承服役過程中交變載荷的應力作用下，碳化物聚集位置(如外圈溝道表面)易發生疲勞剝落，導致軸承早期疲勞失效。

圖9 外圈鍛件碳化物分布(100×)Fig.9 Carbide distribution of forging for outer ring

5 結束語

新工藝采用單火次鍛造加工外圈，解決了原工藝鍛件金屬流線控制的難題，縮短了鍛件加工流程，提高了鍛件質量，鍛件表面及內部質量均滿足相關標準和技術要求。采用原工藝加工的軸承壽命約為1 000 h，而采用新工藝加工的軸承已完成50 h性能試驗及697 h等效加速壽命試驗(試驗軸承承受30 kN的載荷，等效壽命約為10 000 h)。該工藝還可以擴展應用到其他軸承鋼類鍛件。