第二代航空軸承材料M50鋼的研究現狀與發展

張曉靜

（空軍工程大學航空機務士官學校，信陽 464000）

航空軸承一般在高溫、高壓、鹽霧及沙塵等復雜環境中工作，一旦在服役過程中產生軸承銹蝕，將產生嚴重的安全隱患。二戰期間，隨著噴氣發動機在航空飛機上的應用，軸承的使用溫度大幅提升，達到300 ℃，使得第一代軸承鋼的耐溫性已不能滿足使用。例如：第一代軸承鋼GCr15的適用溫度在150 ℃以下。為了提高軸承的耐溫性，借鑒高速工具鋼的特性，研制出了第二代軸承鋼。目前，航空領域廣泛應用的是第二代軸承鋼，如M50、M50 NiL和BG50等。M50鋼是現階段航空發動機主軸軸承應用最廣泛的材料[1]。隨著戰機速度的不斷提升，軸承材料的綜合性能要求更高。除了需要具備基本的高硬度和高耐磨性之外，還需要在高溫下具有良好的耐磨性和耐沖擊性等。雖然國內外已經開始第三代和第四代新型軸承材料的研發與應用，但是如何持續提高第二代軸承鋼的綜合性能使其滿足使用需求，一直是相關領域的重點研究方向。本文梳理了近期第二代軸承鋼的研究成果，總結了M50鋼目前的研究方向，以期為提高第二代軸承鋼的使用壽命和力學性能提供參考。

1 技術現狀與差距

國內與M50鋼性能相同的航空用軸承材料為8Cr4Mo4V。根據我國冶金標準，8Cr4Mo4V（M50鋼）的相應成分見表1。需要注意，采用真空感應+真空自耗的雙真空冶煉，含氧量O≤10×10-6。M50鋼的服役溫度為316 ℃，具有較高的硬度和抗疲勞性能。根據國外生產工藝和國內相關研究，目前M50鋼常用的熱處理工藝是淬火+三次回火，其中淬火溫度為1 090 ℃，回火溫度為550 ℃。熱處理后M50鋼的組織主要是回火馬氏體和少量殘余奧氏體，室溫硬度可達60～63 HRC[2]。

表1 8Cr4Mo4V（M50鋼）成分表

目前，我國在M50鋼的制備能力上與國外還存在一定的差距，如氧含量、碳化物顆粒大小和均勻性的控制能力[3]。合金元素主要是以碳化物的形式存在，若碳化物較大，則會出現合金元素富集的化學成分不均勻現象，從而影響M50鋼的沖擊韌性，降低軸承的使用壽命[4]。另外，軸承制造過程中存在的軸承零件組織不穩定和殘余應力釋放等造成的形位和精度不穩定，也是影響軸承精度和服役壽命的原因[5]。例如：某廠采用M50鋼生產的發動機主軸軸承，試驗壽命僅為750 h，遠低于M50鋼2 500 h的額定壽命[6]。

2 研究現狀

為提高M50鋼的性能和軸承使用壽命，國內從微觀組織調控、消除殘余應力以及表面強化等方面著手研究。

周麗娜[7]利用淬火-碳分配-回火工藝，在傳統的淬火-回火熱處理過程中增加碳分配環節，調控M50鋼微觀組織，在保證材料硬度及強度的前提下，提高了殘余奧氏體的含量，沖擊吸收功比傳統工藝提高了93%，有效提高了M50鋼的沖擊韌性。軸承生產工藝中產生的殘余內應力和組織不穩定的問題，也同樣影響軸承的使用壽命。王瑞[5]以M50鋼制造的軸承套圈外環為研究對象，模擬了淬火及回火過程中殘余應力的形成及演化過程，并基于仿真分析結果給出了軸承套圈的最佳熱處理工藝，即高壓氮氣淬火+550 ℃回火，保溫2 h，重復3次。

REN等[8]發現，通過將冷變形與熱處理相結合，可以細化碳化物。近些年，冷變形對M50軸承鋼回火態微觀組織與力學性能影響的研究增多。賀元庚等[9]研究了冷軋對M50鋼組織及性能的影響，結果表明20%冷軋變形量下的試樣具有最佳的力學性能。李姚君等[10]發現，經過40%冷變形的試樣硬度由63.3 HRC提升至64.8 HRC，沖擊吸收功提高了23.2%，抗拉強度提高了4.6%。經過冷變形后，在回火過程中試樣微觀組織的變化情況如圖1所示，主要體現在增加回火馬氏體固溶強化作用，同時細化了粒狀碳化物。

圖1 不同冷變形量回火態試樣的電鏡掃描微觀組織

另外，研究表明大塑性變形也可以細化組織，提高材料的強度、韌性和塑性[11-12]。哈爾濱工業大學金屬精密熱加工國家級重點實驗室以M50鋼為研究對象，針對多向鍛造下碳化物細化機制展開研究。劉瑩[13]針對多向鍛造控制M50鋼微觀組織的方法，研究了鍛造溫度和累計應變量細化M50鋼中碳化物尺寸的作用。研究表明，多向鍛造會使M50鋼中的碳化物發生明顯的細化，試樣中原始尺寸為25 μm的碳化物經多向鍛造后尺寸小于10 μm。吳玉成[14]經過相關研究得出，鍛造溫度和累計應變量都會影響一次碳化物的破碎程度和位置分布，其中低溫高應變可增加碳化物破碎驅動力，粗大的M2C型可由長度為25 μm、寬度為4 μm細化至長度為2～10 μm、寬度為1～2 μm，且分布更均勻。

航空發動機主軸軸承的承載較大，同時處于高溫工作條件下，因此軸承需要具備良好的高溫耐磨性[15-16]。通過強化軸承表面改變軸承性能的工藝方法，是軸承加工過程中的常用方法。例如：可以通過滲氮處理提高軸承鋼的耐磨性和耐蝕性。單嗣宏[17]研究了M50鋼離子源輔助滲氮層的組織與性能，發現在滲氮4 h后樣品硬度和耐磨性均顯著提高，且樣品的表面粗糙度變化不大。王馨敏[18]開展了活性屏等離子滲氮技術對M50鋼表面的強化作用研究。YAO J等[19]對M50鋼進行了等離子滲氮和回火處理，與常規的回火氮化工藝方法相比，氮化層厚度提高了61%，有效降低了材料的摩擦系數，提高了材料的耐磨性。ELSHEIKH A等[20]將兩種納米自潤滑劑（SnS和ZnO）與M50鋼基體復合，制備了兩種新型復合材料，提高了M50鋼的摩擦學性能。LI Z等[21]提出了一種新型a-C/（WC/a-C）薄膜，在25～350 ℃溫度范圍內評價了薄膜與M50對應物的摩擦學行為，可有效提高M50鋼在高溫（≥200 ℃）下的摩擦學性能。

3 研究方法總結

M50鋼的沖擊韌性和高溫耐磨性是影響軸承服役時間的主要原因，所以研究方向主要集中在改善M50鋼的沖擊韌性和提高軸承的高溫耐磨性。提高M50鋼綜合性能的方法有以下幾點。

第一，通過調控微觀組織，如通過優化熱處理工藝增加殘余奧氏體含量，提高沖擊韌性，利用冷軋和大塑性變形等方法細化碳化物，提高M50鋼的綜合性能。但是，此方向的研究大多采用仿真模擬，結合試樣研究得出相關結論，在航空軸承制備工藝中的應用效果并沒有得到相關的驗證。

第二，進行表面強化提高軸承鋼的硬度和耐磨性。該方向的研究主要是通過等離子滲氮以及由新型耐磨材料與M50鋼結合，提高軸承在高溫環境下的耐磨性，有效延長M50鋼軸承的服役時間。

4 結語

未來航空軸承想要滿足航空需求，除了需要硬度更高、壽命更長以及耐高溫性更好外，還要有更復雜的結構和更苛刻的環境適應性等要求，使軸承向更新一代耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等方向發展。另外，在發展第二代軸承鋼的同時，要加快第三代軸承材料的研發與應用。