SG13Cr4Mo4Ni4V鋼軸承套圈熱處理工藝改進(jìn)

劉秀蓮，班君，鄭艷華，趙強(qiáng)

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150027)

軸承是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的重要部件，與發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命和可靠性密切相關(guān)，其服役工況復(fù)雜，具有高溫、高速、重載的特點(diǎn)，因此要求軸承表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有良好的韌性和強(qiáng)度。SG13Cr4Mo4Ni4V鋼系國(guó)產(chǎn)航空軸承用高溫滲碳鋼，在純凈度、微量元素及含氧量指標(biāo)控制方面，通過(guò)雙真空冶煉技術(shù)可獲得與國(guó)外M50NiL鋼相近的化學(xué)成分和綜合力學(xué)性能，是高可靠性航空軸承研制的首選材料。

高溫滲碳鋼軸承套圈滲碳熱處理后的技術(shù)要求為：表面硬度58～63 HRC，心部硬度35～48 HRC；表面含碳量0.75%～0.95%；有效硬化層深度1.5～1.8 mm；表面組織為高碳細(xì)小結(jié)晶馬氏體及均勻分布的殘留碳化物，心部組織為低碳板條馬氏體和少量鐵素體。

以往用井式爐進(jìn)行軸承套圈滲碳熱處理的工藝為：滲碳(強(qiáng)滲+擴(kuò)散)+淬火+3次高溫回火+2次冷處理，改用密封箱式滲碳爐滲碳后，存在的主要問(wèn)題是表面碳濃度達(dá)不到技術(shù)要求，滲碳層組織不均勻。為此，對(duì)SG13Cr4Mo4Ni4V鋼開展預(yù)氧化工藝試驗(yàn)研究[1]，解決SG13Cr4Mo4Ni4V鋼套圈在密封箱式滲碳爐中存在的問(wèn)題，以保證軸承質(zhì)量[2]。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為退火態(tài)SG13Cr4Mo4Ni4V鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，理化檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 理化檢驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)備為RM9-60×90×48密封箱式滲碳爐，爐內(nèi)配置風(fēng)扇循環(huán)系統(tǒng)，確保爐內(nèi)氣氛均勻一致，溫度控制系統(tǒng)主要由數(shù)字化智能儀表、可控硅調(diào)功器和高溫?zé)犭娕冀M成，通過(guò)PID精確控制爐膛溫度，控溫精度在±1.7 ℃以內(nèi);碳勢(shì)控制系統(tǒng)由碳控儀、氧探頭和丙烷氣體分配站構(gòu)成，根據(jù)設(shè)定碳勢(shì)可自動(dòng)調(diào)節(jié)丙烷氣的供氣量，碳控儀控制精度在±0.05%以內(nèi)。

測(cè)試架規(guī)格：900 mm×600 mm×400 mm，剝層棒規(guī)格：φ60 mm×80 mm，試樣規(guī)格：φ15 mm×12 mm。剝層棒是在滲碳后，通過(guò)定量化學(xué)分析方法測(cè)試碳濃度梯度，為了評(píng)價(jià)加熱區(qū)內(nèi)不同位置的滲碳質(zhì)量效果，每種試驗(yàn)均采用1個(gè)剝層棒和8個(gè)試樣，將1#～8#試樣分別置于測(cè)試架對(duì)應(yīng)位置(圖1)，剝層棒置于中心點(diǎn)(9#)。

圖1 試樣測(cè)試架示意圖

2 試驗(yàn)

2.1 預(yù)氧化時(shí)間優(yōu)化試驗(yàn)

針對(duì)SG13Cr4Mo4Ni4V鋼預(yù)先氧化處理與表面滲碳效果的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行試驗(yàn)研究，采用不同的預(yù)氧化時(shí)間處理樣件，并在相同滲碳工藝條件下進(jìn)行滲碳和熱處理[4]，即氣體滲碳+淬火+3次高溫回火+2次冷處理，通過(guò)測(cè)試分析獲取預(yù)氧化效果與滲碳工藝的匹配關(guān)系，解決碳濃度不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題。采取預(yù)先截?cái)啾Ｗo(hù)氣供應(yīng)及排氣后直接入爐的方法。參考AMS2759/7B《滲碳鋼零件的氣體和真空滲碳與熱處理標(biāo)準(zhǔn)》、AMS6278《鋼棒、鍛件和管材4.1Cr-3.4Ni-4.2Mo-1.2V(0.11～0.15C)雙真空熔煉材料標(biāo)準(zhǔn)》和國(guó)外企業(yè)的成熟工藝制定試驗(yàn)方案。根據(jù)國(guó)外先進(jìn)企業(yè)的滲碳和相關(guān)熱處理工藝步驟及工藝控制技術(shù)要求，并經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)與驗(yàn)證，最終確定預(yù)氧化處理溫度為(945±5) ℃，結(jié)合SG13Cr4Mo4Ni4V鋼制軸承套圈結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚變化較大的特點(diǎn)，采取不同的預(yù)氧化時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 預(yù)氧化時(shí)間優(yōu)化試驗(yàn)方案

試樣分別經(jīng)4種不同時(shí)間預(yù)氧化工藝處理及相同條件的滲碳和淬火+3次高溫回火+2次冷處理工藝(圖2)后，剝層棒按規(guī)定方法剝層取樣并進(jìn)行化學(xué)定碳分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4、表5，滲層組織如圖3所示。

圖2 工藝曲線

圖3 滲碳層顯微組織

表4 碳濃度分布結(jié)果

由表4、表5可知，經(jīng)方案1工藝處理的試樣碳濃度和滲層深度均達(dá)不到技術(shù)要求；經(jīng)方案2和方案3工藝處理的試樣，軸承工作表面(0.4 mm處)碳濃度在0.93%左右，滲層深度達(dá)到1.5～1.8 mm；經(jīng)方案4工藝處理的試樣滲層深度過(guò)深，最深達(dá)到2.05 mm，且軸承工作表面(0.4 mm處)碳濃度達(dá)到1.21%。由圖可知，隨預(yù)氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，網(wǎng)狀和粗大碳化物呈明顯加重趨勢(shì)，因此確定最佳預(yù)氧化時(shí)間為30～40 min。

表5 爐內(nèi)不同位置滲碳試樣理化檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，SG13Cr4Mo4Ni4V鋼通過(guò)預(yù)氧化處理，可有效解決表面碳濃度不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題。這是因?yàn)闈B碳前進(jìn)行預(yù)氧化，能燒掉零件表面未清洗掉的油脂[5]，不容易形成炭黑，使氧氣與鐵發(fā)生反應(yīng)[6]，提高滲碳零件表面活性，從而加快活性碳原子滲入過(guò)程和表面碳濃度梯度的形成，有效地提高滲碳速度和滲層均勻性，獲得合格的組織和性能[7]。

2.2 預(yù)生產(chǎn)試驗(yàn)

為了解決滲層不均勻的問(wèn)題，參考以往多次試驗(yàn)結(jié)果，基于密封箱式滲碳爐兩側(cè)風(fēng)循環(huán)通道的結(jié)構(gòu)特性及爐門的影響，將有效裝載區(qū)尺寸進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后長(zhǎng)×寬×高為600 mm×500 mm×400 mm，裝載區(qū)的縮小有利于提高滲碳件溫度場(chǎng)和氣氛對(duì)流的均勻性，減少爐內(nèi)邊界區(qū)域氣氛流動(dòng)不均勻?qū)е碌母蓴_和影響。根據(jù)軸承套圈的壁厚范圍，試樣壁厚分別選擇8，14，25 mm，壁厚大時(shí)，采取上限時(shí)間；壁厚小時(shí)，采取下限時(shí)間，預(yù)氧化對(duì)應(yīng)時(shí)間分別為30，35，40 min。試驗(yàn)方案見(jiàn)表6。

表6 預(yù)生產(chǎn)試驗(yàn)方案

試樣經(jīng)預(yù)氧化、滲碳熱處理后全面進(jìn)行理化測(cè)試分析，剝層棒按規(guī)定方法剝層取樣并進(jìn)行化學(xué)定碳分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7、表8，滲層組織、心部組織分別如圖4、圖5所示。

表7 碳濃度分布測(cè)試結(jié)果

表8 理化檢測(cè)結(jié)果

圖4 滲碳層顯微組織

圖5 心部顯微組織

由表7、表8及圖4、圖5可知，試樣的碳濃度、表面和心部硬度、有效硬化層深度、滲層和心部組織均達(dá)到技術(shù)要求，且同爐試樣滲碳層均在0.13 mm以內(nèi)，解決了在密封箱式多用爐上滲碳層不均勻的問(wèn)題。通過(guò)預(yù)生產(chǎn)試驗(yàn)，不但驗(yàn)證了預(yù)氧化時(shí)間確定的合理性，而且同爐滲層均勻性得到有效控制，解決了密封箱式滲碳爐滲碳后，滲碳表面濃度不達(dá)標(biāo)、滲碳層不均勻的問(wèn)題。

3 實(shí)際驗(yàn)證

根據(jù)井式爐滲碳原工藝，結(jié)合測(cè)試結(jié)果和預(yù)生產(chǎn)試驗(yàn)工藝，按套圈的有效壁厚，采用預(yù)氧化工藝(945±5) ℃×(30～40) min+氣體滲碳+淬火+3次高溫回火+2次冷處理進(jìn)行軸承套圈生產(chǎn)驗(yàn)證，經(jīng)此工藝生產(chǎn)的軸承套圈，不但滲碳熱處理后的表面硬度、心部硬度、表面含碳量、有效硬化層深度、表面組織和心部組織等技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了技術(shù)要求，而且研制交付的某發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承，其性能均達(dá)到了技術(shù)要求，一次性通過(guò)2 500 h壽命試驗(yàn)和斷油試驗(yàn)，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，且此工藝已用于軸承套圈的批量加工。

4 結(jié)論

1)采用密封箱式多用爐氣體滲碳SG13Cr4Mo4Ni4V鋼軸承套圈，滲碳前應(yīng)進(jìn)行預(yù)氧化處理，可保證滲層質(zhì)量。

2)通過(guò)SG13Cr4Mo4Ni4V鋼預(yù)氧化工藝技術(shù)研究，確定SG13Cr4Mo4Ni4V鋼的熱處理工藝為：預(yù)氧化(945±5)℃×(30～40) min+氣體滲碳+淬火+3次高溫回火+2次冷處理，經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證滿足軸承熱處理技術(shù)要求。