氣體成分對(duì)G13Cr4Mo4Ni4V鋼滲氮層性能的影響

劉金玲，曹娜娜，孫東，畢明龍

(中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能和推重比的提高，航空軸承服役環(huán)境更加苛刻，高速、重載、高溫工況對(duì)軸承的承載能力、疲勞壽命、抗污染物劃傷、抗斷油能力等提出了更高要求。為滿足軸承長(zhǎng)壽命，高性能的要求，針對(duì)G13Cr4Mo4Ni4V高溫滲碳軸承鋼采用雙重硬化技術(shù)，即在常規(guī)硬化基礎(chǔ)上進(jìn)行滲氮處理。經(jīng)過滲氮處理后其表面硬度可達(dá)960 HV0.3以上，表面壓應(yīng)力水平可達(dá)500 MPa，最大壓應(yīng)力達(dá)800 MPa以上，將有效提高軸承的疲勞壽命。

離子氮化具有滲氮周期短，滲層脆性小，滲氮層深度和組織可以控制，凈化表面等優(yōu)點(diǎn)[1]，主要工藝參數(shù)包括滲氮溫度、保溫時(shí)間、滲氮電壓、電流、占空比及氣體成分等。離子氮化技術(shù)是目前應(yīng)用前景最廣的滲氮方式，但由于離子氮化工藝參數(shù)較多，工藝較為復(fù)雜，國內(nèi)常用滲氮方式多選用氨氣作為工藝氣體。G13Cr4Mo4Ni4V鋼經(jīng)滲碳處理后表層碳濃度較高，采用氨氣作為工藝氣體容易導(dǎo)致零件脆性大，脈狀組織嚴(yán)重。因此，現(xiàn)選取氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w作為工藝氣體，并降低滲氮?dú)夥罩械獨(dú)獗壤M(jìn)行試驗(yàn)，討論氣體成分對(duì)滲氮層組織、硬度、滲氮層深度及壓應(yīng)力水平的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

選取外徑210 mm、內(nèi)徑178 mm、寬39 mm的G13Cr4Mo4Ni4V鋼制角接觸球軸承外圈進(jìn)行試驗(yàn)，材料的化學(xué)成分見表1。首先，將外圈進(jìn)行滲碳熱處理，工藝為：890 ℃滲碳+1 100 ℃二次淬火+545 ℃×2 h×3次回火，使其滲碳熱處理質(zhì)量滿足企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求(滲碳后成品外圈表面含碳量控制在0.80%～1.10%；表面硬度為698～795 HV0.3，心部硬度為375～449 HV0.3；滲碳層深度不小于1.3 mm，距表面0.75 mm處硬度不低于653 HV0.3)。然后，將3件滲碳淬火合格的外圈均分為6份，用汽油進(jìn)行清洗后用于滲氮處理。

表1 G13Cr4Mo4Ni4V鋼化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

在不同氮?dú)浔戎迪逻M(jìn)行滲氮處理，氣氛壓力為(350±10) Pa，電壓為650 V，占空比為10%，試驗(yàn)方案見表2，每爐擺放3件試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 滲氮?dú)怏w試驗(yàn)方案

試驗(yàn)后采用硬度法和金相法對(duì)滲氮層深度進(jìn)行評(píng)定。采用Axiovert 200MAT金相顯微鏡對(duì)試樣的金相組織進(jìn)行觀察。采用TUKON250維氏硬度計(jì)測(cè)量從試樣表面至比基體維氏硬度值高50 HV0.3處的垂直距離，即滲氮層深度，試驗(yàn)力為2.94 N。每個(gè)垂直距離處平行測(cè)3個(gè)點(diǎn)的滲氮層硬度。采用電解拋光和X射線衍射法對(duì)試樣的應(yīng)力梯度進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮?dú)浔戎祵?duì)滲氮層深度和硬度的影響

不同氮?dú)浔戎迪略嚇拥臐B氮層深度如圖1所示,由圖可知，隨著氮?dú)浔戎档脑黾?，滲氮層深度增大。

圖1 不同氮?dú)浔戎迪略嚇拥臐B氮層深度

根據(jù)HB 5023—1994《航空鋼制件滲氮、氮碳共滲滲層深度測(cè)定方法》規(guī)定，用不同方法測(cè)定滲氮層深度的結(jié)果有爭(zhēng)議時(shí)，以硬度法作為仲裁方法。因此，從滲氮層表面0.05 mm處每隔0.05 mm進(jìn)行硬度檢測(cè)，至0.70 mm處滲氮層硬度梯度曲線如圖2所示。由圖可知，滲氮處理后，距表面0.05 mm處硬度由未滲氮基體727 HV0.3升高至960 HV0.3以上，硬度大幅提高。

圖2 不同氮?dú)浔戎迪略嚇訚B氮層硬度分布

在滲氮電壓、滲氮溫度、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)一定的情況下，隨著氮?dú)浔戎抵械壤慕档停瑪U(kuò)散達(dá)到平衡狀態(tài)后滲氮層表層的氮含量降低，硬度梯度向左移動(dòng)，表層硬度及滲氮層深度減小。方案3與方案1相比，滲氮層氮含量較低，其硬度降低約55 HV0.3。

2.2 氮?dú)浔戎祵?duì)滲氮層組織的影響

滲氮層中脈狀組織為脆性相，易引起滲氮層剝落，且脈狀組織形成會(huì)阻礙氮的擴(kuò)散，使表面積累大量氮，影響其分布的同時(shí)降低了滲氮層深度，增加了滲氮層表層下的拉應(yīng)力水平，使?jié)B氮層與基體結(jié)合度降低[2]。因此，軸承滲氮后要求滲氮層中無脈狀組織。不同氮?dú)浔戎迪略嚇拥臐B氮層組織如圖3所示，其中，滲氮層脈狀組織級(jí)別評(píng)定參考GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測(cè)定和金相組織的檢驗(yàn)》。由圖可知，隨著氣氛中氮?dú)饬髁勘壤慕档?，滲氮層中脈狀組織級(jí)別逐漸降低。脈狀組織主要出現(xiàn)在化合物層中，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈狀組織處鐵與氮原子分?jǐn)?shù)比為2.32，整體化合物層中鐵與氮原子分?jǐn)?shù)比為7.40。因此，氣氛中氮離子濃度降低，化合物層中氮含量也隨之降低，說明降低氮?dú)浔戎悼梢杂行Ц纳苹衔飳又械拿}狀組織。

圖3 不同氮?dú)浔戎迪略嚇拥臐B氮層組織

2.3 氮?dú)浔戎祵?duì)滲氮層應(yīng)力的影響

復(fù)合化學(xué)熱處理加工后，材料表面的滲氮層與滲碳層之間可形成良好的應(yīng)力梯度，能抵抗較大的接觸應(yīng)力，抑制次表層的塑性變形，可大幅度提高軸承耐磨性、抗疲勞性能和抗膠合性能[3]。不同氮?dú)浔戎迪略嚇訚B氮層的殘余應(yīng)力如圖4所示,由圖可知，常規(guī)滲碳淬火處理后外圈最大壓應(yīng)力只有200 MPa，離子滲氮后外圈最大壓應(yīng)力達(dá)到800 MPa以上，經(jīng)過離子氮化后應(yīng)力梯度可得到很大改善。這是由于在離子氮化過程中離子轟擊作用的影響，滲氮過程中氮元素與合金元素形成的氮化物以及碳氮化合物溶于α-Fe中會(huì)引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，使殘余應(yīng)力增加，對(duì)材料起到強(qiáng)化作用[4]。此外，隨著氮?dú)浔戎档慕档停瑝簯?yīng)力水平向左移動(dòng)，壓應(yīng)力深度與滲氮層深度相近。研究表明，經(jīng)過復(fù)合化學(xué)熱處理后，材料顯微硬度曲線求導(dǎo)后的最小值與殘余應(yīng)力的最大值對(duì)應(yīng)深度方向上的位置一致[5]。因此，可以根據(jù)工況調(diào)整滲氮層硬度，進(jìn)而使最大殘余壓應(yīng)力深度達(dá)到Hertz應(yīng)力最大深度位置，從而提升軸承的疲勞壽命。

圖4 不同氮?dú)浔戎迪略嚇訚B氮層殘余應(yīng)力

3 結(jié)論

1)隨著氮?dú)浔戎档脑龃?，滲碳淬火后G13Cr4Mo4Ni4V鋼軸承外圈的滲氮層表面硬度升高，滲氮層深度增加。

2)氮?dú)浔戎凳怯绊慓13Cr4Mo4Ni4V鋼滲氮層脈狀組織的重要因素之一，降低氮?dú)浔戎悼捎行Ц纳茲B氮層脈狀組織。

3)離子氮化后G13Cr4Mo4Ni4V鋼殘余壓應(yīng)力得到很大改善，通過調(diào)整氮?dú)浔戎悼梢哉{(diào)整最大壓應(yīng)力位置，進(jìn)而提高軸承疲勞壽命。

4)在488 ℃下保溫20 h進(jìn)行滲氮時(shí)，氮?dú)浔戎到档椭?0∶2 400 mL/min可以保證 G13Cr4Mo4Ni4V鋼滲氮層中沒有脈狀組織。