鄭艷華，劉秀蓮，班君，公平，張靜靜

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150000)

M50NiL鋼為低碳高合金滲碳鋼，國(guó)內(nèi)牌號(hào)為G13Cr4Mo4Ni4V，其中含有鎳元素，使材料具有較高的強(qiáng)度和韌性，由于含碳量較低，在應(yīng)用過(guò)程中往往通過(guò)滲碳工藝加工實(shí)現(xiàn)表面硬化。即使在高溫條件下，材料表面仍具有較高的硬度，同時(shí)心部保持較高的強(qiáng)度和韌性，是當(dāng)前高溫條件下服役的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的優(yōu)選材料[1]。

近年來(lái)，航空軸承的應(yīng)用工況越來(lái)越苛刻，對(duì)M50NiL材料進(jìn)行表面滲碳工藝加工已不能滿足當(dāng)前的使用要求，國(guó)外對(duì)于該材料較早的采用復(fù)合化學(xué)熱處理工藝加工，即在滲碳工藝的基礎(chǔ)上再進(jìn)行滲氮處理。與單一的滲碳或滲氮方法相比，復(fù)合化學(xué)熱處理工藝加工后，材料表面的滲氮層與滲碳層之間可形成良好的功能梯度，其表面具有較高的硬度，在表面沿深度方向上的一定范圍內(nèi)產(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力，能抵抗較大的接觸應(yīng)力，抑制次表層的塑性變形，可大幅提高軸承的耐磨性、抗疲勞性能和抗膠合能力[2]。

在加工過(guò)程中，殘余應(yīng)力的形成過(guò)程無(wú)法控制，所以要求殘余應(yīng)力的檢測(cè)十分準(zhǔn)確，但檢測(cè)設(shè)備本身具有局限性，無(wú)法滿足高精度的測(cè)量要求。為此，對(duì)M50NiL材料在相同滲碳工藝基礎(chǔ)上選用不同的離子滲氮工藝加工參數(shù)，制備性能梯度分布不同的復(fù)合硬化層。分析不同工藝參數(shù)下滲氮層的顯微硬度和殘余應(yīng)力，確定沿深度方向上硬度梯度與殘余應(yīng)力的關(guān)系，從而建立殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)模型，并利用殘余應(yīng)力的測(cè)定值驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為M50NiL，冶煉方式為真空感應(yīng)(VIM)加真空自耗(VAR)，交貨狀態(tài)為退火態(tài)。對(duì)M50NiL材料進(jìn)行復(fù)合化學(xué)熱處理加工，即在滲碳工藝加工的基礎(chǔ)上進(jìn)行離子滲氮加工，試樣尺寸為φ20 mm×5 mm。采用氣體滲碳工藝，滲碳溫度為950 ℃，滲碳總時(shí)間為21 h。滲碳后試樣再經(jīng)機(jī)械加工和熱處理加工，在表面形成深約1.2 mm的滲碳層。材料的心部硬度為43～45 HRC，試樣硬度梯度曲線如圖1所示。

圖1 試樣硬度梯度曲線

離子滲氮工藝采用真空離子滲氮爐，滲氮過(guò)程通入氮?dú)夂蜌錃?，其中氫氣作為稀釋氣體，可降低滲氮反應(yīng)的活化能，同時(shí)起到還原零件表面氧化物的作用。離子滲氮試驗(yàn)中設(shè)定電壓為650 V，通入氮?dú)饬髁繛?00 mL/min，氫氣流量為800 mL/min，選定不同的滲氮溫度和滲氮時(shí)間進(jìn)行離子滲氮，工藝方案見(jiàn)表1。

表1 滲氮工藝方案

離子滲氮加工后，利用顯微維氏硬度計(jì)檢測(cè)滲氮層沿深度方向的硬度梯度，采用X射線應(yīng)力分析儀檢測(cè)滲層的應(yīng)力梯度。

2 結(jié)果與討論

5種方案下試樣的硬度梯度如圖2所示。由圖可知，對(duì)比滲碳后，材料經(jīng)滲氮后表面硬度大幅提高，達(dá)到1 000 HV0.3以上，在滲碳層的基礎(chǔ)上形成了均勻過(guò)渡的超硬滲氮層。從圖中的硬度曲線可知，上述5種方案中的滲氮層深度分別為150，200，135，141，155 μm；表面硬度分別為1 106，1 112，1 154，1 167，1 193HV0.3。對(duì)比方案A和B可知，在相同的滲氮溫度下，滲氮時(shí)間越長(zhǎng)，表面硬度越高，滲層深度越深。研究表明，在離子滲氮過(guò)程中，隨著滲氮層深度增加，材料抗疲勞的極限值將增大[4-6]。對(duì)比方案C,D和E，在相同的滲氮時(shí)間下，隨著滲氮溫度的升高，滲氮層逐漸增大，材料表面的硬度逐漸增加。

圖2 滲氮后材料的硬度梯度

為了提高表面的抗疲勞性能，必須在接觸應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上計(jì)算材料的承載能力，在次表面下的殘余應(yīng)力的最大值所對(duì)應(yīng)的深度位置，必須與Hertz應(yīng)力的最大值所對(duì)應(yīng)的深度位置是相同的[7]。由于滲氮過(guò)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ɑ-Fe中會(huì)引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致形成殘余應(yīng)力。為了獲得殘余應(yīng)力的最大值所對(duì)應(yīng)的深度，采用X射線衍射應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)定5種方案滲氮后的殘余應(yīng)力，利用電解拋光方法獲得沿深度方向上的數(shù)據(jù)，滲氮后的殘余應(yīng)力分布曲線如圖3所示。由圖可知，M50NiL材料經(jīng)滲氮后的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最大值位于距表面100 μm的區(qū)域內(nèi)，且隨著深度增大，應(yīng)力逐漸減小。滲氮后材料表面的應(yīng)力增大，5種方案下殘余應(yīng)力最大值及其所在位置見(jiàn)表2。

由表2可知，對(duì)比方案C，D和E，隨著滲氮溫度的升高，滲氮后材料表面應(yīng)力的最大值所在位置距表面深度逐漸增大，但應(yīng)力值未呈現(xiàn)出一定規(guī)律。

圖3 滲氮后材料的殘余應(yīng)力

表2 滲氮后殘余應(yīng)力最大值及其所在位置

文獻(xiàn)[3]研究了H11鋼在離子滲氮后的顯微硬度和殘余應(yīng)力，證明沿深度方向上的顯微硬度曲線與殘余應(yīng)力曲線存在著一定的關(guān)系。鑒于此，分析M50Nil材料復(fù)合化學(xué)熱處理工藝加工后顯微硬度與殘余應(yīng)力的關(guān)系，建立殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)模型：利用沿滲層深度方向上的顯微硬度分布曲線對(duì)距表面距離進(jìn)行求導(dǎo)。求導(dǎo)后曲線最小值所在深度將與殘余應(yīng)力最大值所對(duì)應(yīng)的深度一致。

利用OriginLab軟件，分別將5種方案的硬度值HV0.3對(duì)距表面距離x求導(dǎo)，得出dHV0.3/dx的曲線分布，分別與對(duì)應(yīng)工藝方案下的殘余應(yīng)力的實(shí)測(cè)值(圖3)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，硬度曲線求導(dǎo)后與殘余應(yīng)力的分布趨勢(shì)接近；dHV0.3/dx的最小值所對(duì)應(yīng)的x值與殘余應(yīng)力最大值所對(duì)應(yīng)x實(shí)測(cè)值接近，進(jìn)而驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。在復(fù)合化學(xué)熱處理的工藝加工中，通過(guò)該模型的建立，可以利用顯微硬度曲線來(lái)推測(cè)材料次表面最大殘余應(yīng)力的深度位置，可以與Hertz應(yīng)力的最大值所對(duì)應(yīng)的深度位置進(jìn)行對(duì)比。

3 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合化學(xué)熱處理后，材料的顯微硬度曲線與殘余應(yīng)力的分布存在一定的關(guān)系，即顯微硬度曲線求導(dǎo)后的最小值與殘余應(yīng)力的最大值所對(duì)應(yīng)的深度方向上的位置是一致的。因此，復(fù)合化學(xué)熱處理工藝加工后，可以通過(guò)硬度計(jì)測(cè)定獲得滲氮層及擴(kuò)散區(qū)的顯微硬度曲線，將曲線求導(dǎo)后推斷殘余應(yīng)力最大值所在的深度位置，近而可以優(yōu)化離子滲氮的工藝參數(shù)，使殘余應(yīng)力最大值所在的深度位置達(dá)到Hertz應(yīng)力的最大值所在的深度位置，提高材料的抗疲勞性能。

(a)方案A

(b)方案B

(c)方案C

(d)方案D

圖4 dHV0.3/dx與殘余應(yīng)力的對(duì)比Fig.4 Comparison with dHV0.3/dx and residual stress