遲杰，楊曉峰，于遨海，曹娜娜，劉金玲

(1.中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025；2.空裝駐哈爾濱地區(qū)第一軍代表室，哈爾濱 150025)

航空軸承作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，主要用于支承機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，傳輸載荷以及降低發(fā)動(dòng)機(jī)各部件之間的摩擦力，是高端裝備的重要基礎(chǔ)件，在裝備的服役中起關(guān)鍵作用[1]。8Cr4Mo4V高溫軸承鋼及G13Cr4Mo4Ni4V高溫滲碳軸承鋼是航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承常用鋼種，其最高使用溫度為316 ℃，可以滿(mǎn)足國(guó)產(chǎn)三代機(jī)使用需求[2]。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)工況日益惡劣，8Cr4Mo4V高溫軸承鋼的常規(guī)熱處理技術(shù)難以滿(mǎn)足高溫、高速、高dn值和長(zhǎng)壽命的使用需求，需采用表面處理技術(shù)進(jìn)一步提升航空軸承使用性能?，F(xiàn)航空軸承套圈主要表面處理技術(shù)有離子注入、噴丸強(qiáng)化、 離子滲氮以及氮化鈦涂覆等，用以提升軸承工作位置硬度和應(yīng)力水平，進(jìn)而提升軸承套圈工作位置耐磨性及接觸疲勞性能。表面處理后軸承套圈工作位置硬度得到提升，需對(duì)滾動(dòng)體進(jìn)行相同表面處理或配合氮化硅陶瓷球使用，以滿(mǎn)足軸承硬度匹配要求。本文以軸承套圈為例，介紹幾種典型軸承表面處理技術(shù)。

1 離子注入

離子注入是根據(jù)使用性能需求，將要注入的元素分離成離子，在高壓電場(chǎng)作用下以高速轟擊工件表層，進(jìn)而提升工件耐蝕、耐磨等性能[3]。在航空軸承上采用離子注入方法的主要原因有：1)注入元素與基件元素呈冶金結(jié)合，不存在表面剝落問(wèn)題；2)沒(méi)有增加軸承尺寸問(wèn)題；3)可以控制在室溫下注入，不會(huì)引起基體性能下降；4)在真空狀態(tài)下注入，表面粗糙度不發(fā)生變化，可作為最終處理工藝，產(chǎn)品合格率高[4]。依據(jù)軸承工況需求，可選取相應(yīng)元素進(jìn)行離子注入加工，如為提升表面抗氧化性、耐蝕性以及耐磨性可選取鉻元素或硅元素。

依據(jù)8Cr4Mo4V高溫軸承鋼材料特性及航空軸承工況條件，選取注入元素為氮。以某批內(nèi)徑為45 mm的8Cr4Mo4V高溫軸承鋼制航空球軸承套圈為例，對(duì)離子注入前后軸承溝道圓度ΔCir、輪廓度ΔCur及表面粗糙度Ra值等尺寸精度及表面殘余應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 某型8Cr4Mo4V鋼制航空軸承離子注入氮元素前后溝道檢測(cè)結(jié)果

對(duì)同爐次8Cr4Mo4V鋼制圓片試樣進(jìn)行納米硬度檢測(cè)，離子注入前后檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。高溫軸承鋼離子注入氮元素過(guò)程中，不僅氮離子與基體撞擊產(chǎn)生離子輻照損傷，增加位錯(cuò)密度起到機(jī)械強(qiáng)化作用；同時(shí)形成的Fe4N，F(xiàn)e2-3N，Cr2N等氮化物會(huì)彌散分布于晶體中，提升軸承工作位置表面硬度及壓應(yīng)力水平，進(jìn)而提高軸承耐磨性、接觸疲勞性能、使用壽命和抗斷油能力。

表2 離子注入氮元素前后8Cr4Mo4V鋼制圓片試樣硬度檢測(cè)結(jié)果

從8Cr4Mo4V高溫軸承鋼離子注入前后相關(guān)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果可知，離子注入氮元素后軸承尺寸精度保持良好，軸承溝道圓度、輪廓度以及表面粗糙度全部滿(mǎn)足指標(biāo)要求，離子注入可作為最終加工工序。

2 噴丸強(qiáng)化

噴丸強(qiáng)化處理是現(xiàn)有成本較低，應(yīng)用較廣的表面處理技術(shù)，噴丸過(guò)程中大量高速?gòu)椡枳矒艄ぜ砻妫俣人查g變化，工件材料發(fā)生不同程度塑性變形，加工位置產(chǎn)生壓應(yīng)力[5]。由文獻(xiàn)[6]可知，噴丸強(qiáng)化后未改變馬氏體相，但是在晶界及馬氏體內(nèi)形成了大量缺陷，提高了強(qiáng)化層的顯微硬度，噴丸強(qiáng)化后疲勞裂紋源向內(nèi)部擴(kuò)展。硬度、應(yīng)力水平的提升以及裂紋源向內(nèi)擴(kuò)展都將有效降低軸承發(fā)生早期疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。

以某型內(nèi)徑為135 mm的8Cr4Mo4V高溫軸承鋼制軸承套圈為例，采用熱噴丸加工形式，噴丸強(qiáng)化處理后的硬度梯度如圖1所示，應(yīng)力梯度如圖2所示。噴丸強(qiáng)化處理后由于噴丸高速撞擊，在材料內(nèi)部形成大量位錯(cuò)，軸承溝道位置顯微硬度提升50 HV，同時(shí)軸承工作位置表面殘余壓應(yīng)力提升2倍以上，殘余壓應(yīng)力深度增加至200 μm，硬度及應(yīng)力梯度的提升有助于提高軸承的耐磨性和接觸疲勞性能。噴丸強(qiáng)化在保證噴丸覆蓋率以及消除裂紋源的前提下，是目前最經(jīng)濟(jì)有效的表面強(qiáng)化方式。

圖1 噴丸強(qiáng)化后8Cr4Mo4V鋼制軸承強(qiáng)化位置的硬度梯度

圖2 噴丸強(qiáng)化前后8Cr4Mo4V鋼制軸承強(qiáng)化位置的應(yīng)力梯度

3 離子滲氮

8Cr4Mo4V及G13Cr4Mo4Ni4V材料內(nèi)合金含量較高，存在滲氮層脈狀組織難以控制及滲氮層深度不足等缺點(diǎn)。離子滲氮技術(shù)是一種高性能滲氮方法，具有滲氮周期短，滲層脆性低，滲氮層厚度及組織可控性高等優(yōu)勢(shì)[7]。離子滲氮是在低真空含氮?dú)夥罩?，以工件作為陰極，爐體為陽(yáng)極，在陰陽(yáng)兩極間加上數(shù)百伏電壓，使之產(chǎn)生輝光放電，氮?dú)獗浑婋x成為氮離子，在電場(chǎng)作用下轟擊零件表面進(jìn)行滲氮加工。

以某型內(nèi)徑為135 mm的8Cr4Mo4V高溫軸承鋼制軸承套圈為例，采用離子滲氮處理后軸承溝道位置脈狀組織不大于1級(jí)，心部組織無(wú)變化，如圖3所示。由于脈狀組織是脆性相，滲層中脈狀組織嚴(yán)重容易導(dǎo)致軸承發(fā)生早期剝落，因此需嚴(yán)格控制脈狀組織。

(a)滲氮層組織

離子滲氮后軸承強(qiáng)化位置硬度梯度如圖4所示：離子滲氮處理后由于濺射轟擊以及滲氮層中形成γ′-Fe4N及ε-Fe3N相，軸承套圈工作表面硬度由720 HV提升至974 HV。目前離子滲氮后軸承強(qiáng)化位置硬度均穩(wěn)定在940 HV(68 HRC)以上，硬度的提高有助于提升軸承強(qiáng)化位置的耐磨性。

圖4 離子滲氮后8Cr4Mo4V鋼制軸承強(qiáng)化位置的硬度梯度

滲氮前后軸承強(qiáng)化位置的應(yīng)力梯度對(duì)比如圖5所示：軸承強(qiáng)化位置的最大殘余壓應(yīng)力由-400 MPa提升至-900 MPa以上，最大殘余壓應(yīng)力提高1倍以上，壓應(yīng)力層深度由不足14 μm提升至240 μm以上。壓應(yīng)力的增加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、接觸疲勞性能和抗膠合性[8]。

圖5 離子滲氮前后8Cr4Mo4V鋼制軸承強(qiáng)化位置的應(yīng)力梯度

4 氮化鈦涂層

G13Cr4Mo4Ni4V高溫滲碳軸承鋼是在8Cr4Mo4V高溫軸承鋼基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的鋼種，表面滲碳硬化處理后G13Cr4Mo4Ni4V鋼比8Cr4Mo4V鋼心部韌性更優(yōu)異，但其抗磨粒磨損性能較差，為此引入氮化鈦涂覆技術(shù)用以解決軸承套圈擋邊磨損失效問(wèn)題。氮化鈦涂層具有高硬度，高黏著強(qiáng)度，低摩擦因數(shù)等優(yōu)勢(shì)，在刀具等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[9]。

以某型G13Cr4Mo4Ni4V鋼制內(nèi)徑為135 mm的軸承套圈為例，對(duì)軸承套圈擋邊進(jìn)行氮化鈦涂覆處理，軸承擋邊位置納米硬度由原始11 GPa提升至33 GPa，有效增加擋邊抗磨損能力。對(duì)隨爐G13Cr4Mo4Ni4V鋼制試樣氮化鈦涂層組織進(jìn)行觀(guān)察(圖6)，涂層顆粒分布均勻，最大顆粒尺寸小于10 μm。

圖6 G13Cr4Mo4Ni4V鋼制試樣的氮化鈦涂敷效果

由文獻(xiàn)[10]可知，氮化鈦涂覆層可以有效推遲軸承磨粒磨損出現(xiàn)時(shí)間，這主要是由于氮化鈦涂覆處理后軸承擋邊位置的納米硬度顯著提升以及其致密組織結(jié)構(gòu)有助于其耐磨性提升。因此氮化鈦涂層技術(shù)可應(yīng)用于航空軸承，以提升其耐磨能力，降低磨粒磨損等早期失效風(fēng)險(xiǎn)。

5 小結(jié)

軸承套圈幾種典型表面處理技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表3，表中“+”為性能增加，“-”為性能無(wú)提升，“+”越多越有利于性能提升。

表3 表面處理后性能對(duì)比

目前航空軸承常用表面處理技術(shù)對(duì)軸承耐蝕性提升不明顯，難以滿(mǎn)足燃?xì)廨啓C(jī)日益增加的三防性能(軸承抵抗“鹽霧、霉菌、濕熱”三種環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰?需求。為此后續(xù)重點(diǎn)開(kāi)展耐蝕元素離子注入技術(shù)研究，以及多種表面處理技術(shù)組合的復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)研究。

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)將多種表面處理技術(shù)組合進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化處理：文獻(xiàn)[5]采用離子注入和噴丸強(qiáng)化技術(shù)復(fù)合處理，由于耦合效應(yīng)，殘余壓應(yīng)力較單一表面處理更大，且壓應(yīng)力層深度更深；文獻(xiàn)[9]將離子滲氮技術(shù)與氮化鈦涂層技術(shù)結(jié)合，復(fù)合強(qiáng)化處理后工件表面更加平整，出現(xiàn)納米組織，硬度及應(yīng)力水平得到進(jìn)一步提升，從而提高了工件的耐磨性。

6 結(jié)論

由8Cr4Mo4V和G13Cr4Mo4Ni4V鋼制軸承表面處理后的性能可知：

1)離子注入、離子滲氮以及噴丸強(qiáng)化等表面處理手段可以有效提升軸承強(qiáng)化位置壓應(yīng)力水平，有助于提升軸承接觸疲勞性能。

2)氮化鈦涂層、離子滲氮處理后軸承強(qiáng)化位置表面硬度得到顯著提升，這有助于提升軸承耐磨性，進(jìn)而提升軸承抗污染能力。

3)軸承表面處理是提升軸承耐磨性、耐蝕性以及接觸疲勞性能的有效手段，結(jié)合軸承使用工況選取適當(dāng)表面處理技術(shù)，可以提升軸承可靠性，滿(mǎn)足軸承工況需求。