G13Cr4Mo4Ni4V鋼滲碳時粗大及網狀碳化物的成因與消除

李付偉，龔建勛，王明杰，宋華華，姜艷紅

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

G13Cr4Mo4Ni4V是新型高溫滲碳軸承鋼，具有較高的強度及耐高溫性能[1]，已廣泛應用于航空發動機。軸承套圈加工流程為：鍛造→退火→車加工→滲碳→一次淬火→高溫回火→二次淬火→回火，其中，滲碳過程直接影響軸承工作表面的熱處理質量。在滲碳過程中,一方面要使碳盡量均勻地擴散到零件表面，避免形成網狀碳化物，另一方面對已形成的網狀碳化物進行消除。其目的是防止淬火時滾道表面因存在網狀碳化物而開裂，影響軸承的耐磨性等使用性能。因此，有必要消除滲碳時形成的粗大碳化物，減少滲碳過程中網狀碳化物形成幾率。下文制訂了研究方案，開展了相關的熱處理工藝試驗。

1 網狀碳化物形成原因

采用直讀光譜法測定G13Cr4Mo4Ni4V鋼的化學成分(質量分數)見表1，元素含量符合YB 4106—2002《航空發動機用高溫滲碳軸承鋼》的要求。從表中可以看出，該鋼中有較多的合金元素釩、鉬和鉻，其會促進碳化物的形成，降低碳原子的擴散系數，所以在滲碳過程中可能進一步加劇碳原子在鋼表層的積聚[2]。因此，其在滲碳過程中具有較強析出碳化物的傾向，極易形成粗大、網狀碳化物，形貌如圖1所示，經檢測，深度達0.32 mm。

表1 G13Cr4Mo4Ni4V軸承鋼化學成分 w，%

圖1 粗大、網狀碳化物

2 滲碳過程中消除方法

常見的高溫滲碳鋼多用于中小型軸承套圈，要求外徑≤300 mm，滲碳層≤2.0 mm，粗大碳化物深度≤0.15 mm。滲碳時碳勢一般控制在0.6%～0.7%，碳勢過高時，對于滲碳層要求較深(≥1.5 mm)的零件，滲碳中后期極易形成粗大、網狀碳化物，常通過降低碳勢的方法消除，可在強滲后將碳勢降低0.1%，即碳勢為0.5%進行擴散工藝試驗，每隔1 h取樣1次，檢測結果見表2。當擴散4 h后，網狀碳化物已基本消除，殘留少量粗大碳化物(圖2)，可在后續的磨削加工過程中去除，對成品套圈沒有影響。降低碳勢會降低表層碳含量，可能使成品套圈硬度達不到要求，故采用該方法進行擴散時，時間不宜過長，一般以3～4 h為宜，根據取樣結果及時調整碳勢，以保證獲得較高的滲碳層硬度。經檢測，擴散前后套圈表層總碳含量不低于0.80%，淬回火(工藝為：1 070 ℃保溫50 min，油冷淬火，在空氣爐中進行540 ℃回火)后硬度不低于60 HRC，能夠滿足產品要求。

表2 碳勢調整前后檢測結果

圖2 降碳勢擴散后的組織形貌

根據擴散第二定律D=D0e-Q/KT(D0為間隙擴散常數;Q為原子擴散激活能；K為比例系數)，擴散系數D與溫度T成指數關系,晶界的粗大碳化物向晶內、表層深處和表面外進行強烈擴散，使碳分布趨于均勻，從而消除網狀碳化物[3]。高溫滲碳鋼滲碳時溫度為945 ℃，當過程試樣出現粗大碳化物時，將爐溫提高5 ℃，保持碳勢不變進行擴散試驗，試驗結果見表3，升溫擴散后的碳化物形貌如圖3所示。由此可知，擴散3～4 h即可消除網狀碳化物，將該方法應用于生產實際加工，效果明顯。

表3 提高溫度擴散后粗大碳化物深度

圖3 升溫擴散后碳化物

3 二次淬火過程消除方法

常規工藝下的高溫滲碳軸承鋼套圈組織形貌如圖4所示，滲碳層二次淬、回火組織應為均勻分布的碳化物+隱晶馬氏體+少量殘余奧氏體。對于出現粗大碳化物的套圈，通過調整加熱溫度或保溫時間進行試驗，結果見表4，粗大和網狀碳化物標準按照《航空發動機主軸軸承用SG13Cr4Mo4Ni4V高溫滲碳鋼熱處理技術條件(草案)》的要求進行評定。由表可知，當溫度提高5 ℃或保溫時間延長長5 min即可消除粗大碳化物，經工藝1處理后的碳化物組織形貌如圖5所示，由圖可知，粗大碳化物已消除。

圖4 常規工藝下的滲碳組織形貌

表4 二次淬火過程工藝試驗結果

圖5 經工藝1處理后的組織形貌

對于形成網狀碳化物的套圈，通過提高溫度及延長保溫時間的工藝方法進行多次試驗，均不能消除(圖6)。只能通過補滲擴散的方法進行消除，生產中可采用前文所述方法，但補滲擴散出爐后，套圈需要經過二次滲碳高溫淬火，淬火過程中在組織應力和熱應力共同作用下，套圈的變形量增大，外徑也會縮小，甚至超出尺寸要求，因此，滲碳時應盡量避免網狀碳化物產生。

圖6 經工藝5處理后的組織形貌

對于滲碳過程中有粗大碳化物的套圈，通過前文所述的方法進行處理，淬回火后硬度可達62 HRC以上，與無粗大碳化物的套圈相比，其硬度提高1 HRC。故為獲得較高硬度，可以在滲碳過程中控制粗大碳化物的含量，在后續二次淬火過程中進行消除，但要根據套圈磨削留量的要求嚴格控制，防止粗大碳化物的深度超標。

4 結論

1)通過降低碳勢或提高滲碳溫度可消除滲碳過程中的粗大、網狀碳化物。

2)二次淬火時通過提高淬火溫度或延長保溫時間，可減少或消除滲碳時生成的粗大碳化物。

3)通過補滲擴散可消除滲碳時的網狀碳化物，但重新入爐加工存在外徑縮小的風險，應盡量控制滲碳過程中碳化物的粗大程度，避免網狀碳化物的形成。