高壓氣淬對8Cr4Mo4V鋼制軸承套圈變形的影響

單瓊飛，賈玉鑫，康風(fēng)波，李檢貴

（洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

8Cr4Mo4V高溫鋼制套圈的軸承在高溫下有較高的強(qiáng)度和良好的穩(wěn)定性，適用于發(fā)動機(jī)的一些關(guān)鍵部位，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前使用該材料加工的軸承型號越來越多，且加工尺寸逐漸向大型薄壁方向發(fā)展，對套圈熱處理質(zhì)量控制要求也越來越高。然而由于受現(xiàn)有普通真空爐性能及油淬工藝所限，套圈依然采用傳統(tǒng)的油淬方式，變形、翹曲及錐度等尺寸較難控制，導(dǎo)致廢品率居高不下，造成大量浪費，增大了成本。而若增大加工留量，又易造成后期磨削燒傷，將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

高壓氣淬工藝具有無氧化脫碳、無合金元素貧化及硬度均勻性好等特點，而且可以通過控制加熱及冷卻速度減小熱處理變形，并可實現(xiàn)清潔化熱處理［1-3］，故真空高壓氣淬技術(shù)在過去的幾十年內(nèi)得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。一些國外企業(yè)已把高壓氣淬工藝成功地應(yīng)用于高溫軸承鋼套圈淬火中，而國內(nèi)還在探索階段。由于高壓氣淬工藝對設(shè)備性能要求較高，且與傳統(tǒng)油淬相比冷卻速度明顯降低，如何保證此類產(chǎn)品的淬透性也是難題之一。下文嘗試對大型薄壁、寬度較大的8Cr4Mo4V高溫軸承鋼套圈的高壓氣淬工藝進(jìn)行研究，以獲得其最佳的高壓氣淬熱處理工藝參數(shù)，在保證產(chǎn)品淬透性的同時，減小套圈變形、翹曲及錐度，提高產(chǎn)品合格率。

1 試驗

1.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為法國ECM真空滲碳爐，該爐由加熱室、油淬室、真空通道及氣淬室構(gòu)成，可同時實現(xiàn)傳統(tǒng)油淬和高壓氣淬工藝試驗。加熱室極限加熱溫度為1 320℃，可滿足8Cr4Mo4V高溫軸承鋼套圈熱處理工藝加熱要求；氣淬室可選用0～1 MPa的高壓氮氣（氮氣純度99.995%）進(jìn)行淬火冷卻，確保產(chǎn)品的淬透性。

1.2 試驗內(nèi)容

通過對淬火工藝以及氣淬壓力進(jìn)行調(diào)整，分析高溫軸承鋼氣淬淬透性及氣淬壓力與產(chǎn)品變形、翹曲以及錐度的對應(yīng)關(guān)系，解決由高溫軸承鋼油淬冷卻速度及淬火時組織轉(zhuǎn)變的不同時性引起的變形及翹曲，特別是錐度問題。

試驗的技術(shù)難點是既要保證產(chǎn)品的硬度要求，又能將產(chǎn)品的圓度、平面度及錐度控制在最小值。特別是錐度在熱處理中是無法進(jìn)行整形處理的，所以減小寬度較大的耐熱鋼產(chǎn)品熱處理過程中的錐度尤為重要。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 氣淬壓力的選擇

在高壓氣淬熱處理工藝調(diào)試過程中，對有效壁厚1～12 mm的高溫軸承鋼套圈分別在0.1～1 MPa氣淬壓力下進(jìn)行淬透性及尺寸控制方面的工藝試驗。隨著氣淬壓力的提高，氣淬室氣體密度增加，從高溫軸承鋼套圈上帶走的熱量增多，其冷卻速度加快。對淬火后的組織、硬度及變形、翹曲等尺寸變形量等質(zhì)量控制指標(biāo)進(jìn)行檢測，研究高壓氣淬壓力與產(chǎn)品質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系。通過多次工藝試驗優(yōu)化給出高溫軸承鋼高壓氣淬壓力的合適范圍為：氣淬壓力（MPa）＝（0.08～0.09）×套圈有效壁厚（mm）。

2.2 氣淬與油淬對套圈平面度及圓度的影響

選用20件某型號8Cr4Mo4V鋼制圓柱滾子軸承C27XX／01（外徑180 mm，寬度18 mm，有效壁厚2 mm）和20件D10XX／01（外徑220 mm，寬度20 mm，有效壁厚2 mm）分別進(jìn)行氣淬及油淬熱處理工藝試驗，隨后對試件進(jìn)行硬度檢測和組織觀察，并檢測其平面度及圓度等尺寸，結(jié)果見表1和表2。

該產(chǎn)品設(shè)計要求為：硬度60～64 HRC，組織M2～M4級，變形量（圓度、平面度）應(yīng)控制在0.20 mm以內(nèi)。從表1和表2可知：（1）2種套圈在氣淬和油淬工藝下均滿足組織和硬度要求。（2）C27XX／01氣淬工藝圓度平均變形量為0.13 mm，圓度超過0.20 mm的套圈有2件，不合格率為20%；平面度平均變形量為0.16 mm，平面度超過0.20 mm的套圈有3件，不合格率為30%。（3）油淬工藝圓度平均變形量為0.25 mm，圓度超過0.20 mm的套圈有7件，不合格率達(dá)70%；平面度平均變形量為0.28 mm，平面度超過0.20 mm的套圈有8件，不合格率高達(dá)80%。D10XX／01與C27XX／01的變形結(jié)果基本一致。與傳統(tǒng)油淬工藝相比，高壓氣淬工藝既可保證高溫軸承鋼套圈的淬透性，又在尺寸變形量控制方面有明顯改善，不合格率降低約40%～50%。

表1 圓柱滾子軸承C27XX／01和D10XX／01在0.2 MPa氣淬工藝下的試驗結(jié)果

表2 圓柱滾子軸承C27XX／01和D10XX／01在0.2 MPa油淬工藝下的試驗結(jié)果

2.3 氣淬與油淬對套圈錐度的影響

試驗選用30 件某型號圓柱滾子軸承8D26XX／01（外徑320 mm，有效壁厚10 mm，寬度40 mm）和30件D12XX／01（外徑180 mm，有效壁厚10 mm，寬度75 mm）分別進(jìn)行油淬及氣淬熱處理工藝試驗，并在淬火后進(jìn)行錐度檢測，檢測數(shù)據(jù)如圖1和圖2所示。

圖1 8D26XX／01氣／油淬火后的錐度變化

圖2 D12XX／01氣／油淬火后的錐度變化

由圖1可知，8D26XX／01采用真空滲碳爐氣淬工藝時的平均錐度為0.13 mm，而采用傳統(tǒng)油淬工藝時的平均錐度高達(dá)0.38mm。由圖2可知，D12XX／01采用氣淬工藝時的平均錐度為0.11 mm，傳統(tǒng)油淬工藝時的平均錐度高達(dá)0.50 mm。由此可見，氣淬工藝與傳統(tǒng)油淬相比，錐度均可控制在0.15 mm以內(nèi)，徹底解決了油淬過程中套圈錐度難以控制的問題。

2.4 結(jié)果分析

工件淬火變形主要是由熱應(yīng)力和組織應(yīng)力所致［4-5］。淬火過程中隨著溫度的降低軸承套圈整體會向心部收縮，外層也會因冷速較快先開始收縮，并向心部冷卻較慢的部分施加壓應(yīng)力，迫使其變形。油淬時高溫軸承鋼薄壁工件冷卻速度快，熱應(yīng)力較大，產(chǎn)生的變形亦較大。而氣淬工藝中氮氣是相對緩和的冷卻介質(zhì)，冷卻速度也可通過調(diào)節(jié)氣淬壓力和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來控制，能確保工件均勻冷卻，故氣淬產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力相對較小，工件變形小，產(chǎn)品變形量得到明顯改善。

3 結(jié)論

（1）通過多次熱處理工藝試驗，優(yōu)化給出了8Cr4Mo4V鋼制軸承套圈最佳高壓氣淬壓力的經(jīng)驗公式。

（2）與傳統(tǒng)油淬工藝相比，高壓氣淬工藝既能保證產(chǎn)品的淬透性，又能有效控制尺寸變形量，圓度及平面度均顯著改善，產(chǎn)品不合格率可降低約40%～50%；錐度可控制在0.15 mm以內(nèi)，徹底解決了傳統(tǒng)油淬過程中錐度難以控制的問題。