40Cr15Mo2VNA鋼軸承套圈鍛造工藝改進(jìn)

馮小川，吳玉成，范紅偉，艾青牧，高春月

(中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150027)

軸承作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的重要零部件，其使用性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和可靠性[1-2]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)某部位用軸承要求能夠滿足高溫、重載、防潮濕、防鹽霧、防霉菌等特殊工況需求，為了滿足主機(jī)使用要求，軸承設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)多方案論證，套圈材料采用40Cr15Mo2VNA鋼(Cronidur30鋼的國(guó)產(chǎn)化材料)。該材料通過降碳增氮，優(yōu)化冶煉、鍛造和熱處理工藝等措施控制組織結(jié)構(gòu)、晶粒度以及碳化物分布等，允許使用溫度高達(dá)350 ℃，在高溫下具有穩(wěn)定的硬度、強(qiáng)度、良好的抗磨性和較高的斷裂韌性，在“三防”方面具有顯著的耐腐蝕特性。

軸承工作中承受軸向、徑向載荷及傾覆力矩，并結(jié)合軸承大長(zhǎng)徑比的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(外徑φ700 mm，寬度22 mm)，套圈需要采用鍛件毛坯加工。套圈鍛造鐓粗輾擴(kuò)加工，除了可以滿足幾何尺寸要求外，還可以改變金屬內(nèi)部組織，提高金屬的力學(xué)性能；使粗大的晶粒細(xì)化；減小切削加工余量，提高生產(chǎn)效率。

根據(jù)40Cr15Mo2VNA鋼材料成分和其高溫特性，制定的鍛造工藝流程為：下料→加熱→鐓粗→沖孔→加熱→預(yù)軋→加熱→終軋→退火。首批采用外圈進(jìn)行試鍛，共鍛造了10件，根據(jù)理化檢測(cè)結(jié)果，鍛件的組織性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但在鍛造生產(chǎn)過程中坯料開裂問題比較嚴(yán)重(發(fā)現(xiàn)3件)。為防止后期鍛件生產(chǎn)時(shí)坯料開裂[3-7]，需要對(duì)目前的工藝流程和工藝方法進(jìn)行分析和優(yōu)化。

1 原材料檢測(cè)

1.1 原材料復(fù)驗(yàn)

原材料采用國(guó)產(chǎn)高氮不銹鋼(牌號(hào)40Cr15Mo2VNA-Q/GYB 912—2015)，冶煉方法為非真空感應(yīng)+電渣重熔，棒料投料，入廠復(fù)驗(yàn)包括：

1)化學(xué)成分檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果見表1，滿足技術(shù)協(xié)議要求。

表1 化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2)退火態(tài)硬度檢測(cè)。截取試樣進(jìn)行淬、回火處理后檢測(cè)硬度，結(jié)果見表2，硬度滿足技術(shù)協(xié)議要求。

表2 硬度檢測(cè)結(jié)果

3)40Cr15Mo2VNA材料性能參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 40Cr15Mo2VNA材料性能參數(shù)

1.2 原材料驗(yàn)收

1)低倍組織：頭部、尾部均未見缺陷，白斑、暗斑、放射狀偏析、環(huán)狀偏析均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)ASTM A604—2007中的A級(jí)(圖1)。

圖1 棒材的低倍組織照片

2)晶粒度:原材料頭、尾部晶粒度檢測(cè)結(jié)果均為8級(jí)(技術(shù)要求為6級(jí)或更細(xì))，如圖2所示。

圖2 棒材晶粒度

3)碳化物：碳化物檢驗(yàn)檢測(cè)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，網(wǎng)狀碳化物按照YB 4107—2000《航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高碳鉻軸承鋼》檢驗(yàn)，合格級(jí)別小于或等于2.5級(jí)；帶狀碳化物按照YB 4107—2000檢驗(yàn)， 提供實(shí)測(cè)值。高倍組織如圖3所示。

圖3 棒材碳化物檢測(cè)組織

4)非金屬夾雜物：棒材頭、尾部的非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果見表4和圖4。

表4 棒材頭、尾部的非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果

圖4 棒材非金屬夾雜物

5)脫碳層：棒材頭、尾部脫碳層深度分別為0.621,0.659 mm(要求≤1.14 mm )，如圖5所示。

圖5 棒材脫碳層組織

2 套圈鍛造工藝及存在問題

40Cr15Mo2VNA鋼鍛件原生產(chǎn)工藝見表5。

表5 鍛件生產(chǎn)工藝

圖6 鍛造加熱曲線

圖7 退火加熱曲線

依照原工藝加工的套圈存在如下問題：

1)鐓粗沖孔后，坯料出現(xiàn)大量的麻紋(圖8)；

圖8 鍛件的表面麻紋

2)預(yù)軋后，套圈內(nèi)徑倒角處有裂紋；

3)退火后，鍛件端面內(nèi)徑倒角處產(chǎn)生大量裂紋(圖9)。

圖9 帶裂紋的鍛件

對(duì)鍛件進(jìn)行理化檢測(cè)，室溫拉伸、伸長(zhǎng)率、硬度、高溫拉伸等性能指標(biāo)均合格(表6)。

表6 鍛件力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

3 改進(jìn)后鍛造工藝

針對(duì)改進(jìn)前套圈鍛造工藝出現(xiàn)的鍛件表面存在麻紋和端面內(nèi)徑倒角處產(chǎn)生大量裂紋問題，分析產(chǎn)生的原因?yàn)椋?)棒料為拉拔成形，表面狀態(tài)差，可能存在微小裂紋；2)加熱后鐓粗和沖孔一次完成，鍛件坯料一次變形量過大，存在較大應(yīng)力；3)鍛件冷卻過快，組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力過大，導(dǎo)致裂紋。

改進(jìn)后的工藝路線為：棒料表面車加工→下料→加熱→鐓粗→加熱→沖孔→加熱→預(yù)軋→加熱→終軋→紅裝退火。與改進(jìn)前工藝路線相比，增加了棒料表面車光、沖孔前加熱工序，并調(diào)整了退火工序，由原來的隨爐緩冷后退火調(diào)整為紅裝退火(狀態(tài)是紅色)等。改進(jìn)前后工藝對(duì)比見表7。

表7 鍛件工藝對(duì)比

4 改進(jìn)效果

采用改進(jìn)后的工藝進(jìn)行套圈鍛件加工，加工外徑φ700 mm的軸承內(nèi)圈20件、外圈10件，加工外徑φ650 mm的軸承內(nèi)圈10件、外圈5件，共計(jì)45件。2種型號(hào)軸承的內(nèi)、外套圈鍛件外觀檢查全部合格，未出現(xiàn)坯料開裂問題；理化檢測(cè)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均合格。