氣體成分對G13Cr4Mo4Ni4V鋼滲氮層性能的影響

劉金玲，曹娜娜，孫東，畢明龍

(中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

隨著發動機性能和推重比的提高，航空軸承服役環境更加苛刻，高速、重載、高溫工況對軸承的承載能力、疲勞壽命、抗污染物劃傷、抗斷油能力等提出了更高要求。為滿足軸承長壽命，高性能的要求，針對G13Cr4Mo4Ni4V高溫滲碳軸承鋼采用雙重硬化技術，即在常規硬化基礎上進行滲氮處理。經過滲氮處理后其表面硬度可達960 HV0.3以上，表面壓應力水平可達500 MPa，最大壓應力達800 MPa以上，將有效提高軸承的疲勞壽命。

離子氮化具有滲氮周期短，滲層脆性小，滲氮層深度和組織可以控制，凈化表面等優點[1]，主要工藝參數包括滲氮溫度、保溫時間、滲氮電壓、電流、占空比及氣體成分等。離子氮化技術是目前應用前景最廣的滲氮方式，但由于離子氮化工藝參數較多，工藝較為復雜，國內常用滲氮方式多選用氨氣作為工藝氣體。G13Cr4Mo4Ni4V鋼經滲碳處理后表層碳濃度較高，采用氨氣作為工藝氣體容易導致零件脆性大，脈狀組織嚴重。因此，現選取氮氣和氫氣的混合氣體作為工藝氣體，并降低滲氮氣氛中氮氣比例進行試驗，討論氣體成分對滲氮層組織、硬度、滲氮層深度及壓應力水平的影響規律。

1 試驗

1.1 試樣

選取外徑210 mm、內徑178 mm、寬39 mm的G13Cr4Mo4Ni4V鋼制角接觸球軸承外圈進行試驗，材料的化學成分見表1。首先，將外圈進行滲碳熱處理，工藝為：890 ℃滲碳+1 100 ℃二次淬火+545 ℃×2 h×3次回火，使其滲碳熱處理質量滿足企業內控標準要求(滲碳后成品外圈表面含碳量控制在0.80%～1.10%；表面硬度為698～795 HV0.3，心部硬度為375～449 HV0.3；滲碳層深度不小于1.3 mm，距表面0.75 mm處硬度不低于653 HV0.3)。然后，將3件滲碳淬火合格的外圈均分為6份，用汽油進行清洗后用于滲氮處理。

表1 G13Cr4Mo4Ni4V鋼化學成分

1.2 試驗方法

在不同氮氫比值下進行滲氮處理，氣氛壓力為(350±10) Pa，電壓為650 V，占空比為10%，試驗方案見表2，每爐擺放3件試樣進行試驗。

表2 滲氮氣體試驗方案

試驗后采用硬度法和金相法對滲氮層深度進行評定。采用Axiovert 200MAT金相顯微鏡對試樣的金相組織進行觀察。采用TUKON250維氏硬度計測量從試樣表面至比基體維氏硬度值高50 HV0.3處的垂直距離，即滲氮層深度，試驗力為2.94 N。每個垂直距離處平行測3個點的滲氮層硬度。采用電解拋光和X射線衍射法對試樣的應力梯度進行檢測。

2 結果與分析

2.1 氮氫比值對滲氮層深度和硬度的影響

不同氮氫比值下試樣的滲氮層深度如圖1所示,由圖可知，隨著氮氫比值的增加，滲氮層深度增大。

圖1 不同氮氫比值下試樣的滲氮層深度

根據HB 5023—1994《航空鋼制件滲氮、氮碳共滲滲層深度測定方法》規定，用不同方法測定滲氮層深度的結果有爭議時，以硬度法作為仲裁方法。因此，從滲氮層表面0.05 mm處每隔0.05 mm進行硬度檢測，至0.70 mm處滲氮層硬度梯度曲線如圖2所示。由圖可知，滲氮處理后，距表面0.05 mm處硬度由未滲氮基體727 HV0.3升高至960 HV0.3以上，硬度大幅提高。

圖2 不同氮氫比值下試樣滲氮層硬度分布

在滲氮電壓、滲氮溫度、保溫時間等工藝參數一定的情況下，隨著氮氫比值中氮比例的降低，擴散達到平衡狀態后滲氮層表層的氮含量降低，硬度梯度向左移動，表層硬度及滲氮層深度減小。方案3與方案1相比，滲氮層氮含量較低，其硬度降低約55 HV0.3。

2.2 氮氫比值對滲氮層組織的影響

滲氮層中脈狀組織為脆性相，易引起滲氮層剝落，且脈狀組織形成會阻礙氮的擴散，使表面積累大量氮，影響其分布的同時降低了滲氮層深度，增加了滲氮層表層下的拉應力水平，使滲氮層與基體結合度降低[2]。因此，軸承滲氮后要求滲氮層中無脈狀組織。不同氮氫比值下試樣的滲氮層組織如圖3所示，其中，滲氮層脈狀組織級別評定參考GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織的檢驗》。由圖可知，隨著氣氛中氮氣流量比例的降低，滲氮層中脈狀組織級別逐漸降低。脈狀組織主要出現在化合物層中，檢驗發現，脈狀組織處鐵與氮原子分數比為2.32，整體化合物層中鐵與氮原子分數比為7.40。因此，氣氛中氮離子濃度降低，化合物層中氮含量也隨之降低，說明降低氮氫比值可以有效改善化合物層中的脈狀組織。

圖3 不同氮氫比值下試樣的滲氮層組織

2.3 氮氫比值對滲氮層應力的影響

復合化學熱處理加工后，材料表面的滲氮層與滲碳層之間可形成良好的應力梯度，能抵抗較大的接觸應力，抑制次表層的塑性變形，可大幅度提高軸承耐磨性、抗疲勞性能和抗膠合性能[3]。不同氮氫比值下試樣滲氮層的殘余應力如圖4所示,由圖可知，常規滲碳淬火處理后外圈最大壓應力只有200 MPa，離子滲氮后外圈最大壓應力達到800 MPa以上，經過離子氮化后應力梯度可得到很大改善。這是由于在離子氮化過程中離子轟擊作用的影響，滲氮過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α-Fe中會引起內部結構變化，使殘余應力增加，對材料起到強化作用[4]。此外，隨著氮氫比值的降低，壓應力水平向左移動，壓應力深度與滲氮層深度相近。研究表明，經過復合化學熱處理后，材料顯微硬度曲線求導后的最小值與殘余應力的最大值對應深度方向上的位置一致[5]。因此，可以根據工況調整滲氮層硬度，進而使最大殘余壓應力深度達到Hertz應力最大深度位置，從而提升軸承的疲勞壽命。

圖4 不同氮氫比值下試樣滲氮層殘余應力

3 結論

1)隨著氮氫比值的增大，滲碳淬火后G13Cr4Mo4Ni4V鋼軸承外圈的滲氮層表面硬度升高，滲氮層深度增加。

2)氮氫比值是影響G13Cr4Mo4Ni4V鋼滲氮層脈狀組織的重要因素之一，降低氮氫比值可有效改善滲氮層脈狀組織。

3)離子氮化后G13Cr4Mo4Ni4V鋼殘余壓應力得到很大改善，通過調整氮氫比值可以調整最大壓應力位置，進而提高軸承疲勞壽命。

4)在488 ℃下保溫20 h進行滲氮時，氮氫比值降低至60∶2 400 mL/min可以保證 G13Cr4Mo4Ni4V鋼滲氮層中沒有脈狀組織。