第二代航空軸承材料M50鋼的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

張曉靜

（空軍工程大學航空機務士官學校，信陽 464000）

航空軸承一般在高溫、高壓、鹽霧及沙塵等復雜環(huán)境中工作，一旦在服役過程中產(chǎn)生軸承銹蝕，將產(chǎn)生嚴重的安全隱患。二戰(zhàn)期間，隨著噴氣發(fā)動機在航空飛機上的應用，軸承的使用溫度大幅提升，達到300 ℃，使得第一代軸承鋼的耐溫性已不能滿足使用。例如：第一代軸承鋼GCr15的適用溫度在150 ℃以下。為了提高軸承的耐溫性，借鑒高速工具鋼的特性，研制出了第二代軸承鋼。目前，航空領域廣泛應用的是第二代軸承鋼，如M50、M50 NiL和BG50等。M50鋼是現(xiàn)階段航空發(fā)動機主軸軸承應用最廣泛的材料[1]。隨著戰(zhàn)機速度的不斷提升，軸承材料的綜合性能要求更高。除了需要具備基本的高硬度和高耐磨性之外，還需要在高溫下具有良好的耐磨性和耐沖擊性等。雖然國內(nèi)外已經(jīng)開始第三代和第四代新型軸承材料的研發(fā)與應用，但是如何持續(xù)提高第二代軸承鋼的綜合性能使其滿足使用需求，一直是相關領域的重點研究方向。本文梳理了近期第二代軸承鋼的研究成果，總結(jié)了M50鋼目前的研究方向，以期為提高第二代軸承鋼的使用壽命和力學性能提供參考。

1 技術現(xiàn)狀與差距

國內(nèi)與M50鋼性能相同的航空用軸承材料為8Cr4Mo4V。根據(jù)我國冶金標準，8Cr4Mo4V（M50鋼）的相應成分見表1。需要注意，采用真空感應+真空自耗的雙真空冶煉，含氧量O≤10×10-6。M50鋼的服役溫度為316 ℃，具有較高的硬度和抗疲勞性能。根據(jù)國外生產(chǎn)工藝和國內(nèi)相關研究，目前M50鋼常用的熱處理工藝是淬火+三次回火，其中淬火溫度為1 090 ℃，回火溫度為550 ℃。熱處理后M50鋼的組織主要是回火馬氏體和少量殘余奧氏體，室溫硬度可達60～63 HRC[2]。

表1 8Cr4Mo4V（M50鋼）成分表

目前，我國在M50鋼的制備能力上與國外還存在一定的差距，如氧含量、碳化物顆粒大小和均勻性的控制能力[3]。合金元素主要是以碳化物的形式存在，若碳化物較大，則會出現(xiàn)合金元素富集的化學成分不均勻現(xiàn)象，從而影響M50鋼的沖擊韌性，降低軸承的使用壽命[4]。另外，軸承制造過程中存在的軸承零件組織不穩(wěn)定和殘余應力釋放等造成的形位和精度不穩(wěn)定，也是影響軸承精度和服役壽命的原因[5]。例如：某廠采用M50鋼生產(chǎn)的發(fā)動機主軸軸承，試驗壽命僅為750 h，遠低于M50鋼2 500 h的額定壽命[6]。

2 研究現(xiàn)狀

為提高M50鋼的性能和軸承使用壽命，國內(nèi)從微觀組織調(diào)控、消除殘余應力以及表面強化等方面著手研究。

周麗娜[7]利用淬火-碳分配-回火工藝，在傳統(tǒng)的淬火-回火熱處理過程中增加碳分配環(huán)節(jié)，調(diào)控M50鋼微觀組織，在保證材料硬度及強度的前提下，提高了殘余奧氏體的含量，沖擊吸收功比傳統(tǒng)工藝提高了93%，有效提高了M50鋼的沖擊韌性。軸承生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應力和組織不穩(wěn)定的問題，也同樣影響軸承的使用壽命。王瑞[5]以M50鋼制造的軸承套圈外環(huán)為研究對象，模擬了淬火及回火過程中殘余應力的形成及演化過程，并基于仿真分析結(jié)果給出了軸承套圈的最佳熱處理工藝，即高壓氮氣淬火+550 ℃回火，保溫2 h，重復3次。

REN等[8]發(fā)現(xiàn)，通過將冷變形與熱處理相結(jié)合，可以細化碳化物。近些年，冷變形對M50軸承鋼回火態(tài)微觀組織與力學性能影響的研究增多。賀元庚等[9]研究了冷軋對M50鋼組織及性能的影響，結(jié)果表明20%冷軋變形量下的試樣具有最佳的力學性能。李姚君等[10]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過40%冷變形的試樣硬度由63.3 HRC提升至64.8 HRC，沖擊吸收功提高了23.2%，抗拉強度提高了4.6%。經(jīng)過冷變形后，在回火過程中試樣微觀組織的變化情況如圖1所示，主要體現(xiàn)在增加回火馬氏體固溶強化作用，同時細化了粒狀碳化物。

圖1 不同冷變形量回火態(tài)試樣的電鏡掃描微觀組織

另外，研究表明大塑性變形也可以細化組織，提高材料的強度、韌性和塑性[11-12]。哈爾濱工業(yè)大學金屬精密熱加工國家級重點實驗室以M50鋼為研究對象，針對多向鍛造下碳化物細化機制展開研究。劉瑩[13]針對多向鍛造控制M50鋼微觀組織的方法，研究了鍛造溫度和累計應變量細化M50鋼中碳化物尺寸的作用。研究表明，多向鍛造會使M50鋼中的碳化物發(fā)生明顯的細化，試樣中原始尺寸為25 μm的碳化物經(jīng)多向鍛造后尺寸小于10 μm。吳玉成[14]經(jīng)過相關研究得出，鍛造溫度和累計應變量都會影響一次碳化物的破碎程度和位置分布，其中低溫高應變可增加碳化物破碎驅(qū)動力，粗大的M2C型可由長度為25 μm、寬度為4 μm細化至長度為2～10 μm、寬度為1～2 μm，且分布更均勻。

航空發(fā)動機主軸軸承的承載較大，同時處于高溫工作條件下，因此軸承需要具備良好的高溫耐磨性[15-16]。通過強化軸承表面改變軸承性能的工藝方法，是軸承加工過程中的常用方法。例如：可以通過滲氮處理提高軸承鋼的耐磨性和耐蝕性。單嗣宏[17]研究了M50鋼離子源輔助滲氮層的組織與性能，發(fā)現(xiàn)在滲氮4 h后樣品硬度和耐磨性均顯著提高，且樣品的表面粗糙度變化不大。王馨敏[18]開展了活性屏等離子滲氮技術對M50鋼表面的強化作用研究。YAO J等[19]對M50鋼進行了等離子滲氮和回火處理，與常規(guī)的回火氮化工藝方法相比，氮化層厚度提高了61%，有效降低了材料的摩擦系數(shù)，提高了材料的耐磨性。ELSHEIKH A等[20]將兩種納米自潤滑劑（SnS和ZnO）與M50鋼基體復合，制備了兩種新型復合材料，提高了M50鋼的摩擦學性能。LI Z等[21]提出了一種新型a-C/（WC/a-C）薄膜，在25～350 ℃溫度范圍內(nèi)評價了薄膜與M50對應物的摩擦學行為，可有效提高M50鋼在高溫（≥200 ℃）下的摩擦學性能。

3 研究方法總結(jié)

M50鋼的沖擊韌性和高溫耐磨性是影響軸承服役時間的主要原因，所以研究方向主要集中在改善M50鋼的沖擊韌性和提高軸承的高溫耐磨性。提高M50鋼綜合性能的方法有以下幾點。

第一，通過調(diào)控微觀組織，如通過優(yōu)化熱處理工藝增加殘余奧氏體含量，提高沖擊韌性，利用冷軋和大塑性變形等方法細化碳化物，提高M50鋼的綜合性能。但是，此方向的研究大多采用仿真模擬，結(jié)合試樣研究得出相關結(jié)論，在航空軸承制備工藝中的應用效果并沒有得到相關的驗證。

第二，進行表面強化提高軸承鋼的硬度和耐磨性。該方向的研究主要是通過等離子滲氮以及由新型耐磨材料與M50鋼結(jié)合，提高軸承在高溫環(huán)境下的耐磨性，有效延長M50鋼軸承的服役時間。

4 結(jié)語

未來航空軸承想要滿足航空需求，除了需要硬度更高、壽命更長以及耐高溫性更好外，還要有更復雜的結(jié)構和更苛刻的環(huán)境適應性等要求，使軸承向更新一代耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等方向發(fā)展。另外，在發(fā)展第二代軸承鋼的同時，要加快第三代軸承材料的研發(fā)與應用。