高氮軸承鋼40Cr15Mo2VN感應淬火工藝可行性試驗

劉匯河,胡彥偉,楊晨星,李付偉,宋華華

(1.洛陽LYC軸承有限公司,河南 洛陽 471039;2.航空精密軸承國家重點實驗室,河南 洛陽 471039;3.河南省高端軸承產業研究院,河南 洛陽 471039;4.河南省軸承技術創新中心,河南 洛陽 471039;5.洛陽LYC汽車軸承科技有限公司,河南 洛陽 471003)

目前,我國使用最廣泛的不銹軸承鋼為9Cr18和9Cr18Mo,這2種鋼在冶煉和凝固過程中易產生大塊狀的共晶碳化物,從而影響使用性能[1-3]。對此,國內外學者經過大量研究發現,通過降碳增氮可以大大提升高碳鉻不銹軸承鋼的耐蝕性[4-5]。目前,國內外常見的高氮不銹軸承鋼有Cronidur30(德國),XD15NW(法國)和40Cr15Mo2VN(中國),這類高氮不銹鋼具有良好的強度、硬度、抗腐蝕性和抗疲勞性等,是目前腐蝕環境下軸承用鋼的最優選擇[6-10]。

某新型航空軸承使用40Cr15Mo2VN鋼制造,含氮量為0.2%(質量分數),要求滾道工作面硬度高,其他部位擁有強韌性,上述特殊要求擬采用感應淬火方式實現,但40Cr15Mo2VN鋼通常作為全淬型不銹軸承鋼使用,感應淬火工藝研究尚未見報道。感應淬火通常以中碳鋼和中碳合金鋼為主,如國內已具有較為成熟的42CrMo感應淬火工藝。高氮軸承鋼和高碳鉻軸承鋼感應淬火研究較少,文獻[11]通過數值模擬對X30CrMoN15-1鋼進行感應淬火研究,發現數值模擬結果與試驗結果相比誤差在13%以內,具有良好的一致性;文獻[12]重點研究了不同表面淬火溫度對GCr15鋼組織和硬度的影響規律,為GCr15鋼的感應淬火工藝提供借鑒。本文通過調整工藝參數,開展40Cr15Mo2VN鋼感應淬火工藝試驗,研究其感應淬火的可行性及不同加熱時間對40Cr15Mo2VN鋼的表面硬度、淬硬層深度和組織特征的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料選用40Cr15Mo2VN高氮不銹鋼,其化學成分見表1,采用非真空感應爐+電渣重熔雙聯工藝冶煉。

表1 40Cr15Mo2VN軸承鋼的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical composition of 40Cr15Mo2VN bearing steel(mass fraction) %

1.2 試驗方法

將40Cr15Mo2VN棒料加工成Φ50 mm×30 mm的圓棒試樣,試驗工藝為：調質處理→感應淬火→水劑冷卻→冷處理→回火。調質工藝為1 060～1 080 ℃×60 min油淬+650～680 ℃×4.5 h回火,調質硬度為28～35 HRC,組織為均勻分布的回火索氏體,如圖1所示,感應淬火頻率為12.3 kHz(超音頻),功率為57 kW,淬火介質為水劑。

圖1 40Cr15Mo2VN軸承鋼調質態組織

試驗共計5個試樣,加熱時間分別為7,8,9,10,11 s,試樣達到加熱時間后用立式淬火機床進行感應淬火試驗(圖2),至噴淋裝置處水劑冷卻,隨后進行冷處理(-75 ℃×2.5 h)和回火(155～180 ℃×4.5 h)。

圖2 立式感應淬火機床

2 試驗結果與分析

2.1 表面硬度

利用洛氏硬度計檢測感應淬火后試樣外徑面的硬度,結果如圖3所示：加熱7,8 s試樣的表面硬度相差不大,分別為48.5,49.0 HRC,加熱時間超過9 s后,淬火態表面硬度急劇下降,低于40 HRC;冷凍回火后表面硬度顯著提高,主要是部分殘余奧氏體轉變為馬氏體所致,7 s時表面硬度最高,為59.5 HRC,11 s時降至53.5 HRC,表面硬度隨加熱時間的延長而降低,這是由于加熱時間延長,表面出現嚴重過熱所致。

圖3 感應淬火后試樣表面硬度

40Cr15Mo2VN鋼制軸承在全淬透熱處理后要求硬度不小于58 HRC,加熱時間為9 s及以上時的試樣感應淬回火后表面硬度均低于58 HRC,不符合要求。

2.2 淬硬層深度

對感應淬火后試樣從外徑向內線切割制取尺寸約為10 mm×10 mm×30 mm的試樣。40Cr15Mo2VN鋼的有效淬硬層深度指從表面至硬度為550 HV(52.5 HRC)的深度[13-14]。采用顯微硬度計測試試樣回火后截面硬度,從外徑面開始向內測試,加載力為9.8 N。各工藝試樣截面硬度、取樣示意圖如圖4所示,各試樣淬硬層數據見表2。

圖4 回火后試樣淬硬層深度

表2 各試樣淬硬層深度

結果顯示,隨著加熱時間的延長,淬硬層深度逐漸增加,由4.2 mm增加至8.7 mm;加熱7,8 s時,試樣表層不小于58 HRC的層深分別為2.8,3.1 mm,整體淬硬層深度為4.2,4.7 mm;當加熱時間由9 s延長至11 s,隨加熱時間延長,試樣整體淬硬層深度由6.2 mm增加至8.7 mm,但試樣表層硬度均小于58 HRC。由于加熱時間為9～11 s的試樣表層硬度小于58 HRC,且都存在一定的深度,不符合軸承的使用要求。

2.3 淬硬層組織

按照圖5取樣,對試樣截面淬硬層宏觀形貌和表層顯微組織進行觀察,試樣不同區域表面組織特征如圖6所示：加熱時間為7,8 s時,淬硬層表層組織為均勻細小的馬氏體+彌散分布的碳化物+少量殘余奧氏體;加熱9 s時表層出現粗大馬氏體組織,殘余碳化物減小且顆粒變大,表明出現過熱組織;加熱時間增至10 s時,馬氏體粗化加劇,碳化物固溶至基體中,出現過熱組織;加熱時間增至11 s時,表層出現過燒孔洞,表面存在過熱和過燒,過熱和過燒區深度約為5.8 mm,次表層出現過熱組織,這是由于加熱時間延長,試樣表層吸收熱量過多,導致表層過熱引起硬度下降。

(a) 7 s

(a) 正常區(回火馬氏體)

3 結論

對40Cr15Mo2VN鋼開展感應淬火工藝試驗,研究其感應淬火的可行性及不同加熱時間對40Cr15Mo2VN鋼的表面硬度、淬硬層深度和組織特征的影響,結論如下：

1)40Cr15Mo2VN鋼調質處理后進行感應淬火是可行的。

2)加熱7,8 s時,試樣表面硬度不小于58 HRC,淬硬層深度分別為4.2,4.7 mm,表面組織為均勻細小回火馬氏體+彌散分布的細小碳化物+少量殘余奧氏體;加熱9,10 s時表面組織過熱,加熱11 s時表面組織過燒,表面硬度均不大于58 HRC。

3)13.2 kHz頻率感應淬火時,淬硬層最深達4.7 mm,實際生產時可根據淬硬層深度要求調整淬火頻率、加熱時間等工藝參數。