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8Cr4Mo4V高温轴承钢热处理及表面改性技术的研究进展(二)

8Cr4Mo4V钢是我国应用较为广泛的一种高温轴承钢,主要用于航空发动机主轴轴承的制造。随着发动机主轴轴承的服役工况愈发恶劣,对材料性能的要求也越来越高,国内外学者开展了大量8Cr4Mo4V钢性能提升的研究工作。作者介绍了8Cr4Mo4V钢化学成分优化的研究进展;重点分析了8Cr4Mo4V钢热处理技术发展,包括传统淬回火、贝氏体等温淬火及尺寸稳定化等热处理工艺;介绍了8Cr4Mo4V钢表面强化技术的研究进展及相关成果,涉及表面合金化、涂层沉积、喷丸强化及复合强化技术;最后,结合8Cr4Mo4V钢服役需求及相关技术研究现状对其后续研究方向进行了展望。


3、8Cr4Mo4V钢表面改性技术

航空发动机轴承的失效一般都发生于材料表面,如摩擦磨损、腐蚀、表面疲劳等,提高材料表面性能对延长轴承寿命具有重要意义。鉴于此,国内外学者针对8Cr4Mo4V钢表面改性技术开展了大量研究,主要包括表面合金化、涂层以及机械强化等


3.1 表面合金化技术

3.1.1 离子渗氮技术

离子渗氮技术可以通过改变材料表面化学成分及组织结构达到提高材料性能的目的。早在20世纪90年代,国外已经开展了8Cr4Mo4V钢表面渗氮技术研究,结果表明可大幅度提高零件的寿命和可靠性。


文献[27]进行了8Cr4Mo4V钢离子渗氮研究工作,利用阳极层离子源辅助渗氮技术在不同温度下进行8Cr4Mo4V钢氮化处理,材料表面硬度梯度及渗氮层深度如图7a和图7b所示。由图7可知:随着渗氮温度的升高,渗氮试样的表面硬度略微增加,最高表面硬度达1 100 HV0.1;渗氮温度的升高使氮原子扩散系数增加,导致530 ℃的渗层深度比430 ℃的增加了近一倍。但8Cr4Mo4V钢氮化层深度较浅不能满足8Cr4Mo4V钢性能提升需求;进行工艺改进后,8Cr4Mo4V钢氮化层深度达120 μum,这将大大提升8Cr4Mo4V钢抗疲劳性能。

图7 8Cr4Mo4V钢离子渗氮后氮化层深度及硬度

Fig.7 Depth and hardness of nitriding layer of 8Cr4Mo4V steel after ion nitriding


除真空离子氮化技术外,文献[28]开展了8Cr4Mo4V钢盐浴氮化技术研究。氮化后其微观组织形貌及硬度梯度如图8所示,尽管8Cr4Mo4V钢表面硬度得到了大幅度提升,但该氮化方式使其表面存在脆性的“白亮层”及脉状组织,对材料性能可能产生不利影响。


图8 8Cr4Mo4V钢盐浴氮化后组织及性能

Fig.8 Microstructure and properties of 8Cr4Mo4V steel after salt bath nitriding

由图7和图8可知:8Cr4Mo4V钢真空离子氮化比盐浴氮化的优势更显著。


3.1.2 电子束合金化技术

强流脉冲电子束表面合金化技术通常包括2个过程:首先在材料表面进行镀膜处理,然后利用高能电子束轰击材料表面,从而改变材料表面熔化层,产生成分和组织结构变化,提高材料表面的力学性能和耐蚀性[29]。文献[30-33]利用电子束合金化技术分别在8Cr4Mo4V钢表面制备了Cr和Ta合金化层。经表面合金化和后续回火处理后,合金化层微观组织及表面硬度如图9所示:8Cr4Mo4V钢表面析出大量尺寸仅有几个纳米的颗粒,由于纳米颗粒析出强化效应,回火后Ta和Cr合金化层的最大硬度分别达到17.3,18.2 GPa,相较于基体的11 GPa,提高幅度达57%和65%。


有研究结果表明,强流脉冲电子束表面合金化技术能有效提高8Cr4Mo4V钢表面摩擦磨损及耐蚀性

图9 Cr及Ta合金化层组织及硬度

Fig.9 Structure and hardness of Cr and Ta alloy layer

3.1.3  离子注入技术

离子注入技术是将具有一定能量的离子元素注入金属材料表面,从而达到提高材料的力学、物理或化学性能的目的。早在1989年,欧洲国家已经发现离子注入技术改性后轴承钢的可靠性及疲劳寿命得到了大幅度提高。因此,近些年我国也开展了大量针对8Cr4Mo4V钢不同元素离子注入技术的研究。


1)N元素离子注入技术

文献[35]采用N元素等离子体离子注入技术对8Cr4Mo4V钢进行表面改性,获得了厚度达22 μm的改性层,并深入研究离子注入参数对其组织、性能的影响规律及机制,结果如图10所示,注入层的纳米硬度相较于8Cr4Mo4V钢基体可提高45%,可显著提高材料的耐磨性能;且离子注入过程可在8Cr4Mo4V钢表面引入一定的残余压应力。

图10 N元素离子注入层物相组织及硬度

Fig.10 Phase structure and hardness of N ion implantation layer

2)金属元素离子注入技术

8Cr4Mo4V钢具有优异的高温硬度、耐磨性等特点,然而其耐蚀性较差。20世纪90年代初,文献[36-37]已经利用离子注入Cr技术来提高耐蚀性。文献[38]研究发现,通过在8Cr4Mo4V钢表面注入Ta可显著提高耐点蚀性能。文献[39]研究结果表明,Ti,Zr的注入可显著提高8Cr4Mo4V钢的硬度及抗摩擦磨损性能。


对8Cr4Mo4V钢进行离子注入研究发现,工件形状对离子注入后性能有显著的影响,这使工艺过程变得较为复杂。


3.2 沉积Cr涂层技术

为提高8Cr4Mo4V钢的耐蚀性,文献[40-41]开展了电火花沉积Cr涂层研究,结果如图11所示。该技术可克服常规电镀Cr涂层结合力差的问题。由图11b可知,电火花工艺处理后8Cr4Mo4V钢的耐蚀性得到一定程度的提高,但目前工艺下涂层组织及性能依然存在一些问题,如表面微裂纹(图11a)及硬度低(550 HV)。因此,目前该技术距工程化应用还有一定距离。

图11 8Cr4Mo4V钢表面电火花沉积Cr涂层表面形貌及其耐蚀性

Fig.11 Surface morphology and corrosio  resistance of Cr coat-ing deposited by electric spark on 8Cr4Mo4V steel

鉴于纯Cr涂层硬度较低,为满足8Cr4Mo4V钢服役需求,文献[42]利用微弧氧化技术在8Cr4Mo4V钢表面沉积了不同厚度的CrN涂层,其硬度如图12所示,CrN涂层硬度最高达20 GPa以上,相较于文献[12]中8Cr4Mo4V钢基体硬度(11 GPa),提高了80%以上,这将显著提高材料耐磨性。另有研究显示,CrN涂层可显著提高材料耐蚀性不过8Cr4Mo4V钢该涂层的耐蚀性目前缺乏相关的试验数据。


鉴于纯Cr涂层硬度较低,为满足8Cr4Mo4V钢服役需求,文献[42]利用微弧氧化技术在8Cr4Mo4V钢表面沉积了不同厚度的CrN涂层,其硬度如图12所示,CrN涂层硬度最高达20 GPa以上,相较于文献[12]中8Cr4Mo4V钢基体硬度(11 GPa),提高了80%以上,这将显著提高材料耐磨性。另有研究显示,CrN涂层可显著提高材料耐蚀性不过8Cr4Mo4V钢该涂层的耐蚀性目前缺乏相关的试验数据。

图12 不同厚度CrN涂层的硬度

Fig.12 Hardness of CrN coating with different thickness


3.3 喷丸强化技术

喷丸强化是一种应用较为普遍的低成本表面处理技术,可使材料表面发生不均匀塑性变形,产生压应力,形成应变强化层和残余压应力层。文献[35]开展了8Cr4Mo4V钢表面喷丸强化技术研究,并深入探讨了相关机制。喷丸强化层距表面50 μm处和基体的TEM衍射衬度像分别如图13a和图13b所示,可以看出喷丸导致表层马氏体发生强烈塑性变形,导致强化层的板条马氏体边界较为模糊,而基体板条界面清晰。喷丸强化层距表面不同深度处的{111}晶面上位错密度统计结果如图13c所示,喷丸强化层位错密度较基体高约1倍,并且随深度增加逐渐下降。

图13 喷丸强化对8Cr4Mo4V钢组织及位错密度的影响

Fig.13 Efect of shot peening on  microstructure and disloca-tion density of  8Cr4Mo4V steel

经不同喷丸强度处理后8Cr4Mo4V钢表面残余应力如图14a所示,残余压应力对喷丸强度不敏感。钢丸直径对材料残余应力的影响如图14b所示,增加钢丸直径可在8Cr4Mo4V钢表面引入更高的残余压应力。8Cr4Mo4V钢在不同喷丸强度下的表面显微硬度如图14c所示,与未处理试样相比,喷丸后材料显微硬度呈增加趋势,最大增幅为11.1%。


图14  喷丸对8Cr4Mo4V钢残余应力及硬度的影响

Fig.14 Effect of shot peening on residual stress and hardness of 8Cr4Mo4V steel

3.4 复合强化技术

尽管大量研究表明离子注入技术可显著提高材料的表面性能,然而依然存在注入层较浅的问题。以N元素注入为例,哈尔滨工业大学通过提高注入剂量、温度等技术攻关将离子注入层厚度由1 μm以下仅提升至22 μm。为进一步提高离子注入强化层,中国航发哈尔滨轴承有限公司与哈尔滨工业大学联合开展了喷丸强化与N元素升温注入复合技术研究。


复合处理后8Cr4Mo4V钢表面N元素分布和应力梯度结果如图15所示,单一离子注入处理后8Cr4Mo4V钢改性层深度仅约5 μm,而复合处理后8Cr4Mo4V钢表面氮浓度远高于仅离子注入试样,且在30 μm处N原子数分数仍超过10%;尽管单一离子注入处理对应力几乎无影响,但其与喷丸处理耦合时却可以大幅增加压应力的幅值和深度。文献[47]认为这是由于喷丸产生的缺陷为N原子向试样内部快速扩散提供了通道,而N原子以过饱和固溶体存在于晶格和缺陷中,使点阵膨胀形成附加压应力,提高了喷丸强化效果。

图15 复合改性技术对N原子数分数和残余应力的影响

Fig.15 Effect of composite modification technology on nitro-gen concentration and residual stress


4、展望

尽管8Cr4Mo4V钢在航空航天领域的使用已达近半世纪,然而对其性能的挖掘从未停止。国产8Cr4Mo4V钢在前期使用过程中依然存在稳定性及可靠性较差的问题。国内轴承企业与高校联合开展的表面改性技术研究可大幅度提高材料的表面性能,并且很多技术已经推广应用。但国产与进口8Cr4Mo4V钢在可靠性及寿命上依然存在一定差距,国产8Cr4Mo4V钢性能提升工作的研究重点有以下几个方面:


1)一次碳化物的控制。现有研究结果表明一次碳化物是材料的主要疲劳裂纹源,应作为冶炼过程中的控制重点,进一步优化轴承锻造过程对一次碳化物分布也可起到改善作用。


2)热处理过程应继续深入开展马/贝复合组织对其组织及性能的影响研究,并推进其工程化应用进程;磁场热处理已被证实可提高W6Mo5Cr4V2工具钢强韧性,并显著缩短回火时间,因此,可将其推广至8Cr4Mo4V钢的热处理。


3)表面强化8Cr4Mo4V钢“渗及注”改性过程相较于低碳、低合金钢更困难,效率较低,应深入开展复合强化技术,以提高改性效率;目前表面改性相关研究多集中于硬度及应力的提升,随着8Cr4Mo4V钢在舰用燃气轮机轴承上的推广应用,耐蚀性的提高应作为未来研究的重点之一。

(参考文献略)

来源:《轴承》2021年8期

作者:周丽娜,杨晓峰,刘明,童锐,王文雪

第一作者单位:中国航发哈尔滨轴承有限公司

引文格式:周丽娜,杨晓峰,刘明,等.8Cr4Mo4V高温轴承钢热处理及表面改性技术的研究进展[J].轴承,2021(8):1-10.



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