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8Cr4Mo4V高溫軸承鋼熱處理及表面改性技術(shù)的研究進展（二）

8Cr4Mo4V鋼是我國應(yīng)用較為廣泛的一種高溫軸承鋼，主要用于航空發(fā)動機主軸軸承的制造。隨著發(fā)動機主軸軸承的服役工況愈發(fā)惡劣，對材料性能的要求也越來越高，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量8Cr4Mo4V鋼性能提升的研究工作。作者介紹了8Cr4Mo4V鋼化學(xué)成分優(yōu)化的研究進展；重點分析了8Cr4Mo4V鋼熱處理技術(shù)發(fā)展，包括傳統(tǒng)淬回火、貝氏體等溫淬火及尺寸穩(wěn)定化等熱處理工藝；介紹了8Cr4Mo4V鋼表面強化技術(shù)的研究進展及相關(guān)成果，涉及表面合金化、涂層沉積、噴丸強化及復(fù)合強化技術(shù)；最后，結(jié)合8Cr4Mo4V鋼服役需求及相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀對其后續(xù)研究方向進行了展望。


3、8Cr4Mo4V鋼表面改性技術(shù)

航空發(fā)動機軸承的失效一般都發(fā)生于材料表面，如摩擦磨損、腐蝕、表面疲勞等，提高材料表面性能對延長軸承壽命具有重要意義。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者針對8Cr4Mo4V鋼表面改性技術(shù)開展了大量研究，主要包括表面合金化、涂層以及機械強化等。


3.1 表面合金化技術(shù)

3.1.1 離子滲氮技術(shù)

離子滲氮技術(shù)可以通過改變材料表面化學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu)達到提高材料性能的目的。早在20世紀90年代，國外已經(jīng)開展了8Cr4Mo4V鋼表面滲氮技術(shù)研究，結(jié)果表明可大幅度提高零件的壽命和可靠性。


文獻[27]進行了8Cr4Mo4V鋼離子滲氮研究工作，利用陽極層離子源輔助滲氮技術(shù)在不同溫度下進行8Cr4Mo4V鋼氮化處理，材料表面硬度梯度及滲氮層深度如圖7a和圖7b所示。由圖7可知：隨著滲氮溫度的升高，滲氮試樣的表面硬度略微增加，最高表面硬度達1 100 HV0.1；滲氮溫度的升高使氮原子擴散系數(shù)增加，導(dǎo)致530 ℃的滲層深度比430 ℃的增加了近一倍。但8Cr4Mo4V鋼氮化層深度較淺不能滿足8Cr4Mo4V鋼性能提升需求；進行工藝改進后，8Cr4Mo4V鋼氮化層深度達120 μum，這將大大提升8Cr4Mo4V鋼抗疲勞性能。

圖7 8Cr4Mo4V鋼離子滲氮后氮化層深度及硬度

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


除真空離子氮化技術(shù)外，文獻[28]開展了8Cr4Mo4V鋼鹽浴氮化技術(shù)研究。氮化后其微觀組織形貌及硬度梯度如圖8所示，盡管8Cr4Mo4V鋼表面硬度得到了大幅度提升，但該氮化方式使其表面存在脆性的“白亮層”及脈狀組織，對材料性能可能產(chǎn)生不利影響。


圖8 8Cr4Mo4V鋼鹽浴氮化后組織及性能

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

由圖7和圖8可知：8Cr4Mo4V鋼真空離子氮化比鹽浴氮化的優(yōu)勢更顯著。


3.1.2 電子束合金化技術(shù)

強流脈沖電子束表面合金化技術(shù)通常包括2個過程：首先在材料表面進行鍍膜處理，然后利用高能電子束轟擊材料表面，從而改變材料表面熔化層，產(chǎn)生成分和組織結(jié)構(gòu)變化，提高材料表面的力學(xué)性能和耐蝕性[29]。文獻[30-33]利用電子束合金化技術(shù)分別在8Cr4Mo4V鋼表面制備了Cr和Ta合金化層。經(jīng)表面合金化和后續(xù)回火處理后，合金化層微觀組織及表面硬度如圖9所示：8Cr4Mo4V鋼表面析出大量尺寸僅有幾個納米的顆粒，由于納米顆粒析出強化效應(yīng)，回火后Ta和Cr合金化層的最大硬度分別達到17.3，18.2 GPa，相較于基體的11 GPa，提高幅度達57%和65%。


有研究結(jié)果表明，強流脈沖電子束表面合金化技術(shù)能有效提高8Cr4Mo4V鋼表面摩擦磨損及耐蝕性。

圖9 Cr及Ta合金化層組織及硬度

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

3.1.3  離子注入技術(shù)

離子注入技術(shù)是將具有一定能量的離子元素注入金屬材料表面，從而達到提高材料的力學(xué)、物理或化學(xué)性能的目的。早在1989年，歐洲國家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)離子注入技術(shù)改性后軸承鋼的可靠性及疲勞壽命得到了大幅度提高。因此，近些年我國也開展了大量針對8Cr4Mo4V鋼不同元素離子注入技術(shù)的研究。


1）N元素離子注入技術(shù)

文獻[35]采用N元素等離子體離子注入技術(shù)對8Cr4Mo4V鋼進行表面改性，獲得了厚度達22 μm的改性層，并深入研究離子注入?yún)?shù)對其組織、性能的影響規(guī)律及機制，結(jié)果如圖10所示，注入層的納米硬度相較于8Cr4Mo4V鋼基體可提高45%，可顯著提高材料的耐磨性能；且離子注入過程可在8Cr4Mo4V鋼表面引入一定的殘余壓應(yīng)力。

圖10 N元素離子注入層物相組織及硬度

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

2）金屬元素離子注入技術(shù)

8Cr4Mo4V鋼具有優(yōu)異的高溫硬度、耐磨性等特點，然而其耐蝕性較差。20世紀90年代初，文獻[36-37]已經(jīng)利用離子注入Cr技術(shù)來提高耐蝕性。文獻[38]研究發(fā)現(xiàn)，通過在8Cr4Mo4V鋼表面注入Ta可顯著提高耐點蝕性能。文獻[39]研究結(jié)果表明，Ti，Zr的注入可顯著提高8Cr4Mo4V鋼的硬度及抗摩擦磨損性能。


對8Cr4Mo4V鋼進行離子注入研究發(fā)現(xiàn)，工件形狀對離子注入后性能有顯著的影響，這使工藝過程變得較為復(fù)雜。


3.2 沉積Cr涂層技術(shù)

為提高8Cr4Mo4V鋼的耐蝕性，文獻[40-41]開展了電火花沉積Cr涂層研究，結(jié)果如圖11所示。該技術(shù)可克服常規(guī)電鍍Cr涂層結(jié)合力差的問題。由圖11b可知，電火花工藝處理后8Cr4Mo4V鋼的耐蝕性得到一定程度的提高，但目前工藝下涂層組織及性能依然存在一些問題，如表面微裂紋(圖11a)及硬度低(550 HV)。因此，目前該技術(shù)距工程化應(yīng)用還有一定距離。

圖11 8Cr4Mo4V鋼表面電火花沉積Cr涂層表面形貌及其耐蝕性

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

鑒于純Cr涂層硬度較低，為滿足8Cr4Mo4V鋼服役需求，文獻[42]利用微弧氧化技術(shù)在8Cr4Mo4V鋼表面沉積了不同厚度的CrN涂層，其硬度如圖12所示，CrN涂層硬度最高達20 GPa以上，相較于文獻[12]中8Cr4Mo4V鋼基體硬度(11 GPa)，提高了80%以上，這將顯著提高材料耐磨性。另有研究顯示，CrN涂層可顯著提高材料耐蝕性不過8Cr4Mo4V鋼該涂層的耐蝕性目前缺乏相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)。


鑒于純Cr涂層硬度較低，為滿足8Cr4Mo4V鋼服役需求，文獻[42]利用微弧氧化技術(shù)在8Cr4Mo4V鋼表面沉積了不同厚度的CrN涂層，其硬度如圖12所示，CrN涂層硬度最高達20 GPa以上，相較于文獻[12]中8Cr4Mo4V鋼基體硬度(11 GPa)，提高了80%以上，這將顯著提高材料耐磨性。另有研究顯示，CrN涂層可顯著提高材料耐蝕性不過8Cr4Mo4V鋼該涂層的耐蝕性目前缺乏相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)。

圖12 不同厚度CrN涂層的硬度

Fig.12 Hardness of CrN coating with different thickness


3.3 噴丸強化技術(shù)

噴丸強化是一種應(yīng)用較為普遍的低成本表面處理技術(shù)，可使材料表面發(fā)生不均勻塑性變形，產(chǎn)生壓應(yīng)力，形成應(yīng)變強化層和殘余壓應(yīng)力層。文獻[35]開展了8Cr4Mo4V鋼表面噴丸強化技術(shù)研究，并深入探討了相關(guān)機制。噴丸強化層距表面50 μm處和基體的TEM衍射襯度像分別如圖13a和圖13b所示，可以看出噴丸導(dǎo)致表層馬氏體發(fā)生強烈塑性變形，導(dǎo)致強化層的板條馬氏體邊界較為模糊，而基體板條界面清晰。噴丸強化層距表面不同深度處的{111}晶面上位錯密度統(tǒng)計結(jié)果如圖13c所示，噴丸強化層位錯密度較基體高約1倍，并且隨深度增加逐漸下降。

圖13 噴丸強化對8Cr4Mo4V鋼組織及位錯密度的影響

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

經(jīng)不同噴丸強度處理后8Cr4Mo4V鋼表面殘余應(yīng)力如圖14a所示，殘余壓應(yīng)力對噴丸強度不敏感。鋼丸直徑對材料殘余應(yīng)力的影響如圖14b所示，增加鋼丸直徑可在8Cr4Mo4V鋼表面引入更高的殘余壓應(yīng)力。8Cr4Mo4V鋼在不同噴丸強度下的表面顯微硬度如圖14c所示，與未處理試樣相比，噴丸后材料顯微硬度呈增加趨勢，最大增幅為11.1%。


圖14  噴丸對8Cr4Mo4V鋼殘余應(yīng)力及硬度的影響

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

3.4 復(fù)合強化技術(shù)

盡管大量研究表明離子注入技術(shù)可顯著提高材料的表面性能，然而依然存在注入層較淺的問題。以N元素注入為例，哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過提高注入劑量、溫度等技術(shù)攻關(guān)將離子注入層厚度由1 μm以下僅提升至22 μm。為進一步提高離子注入強化層，中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開展了噴丸強化與N元素升溫注入復(fù)合技術(shù)研究。


復(fù)合處理后8Cr4Mo4V鋼表面N元素分布和應(yīng)力梯度結(jié)果如圖15所示，單一離子注入處理后8Cr4Mo4V鋼改性層深度僅約5 μm，而復(fù)合處理后8Cr4Mo4V鋼表面氮濃度遠高于僅離子注入試樣，且在30 μm處N原子數(shù)分數(shù)仍超過10%；盡管單一離子注入處理對應(yīng)力幾乎無影響，但其與噴丸處理耦合時卻可以大幅增加壓應(yīng)力的幅值和深度。文獻[47]認為這是由于噴丸產(chǎn)生的缺陷為N原子向試樣內(nèi)部快速擴散提供了通道，而N原子以過飽和固溶體存在于晶格和缺陷中，使點陣膨脹形成附加壓應(yīng)力，提高了噴丸強化效果。

圖15 復(fù)合改性技術(shù)對N原子數(shù)分數(shù)和殘余應(yīng)力的影響

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


4、展望

盡管8Cr4Mo4V鋼在航空航天領(lǐng)域的使用已達近半世紀，然而對其性能的挖掘從未停止。國產(chǎn)8Cr4Mo4V鋼在前期使用過程中依然存在穩(wěn)定性及可靠性較差的問題。國內(nèi)軸承企業(yè)與高校聯(lián)合開展的表面改性技術(shù)研究可大幅度提高材料的表面性能，并且很多技術(shù)已經(jīng)推廣應(yīng)用。但國產(chǎn)與進口8Cr4Mo4V鋼在可靠性及壽命上依然存在一定差距，國產(chǎn)8Cr4Mo4V鋼性能提升工作的研究重點有以下幾個方面：


1)一次碳化物的控制?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明一次碳化物是材料的主要疲勞裂紋源，應(yīng)作為冶煉過程中的控制重點，進一步優(yōu)化軸承鍛造過程對一次碳化物分布也可起到改善作用。


2)熱處理過程。應(yīng)繼續(xù)深入開展馬/貝復(fù)合組織對其組織及性能的影響研究，并推進其工程化應(yīng)用進程；磁場熱處理已被證實可提高W6Mo5Cr4V2工具鋼強韌性，并顯著縮短回火時間，因此，可將其推廣至8Cr4Mo4V鋼的熱處理。


3)表面強化。8Cr4Mo4V鋼“滲及注”改性過程相較于低碳、低合金鋼更困難，效率較低，應(yīng)深入開展復(fù)合強化技術(shù)，以提高改性效率；目前表面改性相關(guān)研究多集中于硬度及應(yīng)力的提升，隨著8Cr4Mo4V鋼在艦用燃氣輪機軸承上的推廣應(yīng)用，耐蝕性的提高應(yīng)作為未來研究的重點之一。

（參考文獻略）

來源：《軸承》2021年8期

作者：周麗娜，楊曉峰，劉明，童銳，王文雪

第一作者單位：中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司

引文格式：周麗娜，楊曉峰，劉明，等.8Cr4Mo4V高溫軸承鋼熱處理及表面改性技術(shù)的研究進展[J].軸承，2021（8）：1-10.


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