航空軸承鋼的發(fā)展及熱處理技術(shù)（一）

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，軸承鋼的種類和承溫能力逐漸提高。我國(guó)航空航天軸承的熱處理技術(shù)一直處于發(fā)展階段，但與國(guó)外軸承鋼的熱處理技術(shù)相比仍有一定的上升空間?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外航空航天軸承鋼及熱處理技術(shù)的發(fā)展，主要論述了GCr15、8Cr4Mo4V、G13Cr4Mo4Ni4V等軸承鋼的熱處理技術(shù)，介紹了GCrl5軸承鋼的馬氏體等溫淬火、貝氏體等溫淬火、馬氏體+貝氏體混合等溫淬火組織，詳細(xì)介紹了國(guó)外M50軸承鋼的熱處理工藝方法、工藝參數(shù)及獲得的熱處理組織。

航空航天事業(yè)的發(fā)展對(duì)軸承提出了更高的要求，同時(shí)航空軸承制造技術(shù)一直引領(lǐng)著軸承技術(shù)的發(fā)展，航空航天事業(yè)的發(fā)展極大地促進(jìn)了軸承技術(shù)和軸承鋼的發(fā)展?，F(xiàn)階段航空軸承的發(fā)展比較迅速。

美國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)在世界上一直處于領(lǐng)先地位，軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的推重經(jīng)歷著從開始的2~3級(jí)提高到第1代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的7~8級(jí)、第2代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的10~12級(jí)，再到正在研發(fā)的第3代航空發(fā)動(dòng)機(jī)15~20級(jí)的發(fā)展歷程。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵基礎(chǔ)件的主軸軸承，我國(guó)產(chǎn)品的壽命和可靠性與國(guó)外相比仍具有較大的提升空間，這成為制約我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壽命提升的主要因素之一。軸承材料的性能，是決定軸承使用壽命和可靠性的關(guān)鍵因素。目前國(guó)外軸承鋼從20世紀(jì)中期至今已發(fā)展到第3代，包括常溫使用，溫度<150℃的第1代，如軸承鋼AISI52100(國(guó)內(nèi)牌號(hào)GCr15)；中溫使用，溫度<350℃的第2代，如M50(國(guó)內(nèi)牌號(hào)8Cr4Mo4V)和M50NiL(國(guó)內(nèi)牌號(hào)G13Cr4Mo4Ni4V，主要用于軸承鋼套圈)。

近10年來，美國(guó)研發(fā)了第3代航空發(fā)動(dòng)機(jī)用軸承齒輪鋼，其代表性鋼種為耐500℃高溫的高強(qiáng)耐蝕軸承鋼CSS- 42L (國(guó)內(nèi)牌號(hào)BG801)和耐350℃高氮不銹軸承鋼X30 ( Cronidur30 )。

目前國(guó)內(nèi)航空軸承的制造和使用仍然以GCr15、8Cr4Mo4V和G13Cr4Mo4Ni4V為主，國(guó)內(nèi)軸承鋼的分類和應(yīng)用情況如表1所示。軸承鋼的使用溫度及力學(xué)性能水平?jīng)Q定了軸承鋼的發(fā)展歷程。在使用溫度不高的情況下，主要以GCr15為主，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提升，對(duì)軸承的強(qiáng)度和承溫能力提出更高的要求。因此，設(shè)計(jì)仿制的8Cr4Mo4V鋼應(yīng)運(yùn)而生，其使用溫度可達(dá)316℃，但是該鋼的沖擊韌性低，為了提高軸承抵抗沖擊的能力，又發(fā)展出了G13Cr4Mo4Ni4V鋼，其使用溫度與8Cr4Mo4V鋼相當(dāng)，為滲碳后使用的軸承套圈用鋼，大幅度提高了軸承套圈的耐沖擊能力，但與之相配合的滾動(dòng)體仍然采用8Cr4Mo4V鋼。隨著軸承制造技術(shù)的改進(jìn)和使用溫度的進(jìn)一步提高，軸承制造結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，甚至要求軸承和齒輪一體制造，這就需要制造材料既能滿足軸承套圈的使用要求，又能滿足齒輪的使用要求，因此既適用于制造軸承，又適用于制造齒輪的鋼種BG801誕生了。

軸承服役失效形式主要有2種，即最常見的接觸疲勞破壞和占次要地位的磨損破壞。由于要承受較高的接觸應(yīng)力(一般高達(dá)2~5GPa)、多次循環(huán)接觸疲勞應(yīng)力以及滑動(dòng)磨損的工作環(huán)境，要求軸承具有高抗塑性變形及抗摩擦磨損能力、高旋轉(zhuǎn)精度及尺寸精度、高尺寸穩(wěn)定性、長(zhǎng)的使用壽命和高的可靠性；對(duì)于在特殊條件下工作的軸承，還必須具有耐沖擊、高dn值(軸承內(nèi)徑與轉(zhuǎn)速的乘積)、耐高溫和低溫、防腐蝕和抗磁等性能。因此，對(duì)軸承鋼的綜合性能要求越來越高，需要其具有一定的淬透性和淬硬性、均勻的硬度分布，以及高的耐磨性能、拉伸或壓縮強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度、塑性和韌度。并具有一定的耐腐蝕性能以及更長(zhǎng)的使用壽命。這就需要軸承鋼具有優(yōu)異的熱處理組織和性能。

1、GCr15軸承鋼的熱處理

GCr15材料常用來制作室溫下工作的航空航天軸承，其化學(xué)成分見表2。

GCr15 軸承鋼具有良好的耐腐蝕性和耐磨性以及較高的抗壓強(qiáng)度，屈服極限為2 000 MPa,熱處理后抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到2250MPa。GCr15軸承鋼常用熱處理方法有4種：第1種為淬火后直接冷卻至室溫，獲得馬氏體組織；第2種為馬氏體等溫淬火，經(jīng)回火后獲得回火馬氏體組織；第3種為貝氏體等溫淬火，獲得貝氏體組織；第4種為馬氏體+貝氏體混合等溫淬火組織，回火后獲得回火馬氏體+貝氏體混合組織。GCr15 鋼等溫?zé)崽幚砉に嚽€見圖1。

對(duì)GCr15軸承鋼進(jìn)行上述3種等溫?zé)崽幚砗蟮慕M織進(jìn)行觀察，如圖2所示。馬氏體等溫淬火后獲得的組織為針狀回火馬氏體+碳化物+殘留奧氏體，如圖2(a)所示；貝氏體等溫淬火后獲得的組織為下貝氏體+碳化物+少量殘留奧氏體，如圖2 (b)所示；馬氏體+貝氏體等溫淬火獲得的組織為回火馬氏體+下貝氏體+碳化物+少量殘留奧氏體，如圖2 (c )所示。

GCr15軸承鋼的貝氏體等溫淬火相較于常規(guī)的淬火+低溫回火，能提高鋼的比例極限、屈服強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度和斷面收縮率，具有更高的沖擊韌性和斷裂韌性，尤其適合耐沖擊和潤(rùn)滑不良的鐵路軸承。獲得3種組織的GCr15鋼的硬度均能滿足軸承使用要求，研究結(jié)果表明下貝氏體的硬度低于馬氏體的硬度，GCr15鋼的硬度隨著馬氏體量的減少和貝氏體量的增加而降低，下貝氏體、下貝氏體+馬氏體復(fù)合組織的強(qiáng)度均高于回火馬氏體。下貝氏體組織、下貝氏體+馬氏體復(fù)合組織的沖擊韌性高于回火馬氏體組織的沖擊韌性。

2、8Cr4Mo4V 軸承鋼熱處理

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比及工作溫度的提高，具有更高承溫能力的8Cr4Mo4V鋼成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承常用鋼種之一，航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)要求軸承鋼在150~350 ℃的高溫下使用，在高溫下能夠保持高強(qiáng)度、高硬度,并且具有良好的韌性和接觸疲勞性。8Cr4Mo4V鋼廣泛用于工作溫度低于316 ℃、dn值低于2.4×10⁶的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承。航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的重載和高溫服役條件要求軸承制造材料具有優(yōu)異的摩擦性能和機(jī)械性能。

與8Cr4Mo4V相對(duì)應(yīng)的國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鋼種為M50鋼，國(guó)外高速軸承鋼的熱處理過程使其具有高硬度、均勻的細(xì)晶粒，在較大溫度范圍內(nèi)保持尺寸穩(wěn)定性。國(guó)外ASM Handbook熱處理分卷中軸承用M50鋼的名義化學(xué)成分如表3所示。

M50鋼經(jīng)奧氏體化后，采用任何冷卻速率，在15min內(nèi)將奧氏體冷卻至205℃或者更低，都能夠產(chǎn)生高硬度。為了降低變形、殘余應(yīng)力和裂紋形成傾向，最佳的冷卻工藝曲線如圖3所示。

為了獲得最佳的軸承性能，熱處理加熱期間可采用2次或3次預(yù)熱處理，然后進(jìn)行淬火，再進(jìn)行深冷處理或回火處理，回火處理要求冷卻至40℃以下。M50軸承鋼可以在真空爐或氣體保護(hù)爐中進(jìn)行加熱奧氏體化處理，大多數(shù)軸承制造熱處理選擇在中性熔融鹽浴或鹽浴槽中進(jìn)行。零件在奧氏體化前應(yīng)該預(yù)熱，以降低高溫奧氏體化階段的保溫時(shí)間。如果采用單級(jí)預(yù)熱，預(yù)熱溫度采用815~870℃，保溫時(shí)間為5~15min。如果采用多級(jí)預(yù)熱，要求的溫度及保溫時(shí)間見表4。