G13Cr4Mo4Ni4V钢渗碳时粗大及网状碳化物的成因与消除

2015-07-26李付伟龚建勋王明杰宋华华姜艳红

轴承 2015年12期

李付伟，龚建勋，王明杰，宋华华，姜艳红

(洛阳LYC轴承有限公司，河南洛阳 471039)

G13Cr4Mo4Ni4V是新型高温渗碳轴承钢，具有较高的强度及耐高温性能[1]，已广泛应用于航空发动机。轴承套圈加工流程为：锻造→退火→车加工→渗碳→一次淬火→高温回火→二次淬火→回火，其中，渗碳过程直接影响轴承工作表面的热处理质量。在渗碳过程中,一方面要使碳尽量均匀地扩散到零件表面，避免形成网状碳化物，另一方面对已形成的网状碳化物进行消除。其目的是防止淬火时滚道表面因存在网状碳化物而开裂，影响轴承的耐磨性等使用性能。因此，有必要消除渗碳时形成的粗大碳化物，减少渗碳过程中网状碳化物形成几率。下文制订了研究方案，开展了相关的热处理工艺试验。

1 网状碳化物形成原因

采用直读光谱法测定G13Cr4Mo4Ni4V钢的化学成分(质量分数)见表1，元素含量符合YB 4106—2002《航空发动机用高温渗碳轴承钢》的要求。从表中可以看出，该钢中有较多的合金元素钒、钼和铬，其会促进碳化物的形成，降低碳原子的扩散系数，所以在渗碳过程中可能进一步加剧碳原子在钢表层的积聚[2]。因此，其在渗碳过程中具有较强析出碳化物的倾向，极易形成粗大、网状碳化物，形貌如图1所示，经检测，深度达0.32 mm。

表1 G13Cr4Mo4Ni4V轴承钢化学成分 w，%

图1 粗大、网状碳化物

2 渗碳过程中消除方法

常见的高温渗碳钢多用于中小型轴承套圈，要求外径≤300 mm，渗碳层≤2.0 mm，粗大碳化物深度≤0.15 mm。渗碳时碳势一般控制在0.6%～0.7%，碳势过高时，对于渗碳层要求较深(≥1.5 mm)的零件，渗碳中后期极易形成粗大、网状碳化物，常通过降低碳势的方法消除，可在强渗后将碳势降低0.1%，即碳势为0.5%进行扩散工艺试验，每隔1 h取样1次，检测结果见表2。当扩散4 h后，网状碳化物已基本消除，残留少量粗大碳化物(图2)，可在后续的磨削加工过程中去除，对成品套圈没有影响。降低碳势会降低表层碳含量，可能使成品套圈硬度达不到要求，故采用该方法进行扩散时，时间不宜过长，一般以3～4 h为宜，根据取样结果及时调整碳势，以保证获得较高的渗碳层硬度。经检测，扩散前后套圈表层总碳含量不低于0.80%，淬回火(工艺为：1 070 ℃保温50 min，油冷淬火，在空气炉中进行540 ℃回火)后硬度不低于60 HRC，能够满足产品要求。

表2 碳势调整前后检测结果

图2 降碳势扩散后的组织形貌

根据扩散第二定律D=D0e-Q/KT(D0为间隙扩散常数;Q为原子扩散激活能；K为比例系数)，扩散系数D与温度T成指数关系,晶界的粗大碳化物向晶内、表层深处和表面外进行强烈扩散，使碳分布趋于均匀，从而消除网状碳化物[3]。高温渗碳钢渗碳时温度为945 ℃，当过程试样出现粗大碳化物时，将炉温提高5 ℃，保持碳势不变进行扩散试验，试验结果见表3，升温扩散后的碳化物形貌如图3所示。由此可知，扩散3～4 h即可消除网状碳化物，将该方法应用于生产实际加工，效果明显。

表3 提高温度扩散后粗大碳化物深度

图3 升温扩散后碳化物

3 二次淬火过程消除方法

常规工艺下的高温渗碳轴承钢套圈组织形貌如图4所示，渗碳层二次淬、回火组织应为均匀分布的碳化物+隐晶马氏体+少量残余奥氏体。对于出现粗大碳化物的套圈，通过调整加热温度或保温时间进行试验，结果见表4，粗大和网状碳化物标准按照《航空发动机主轴轴承用SG13Cr4Mo4Ni4V高温渗碳钢热处理技术条件(草案)》的要求进行评定。由表可知，当温度提高5 ℃或保温时间延长长5 min即可消除粗大碳化物，经工艺1处理后的碳化物组织形貌如图5所示，由图可知，粗大碳化物已消除。

图4 常规工艺下的渗碳组织形貌

表4 二次淬火过程工艺试验结果

图5 经工艺1处理后的组织形貌

对于形成网状碳化物的套圈，通过提高温度及延长保温时间的工艺方法进行多次试验，均不能消除(图6)。只能通过补渗扩散的方法进行消除，生产中可采用前文所述方法，但补渗扩散出炉后，套圈需要经过二次渗碳高温淬火，淬火过程中在组织应力和热应力共同作用下，套圈的变形量增大，外径也会缩小，甚至超出尺寸要求，因此，渗碳时应尽量避免网状碳化物产生。