气体成分对G13Cr4Mo4Ni4V钢渗氮层性能的影响

刘金玲，曹娜娜，孙东，毕明龙

(中国航发哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150025)

随着发动机性能和推重比的提高，航空轴承服役环境更加苛刻，高速、重载、高温工况对轴承的承载能力、疲劳寿命、抗污染物划伤、抗断油能力等提出了更高要求。为满足轴承长寿命，高性能的要求，针对G13Cr4Mo4Ni4V高温渗碳轴承钢采用双重硬化技术，即在常规硬化基础上进行渗氮处理。经过渗氮处理后其表面硬度可达960 HV0.3以上，表面压应力水平可达500 MPa，最大压应力达800 MPa以上，将有效提高轴承的疲劳寿命。

离子氮化具有渗氮周期短，渗层脆性小，渗氮层深度和组织可以控制，净化表面等优点[1]，主要工艺参数包括渗氮温度、保温时间、渗氮电压、电流、占空比及气体成分等。离子氮化技术是目前应用前景最广的渗氮方式，但由于离子氮化工艺参数较多，工艺较为复杂，国内常用渗氮方式多选用氨气作为工艺气体。G13Cr4Mo4Ni4V钢经渗碳处理后表层碳浓度较高，采用氨气作为工艺气体容易导致零件脆性大，脉状组织严重。因此，现选取氮气和氢气的混合气体作为工艺气体，并降低渗氮气氛中氮气比例进行试验，讨论气体成分对渗氮层组织、硬度、渗氮层深度及压应力水平的影响规律。

1 试验

1.1 试样

选取外径210 mm、内径178 mm、宽39 mm的G13Cr4Mo4Ni4V钢制角接触球轴承外圈进行试验，材料的化学成分见表1。首先，将外圈进行渗碳热处理，工艺为：890 ℃渗碳+1 100 ℃二次淬火+545 ℃×2 h×3次回火，使其渗碳热处理质量满足企业内控标准要求(渗碳后成品外圈表面含碳量控制在0.80%～1.10%；表面硬度为698～795 HV0.3，心部硬度为375～449 HV0.3；渗碳层深度不小于1.3 mm，距表面0.75 mm处硬度不低于653 HV0.3)。然后，将3件渗碳淬火合格的外圈均分为6份，用汽油进行清洗后用于渗氮处理。

表1 G13Cr4Mo4Ni4V钢化学成分

1.2 试验方法

在不同氮氢比值下进行渗氮处理，气氛压力为(350±10) Pa，电压为650 V，占空比为10%，试验方案见表2，每炉摆放3件试样进行试验。

表2 渗氮气体试验方案

试验后采用硬度法和金相法对渗氮层深度进行评定。采用Axiovert 200MAT金相显微镜对试样的金相组织进行观察。采用TUKON250维氏硬度计测量从试样表面至比基体维氏硬度值高50 HV0.3处的垂直距离，即渗氮层深度，试验力为2.94 N。每个垂直距离处平行测3个点的渗氮层硬度。采用电解抛光和X射线衍射法对试样的应力梯度进行检测。

2 结果与分析

2.1 氮氢比值对渗氮层深度和硬度的影响

不同氮氢比值下试样的渗氮层深度如图1所示,由图可知，随着氮氢比值的增加，渗氮层深度增大。

图1 不同氮氢比值下试样的渗氮层深度

根据HB 5023—1994《航空钢制件渗氮、氮碳共渗渗层深度测定方法》规定，用不同方法测定渗氮层深度的结果有争议时，以硬度法作为仲裁方法。因此，从渗氮层表面0.05 mm处每隔0.05 mm进行硬度检测，至0.70 mm处渗氮层硬度梯度曲线如图2所示。由图可知，渗氮处理后，距表面0.05 mm处硬度由未渗氮基体727 HV0.3升高至960 HV0.3以上，硬度大幅提高。

图2 不同氮氢比值下试样渗氮层硬度分布

在渗氮电压、渗氮温度、保温时间等工艺参数一定的情况下，随着氮氢比值中氮比例的降低，扩散达到平衡状态后渗氮层表层的氮含量降低，硬度梯度向左移动，表层硬度及渗氮层深度减小。方案3与方案1相比，渗氮层氮含量较低，其硬度降低约55 HV0.3。

2.2 氮氢比值对渗氮层组织的影响

渗氮层中脉状组织为脆性相，易引起渗氮层剥落，且脉状组织形成会阻碍氮的扩散，使表面积累大量氮，影响其分布的同时降低了渗氮层深度，增加了渗氮层表层下的拉应力水平，使渗氮层与基体结合度降低[2]。因此，轴承渗氮后要求渗氮层中无脉状组织。不同氮氢比值下试样的渗氮层组织如图3所示，其中，渗氮层脉状组织级别评定参考GB/T 11354—2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织的检验》。由图可知，随着气氛中氮气流量比例的降低，渗氮层中脉状组织级别逐渐降低。脉状组织主要出现在化合物层中，检验发现，脉状组织处铁与氮原子分数比为2.32，整体化合物层中铁与氮原子分数比为7.40。因此，气氛中氮离子浓度降低，化合物层中氮含量也随之降低，说明降低氮氢比值可以有效改善化合物层中的脉状组织。

图3 不同氮氢比值下试样的渗氮层组织

2.3 氮氢比值对渗氮层应力的影响

复合化学热处理加工后，材料表面的渗氮层与渗碳层之间可形成良好的应力梯度，能抵抗较大的接触应力，抑制次表层的塑性变形，可大幅度提高轴承耐磨性、抗疲劳性能和抗胶合性能[3]。不同氮氢比值下试样渗氮层的残余应力如图4所示,由图可知，常规渗碳淬火处理后外圈最大压应力只有200 MPa，离子渗氮后外圈最大压应力达到800 MPa以上，经过离子氮化后应力梯度可得到很大改善。这是由于在离子氮化过程中离子轰击作用的影响，渗氮过程中氮元素与合金元素形成的氮化物以及碳氮化合物溶于α-Fe中会引起内部结构变化，使残余应力增加，对材料起到强化作用[4]。此外，随着氮氢比值的降低，压应力水平向左移动，压应力深度与渗氮层深度相近。研究表明，经过复合化学热处理后，材料显微硬度曲线求导后的最小值与残余应力的最大值对应深度方向上的位置一致[5]。因此，可以根据工况调整渗氮层硬度，进而使最大残余压应力深度达到Hertz应力最大深度位置，从而提升轴承的疲劳寿命。

图4 不同氮氢比值下试样渗氮层残余应力

3 结论

1)随着氮氢比值的增大，渗碳淬火后G13Cr4Mo4Ni4V钢轴承外圈的渗氮层表面硬度升高，渗氮层深度增加。

2)氮氢比值是影响G13Cr4Mo4Ni4V钢渗氮层脉状组织的重要因素之一，降低氮氢比值可有效改善渗氮层脉状组织。

3)离子氮化后G13Cr4Mo4Ni4V钢残余压应力得到很大改善，通过调整氮氢比值可以调整最大压应力位置，进而提高轴承疲劳寿命。

4)在488 ℃下保温20 h进行渗氮时，氮氢比值降低至60∶2 400 mL/min可以保证 G13Cr4Mo4Ni4V钢渗氮层中没有脉状组织。