G80Cr4Mo4V鋼角接觸球軸承套圈鍛件輾擴(kuò)工藝改進(jìn)

吳玉成，劉明，付中元，王教翔

(中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

G80Cr4Mo4V鋼具有高強(qiáng)度、高硬度和好的高溫下尺寸穩(wěn)定性以及優(yōu)良的接觸疲勞性能，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承。由于Cr，Mo和V等合金元素的加入，會(huì)與C形成多種碳化物，從而顯著提高G80Cr4Mo4V鋼的強(qiáng)度和硬度。但這些碳化物帶來(lái)良好力學(xué)性能的同時(shí)也會(huì)降低其熱加工性能，如G80Cr4Mo4V鋼鍛造過(guò)程中的熱加工區(qū)間較窄，不規(guī)則的鍛造變形使局部多條碳化物帶重疊并導(dǎo)致局部碳化物聚集等問(wèn)題。國(guó)外M50鋼(等同于G80Cr4Mo4V鋼)的鍛造工藝早已成熟并已廣泛應(yīng)用，雖然我國(guó)G80Cr4Mo4V鋼軸承也廣泛應(yīng)用，但G80Cr4Mo4V鋼航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承仍存在使用壽命低的問(wèn)題。套圈鍛造工藝對(duì)軸承使用壽命有顯著的影響，隨著航空工業(yè)的發(fā)展，對(duì)軸承使用壽命及可靠性提出了更高的要求，因此，亟需對(duì)現(xiàn)有軸承套圈鍛造工藝進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高軸承使用壽命。

1 原材料

原始棒料采用G80Cr4Mo4V鋼，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GJB 9659—2019《航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫軸承鋼G80Cr4Mo4V規(guī)范》。棒料采用真空感應(yīng)+真空自耗的方式雙真空冶煉，經(jīng)熱軋退火、磨光后交付?；瘜W(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)要求及實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。

表1 G80Cr4Mo4V 鋼化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Mass fraction of chemical composition for G80Cr4Mo4V steel %

2 原鍛造工藝

2.1 工藝流程

以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)用角接觸球軸承外圈為例，原工藝路線為預(yù)熱、高溫加熱、鐓粗、沖孔、沖連皮、反爐加熱、輾擴(kuò)及灰冷，如圖1所示，圖中S表示有效壁厚。

圖1 外圈原鍛造工藝Fig.1 Original forging process of outer ring

2.2 存在的問(wèn)題

原鍛造工藝(簡(jiǎn)稱原工藝)存在以下問(wèn)題：需兩次或兩次以上加熱，脫碳氧化層較深，局部存在較大晶粒；溝道采用車削加工，加工位置流線被切斷，導(dǎo)致溝道表面流線露頭，成為表面疲勞失效裂紋源，降低了零件疲勞壽命。

3 改進(jìn)后的鍛造工藝

新鍛造工藝(簡(jiǎn)稱新工藝)路線為車制環(huán)坯、預(yù)熱、高溫加熱、輾擴(kuò)及灰冷，如圖2所示。與原工藝相比，新工藝省去鐓粗和沖孔工序，增加了車制環(huán)坯工序。

圖2 外圈新鍛造工藝Fig.2 New forging process of outer ring

新工藝使用CA6140A車床進(jìn)行環(huán)坯車加工，熱軋棒料中疏松、偏析等缺陷均產(chǎn)生在棒料心部。采用車制環(huán)坯的加工方式可有效去除棒料心部的暗斑、白點(diǎn)、疏松、偏析缺陷，避免將原料缺陷帶入鍛造加工及成品零件中。

新工藝輾擴(kuò)設(shè)備與原工藝相同，均為D51-250CY輾擴(kuò)機(jī)，輾擴(kuò)成形不允許返爐加熱，且需均勻施加軋制力，保證均勻變形。用測(cè)溫槍測(cè)環(huán)坯輾擴(kuò)前后工件溫度，保證輾擴(kuò)溫度不低于950 ℃(終鍛溫度)，輾壓輪及芯軸預(yù)熱(150±10)℃。

4 改進(jìn)后的效果

4.1 鍛件實(shí)物及尺寸

新工藝輾擴(kuò)后外圈鍛件熱態(tài)及冷態(tài)實(shí)物如圖3所示，由圖可知，熱態(tài)及冷態(tài)的鍛件表面無(wú)折疊、飛邊、毛刺及端面凹坑等宏觀質(zhì)量缺陷，表面質(zhì)量合格。新工藝和原工藝采用相同輾擴(kuò)設(shè)備完成最終成形，尺寸精度一致，新工藝外圈留量由原工藝的單邊1.5 mm減小為單邊1 mm。

圖3 新工藝輾擴(kuò)后外圈鍛件實(shí)物圖Fig.3 Physical drawing of forging for outer ring after rolling by new technology

4.2 無(wú)損檢測(cè)

新工藝鍛件粗車后采用ScanMaster設(shè)備進(jìn)行水浸超聲檢測(cè)，其檢測(cè)精度為φ0.4 mm-10 dB平底孔當(dāng)量，結(jié)果(圖4)無(wú)異常。

圖4 水浸超聲檢測(cè)Fig.4 Water immersion ultrasonic testing

4.3 晶粒度

外圈鍛件淬火后按GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》進(jìn)行評(píng)級(jí)(圖5)，新工藝晶粒度8.5級(jí)，原工藝晶粒度8.0級(jí)，均滿足7級(jí)或者更細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)要求，但原工藝鍛件局部位置存在異常的大尺寸晶粒。新工藝縮短了工藝流程，環(huán)坯有效壁厚小于棒料有效壁厚，高溫區(qū)域總保溫時(shí)間減少約55 min，降低了晶粒長(zhǎng)大傾向，所以新工藝晶粒尺寸相對(duì)一致且更細(xì)小。

圖5 外圈鍛件淬火后的晶粒度Fig.5 Grain size of forging for outer ring after quenching

4.4 脫碳層

外圈鍛件脫碳層厚度如圖6所示，由于新工藝減少了鍛造次數(shù)，只需一次加熱就能完成，脫碳層深度從0.83 mm減小到0.54 mm，脫碳層深度較原工藝減小了約1/3，為后續(xù)的車削工序減小了加工余量，降低了生產(chǎn)成本。

圖6 外圈鍛件的脫碳層Fig.6 Decarburization layer of forging for outer ring

4.5 金屬流線

按圖7所示位置，對(duì)鍛造外圈取樣檢測(cè)金屬流線，并對(duì)金屬流線形貌及分布進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

圖7 外圈鍛件金屬流線取樣位置及示意圖Fig.7 Sampling postion and diagram of metal flow line of forging for outer ring

新工藝外圈鍛件取樣酸洗后流線分布如圖8a所示，金屬流線沿溝道呈有序放射性分布，溝道底部流線致密，沿溝道至邊沿逐漸形成均勻散開(kāi)的流線，未出現(xiàn)渦流和紊亂現(xiàn)象。圖8b為原工藝外圈鍛件車削后的溝道，鍛件金屬流線分布不規(guī)則，導(dǎo)致外圈車削后金屬流線被切斷，部分外圈疲勞剝落失效都發(fā)生在溝道金屬流線露頭的位置。

圖8 外圈鍛件金屬流線Fig.8 Metal flow line of forging for outer ring

4.6 碳化物分布

外圈鍛件碳化物分布如圖9所示,新工藝外圈鍛件碳化物均呈帶狀分布，條線清晰；而原工藝外圈鍛件受鐓粗、沖孔及輾擴(kuò)等多次復(fù)雜變形的影響，碳化物由沿棒材軋制方向變?yōu)椴灰?guī)則分布，碳化物帶存在彎曲、重疊、聚集等現(xiàn)象。在軸承服役過(guò)程中交變載荷的應(yīng)力作用下，碳化物聚集位置(如外圈溝道表面)易發(fā)生疲勞剝落，導(dǎo)致軸承早期疲勞失效。

圖9 外圈鍛件碳化物分布(100×)Fig.9 Carbide distribution of forging for outer ring

5 結(jié)束語(yǔ)

新工藝采用單火次鍛造加工外圈，解決了原工藝鍛件金屬流線控制的難題，縮短了鍛件加工流程，提高了鍛件質(zhì)量，鍛件表面及內(nèi)部質(zhì)量均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。采用原工藝加工的軸承壽命約為1 000 h，而采用新工藝加工的軸承已完成50 h性能試驗(yàn)及697 h等效加速壽命試驗(yàn)(試驗(yàn)軸承承受30 kN的載荷，等效壽命約為10 000 h)。該工藝還可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他軸承鋼類鍛件。