高溫不銹滲碳軸承鋼的研發(fā)現(xiàn)狀與進(jìn)展
鄭凱1,2，曹文全1，俞峰1，王存宇1，鐘振前2，徐海峰1
(1. 鋼鐵研究總院有限公司特殊鋼研究所， 北京 100083；2. 鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司， 北京 100083)
摘要：航空用軸承鋼向耐高溫、耐腐蝕、高承載、長壽命方向發(fā)展，現(xiàn)役的M50軸承鋼存在強(qiáng)度高但韌性和耐蝕性不足的問題；M50 NiL滲碳軸承鋼雖然通過降低碳含量和調(diào)整合金成分來提高韌性，但仍越來越無法滿足高推重比的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求，并且耐蝕性不足問題也未解決。高鉻不銹軸承鋼BG-42和高氮Cronidur30軸承鋼雖然抗腐蝕能力好，但是表面硬度和心部韌性仍不足。以CSS-42L鋼為代表的高溫不銹滲碳軸承鋼擁有高強(qiáng)韌性和優(yōu)良耐蝕性能，不僅在航空軸承應(yīng)用上極具競爭優(yōu)勢，而且也可應(yīng)用于在高溫或腐蝕性環(huán)境下使用的齒輪、軸和緊固件等，但是國內(nèi)外相關(guān)研究工作仍不足且缺乏系統(tǒng)性，因此對(duì)其研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行綜述和總結(jié)尤為重要。從航空用高溫軸承鋼發(fā)展歷程出發(fā)，詳細(xì)介紹了國內(nèi)外高溫不銹滲碳軸承鋼的研發(fā)背景和合金成分設(shè)計(jì)思路；綜述了鉻、鈷、鉬、鎳、釩、鎢等主要合金元素對(duì)組織和性能影響規(guī)律，其中鈷的加入雖然不直接參與析出強(qiáng)化，但能夠起到抑制δ-鐵素體形成和促進(jìn)彌散析出的特殊作用；分別從表面滲碳和心部材料兩個(gè)方面，揭示了調(diào)控?zé)崽幚砉に噷?duì)微觀組織和強(qiáng)韌性的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)國內(nèi)外高溫不銹滲碳軸承鋼基礎(chǔ)理論和制造工藝研究的不足，提出了優(yōu)化合金成分、突破滲碳熱處理技術(shù)，以及加強(qiáng)不同工況下組織演變、疲勞損傷和破壞機(jī)理研究的研發(fā)方向。
關(guān)鍵詞：軸承鋼； 馬氏體； 成分設(shè)計(jì)； 熱處理； 滲碳； 高強(qiáng)韌性
1 高溫不銹滲碳軸承鋼的研發(fā)背景
隨著航空航天工業(yè)發(fā)展，對(duì)更高速噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和宇航飛行器等的需要愈益迫切，對(duì)應(yīng)裝備的軸承的工作溫度將越來越高，如20世紀(jì)80年代，飛行速度已達(dá)到3 mach(1 mach = 1 190 km/h，相當(dāng)于空氣中的音速)的巡航飛機(jī)使用軸承的工作溫度達(dá)316 ℃。航空發(fā)動(dòng)機(jī)向高推重比發(fā)展，國外正在研發(fā)推重比為15~20的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承，中國則仍在進(jìn)行10~12推重比的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承研制。提高推重比的技術(shù)途徑為提高發(fā)動(dòng)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的提高要求增加軸徑，以使其具有更高的抗彎與抗扭剛度，這必然使軸承所承受的DN數(shù)值(軸承內(nèi)徑D和轉(zhuǎn)速N的乘積)提高；飛機(jī)主軸軸承的DN值在不斷提高，20世紀(jì)50年代的DN值為1.5×106，至70年代中期，DN值升高至大于2.4×106，80年代達(dá)到2.5×106~3.0×106 mm·r/min。因此，航空軸承將向更高溫、更高速、高承載方向發(fā)展，這要求軸承鋼應(yīng)具有更高的高溫硬度(58HRC以上)和耐磨性、尺寸穩(wěn)定性、耐高溫氧化性能和耐腐蝕性、高的抗蠕變強(qiáng)度和低的線膨脹系數(shù)等，以滿足其長壽命和高可靠性要求。
2 精選圖表
3 結(jié)論
一種新材料要實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，往往需要經(jīng)歷大量的基礎(chǔ)研究和嚴(yán)苛的工程化應(yīng)用考核；CSS-42L鋼及其類似鋼種國內(nèi)外研究較少，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承上應(yīng)用國內(nèi)外尚未見相關(guān)報(bào)道，距離在航空軸承應(yīng)用還有較大差距。以熱處理技術(shù)為例，CSS-42L鋼作為軸承鋼需要進(jìn)行滲碳熱處理，使得表面獲得足夠滲層深度以支持高承載，并獲得高表面硬度來提升抗疲勞和磨損性能，在高溫下保持高的硬度，產(chǎn)生足夠的殘余壓應(yīng)力來提升疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展抗力，并獲得細(xì)小彌散碳化物滲層組織保證表面韌性和抗腐蝕性能，與此同時(shí)心部也具有高的強(qiáng)韌性。但是高強(qiáng)韌性卻往往難以獲得，主要原因是熱處理工藝技術(shù)研究仍缺乏，主要體現(xiàn)在以下方面：(1)殘余奧氏體控制。由于CSS-42L鋼含有一定量的碳和鎳等有效的奧氏體穩(wěn)定元素，熱處理后存在一定量的殘余奧氏體，心部殘余奧氏體能改善軸承韌性，然而一般認(rèn)為表層殘余奧氏體對(duì)滲碳層疲勞性能及軸承尺寸穩(wěn)定性不利。(2)滲碳開裂。CSS-42L作為高合金不銹鋼滲碳難度大，具有很大的滲裂傾向，國外在開發(fā)過程中也面臨過同樣問題。(3)碳化物調(diào)控。CSS-42L鋼能獲得好的滲層部分歸因于鈮的碳化物，但是鉻的碳化物傾向于沿晶析出，滲層中碳化物的顆粒大小和分布對(duì)疲勞壽命影響極大，通常認(rèn)為大塊狀有棱角的沿晶碳化物對(duì)疲勞性能最不利。針對(duì)滲碳層碳化物控制，國內(nèi)研究者發(fā)明了在表層鍍鎳后進(jìn)行低壓脈沖滲碳工藝技術(shù)，有效改善了滲層碳化物的沿晶分布狀態(tài)，但其對(duì)接觸疲勞性能的影響未研究。
隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，軸承服役要求愈加嚴(yán)苛，與此同時(shí)又對(duì)長壽命和高可靠性高要求，為此必須突破軸承材料性能極限。CSS-42L與其他軸承鋼材料相比，在紅硬性、耐磨性、斷裂韌性、疲勞壽命以及耐蝕性等綜合性能更為優(yōu)異；雖然有報(bào)道表示CSS-42L鋼次表面殘余奧氏體層引起硬度“凹區(qū)”會(huì)阻礙其在航空軸承上應(yīng)用，但是國內(nèi)外有研究表明，經(jīng)過熱處理“凹區(qū)”可以得到消除；總體來看，它是一種極具競爭優(yōu)勢的新型高溫軸承鋼鋼種。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，應(yīng)注重在以下3方面加強(qiáng)研究：(1)進(jìn)一步優(yōu)化合金成分設(shè)計(jì)獲得高強(qiáng)韌性的滲碳和心部組織，并通過超高純冶煉及高均勻化凝固及熱變形技術(shù)，控制夾雜物和碳化物的數(shù)量、類型、尺寸和分布，抑制疲勞裂紋的起源與擴(kuò)展，獲得超長的疲勞壽命和高可靠性。(2)熱處理技術(shù)是CSS-42L鋼獲得高性能的另一關(guān)鍵點(diǎn)，尤其是突破滲碳熱處理技術(shù)，攻克滲裂難點(diǎn)、改善沿晶碳化物、控制殘余奧氏體穩(wěn)定性、分布狀態(tài)和提高表面殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)組織和性能的梯度控制，以適應(yīng)軸承高交變應(yīng)力作用下應(yīng)力的梯度分布。(3)航空軸承處于高速、重載和強(qiáng)沖擊等惡劣工況，對(duì)組織和性能穩(wěn)定具有高要求，需加強(qiáng)對(duì)不同工況條件下CSS-42L鋼組織演變、疲勞損傷研究，分析控制疲勞破壞主次要因素、制定預(yù)防措施，同時(shí)為CSS-42L鋼成分優(yōu)化、組織調(diào)控和工藝技術(shù)改進(jìn)指明優(yōu)化方向。
