一种提高航空发动机轴承用8Cr4Mo4V钢力学性能的微渗碳工艺

技术领域

本发明属于热处理工艺技术领域，涉及一种提高航空发动机轴承用8Cr4Mo4V钢力学性能的微渗碳工艺。

背景技术

8Cr4Mo4V钢是一种具有极高承温能力的第2代钼系高合金轴承钢，广泛应用于DN值低于2.4×10

本发明与传统的渗碳方式不同，是在8Cr4Mo4V钢进行热处理的同时，通过调控气氛保护炉碳势，对其进行微渗碳处理，不仅可以使表面获得高硬度和表层压应力，提高疲劳性能，还可以使心部保持良好的韧性，使8Cr4Mo4V钢得到优良的综合力学性能。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种提高航空发动机轴承用8Cr4Mo4V钢力学性能的微渗碳工艺，经过热处理后8Cr4Mo4V钢表层实现微渗碳处理，显著提高钢的表面层硬度、冲击韧性和旋转弯曲疲劳极限强度等综合力学性能指标。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种提高航空发动机轴承用8Cr4Mo4V钢力学性能的微渗碳工艺，包括以下步骤：

步骤1、将8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理。

步骤2、微渗碳淬火处理：将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于气氛保护炉内，固溶加热及保温，气氛保护炉采用甲醇和丙烷进行碳势调节，采用氧探头测定碳势并自动调节，随后冷却试样。

步骤3、将淬火后的8Cr4Mo4V钢置于气氛保护炉或者真空炉内，从室温以8-10℃/min升温至550℃，保温2.5h，随后取出试样空冷至室温，需要进行三次高温回火。

进一步地，所述步骤1中，球化退火操作为环坯锻后放入灰冷后，灰冷温度达到400-500℃之间时，进行球化退火操作。要求锻后至球化退火之间的时间小于等于16h。退火前将锻坯装箱，并将箱子摆放至退火炉内的有效温区内，预热温度为700-750℃，预热时间为3h，然后加热至830-860℃，保温时间为6-7h，然后随炉冷却至720-750℃，保温时间为11-12h，然后以20℃/h的速度冷却至680℃，然后随炉冷却至500-550℃出炉空冷。

进一步地，所述步骤2中固溶加热及保温升温过程是从500℃以下以8-10℃/min的速率升温至840℃~860℃，在840℃~860℃保温30~40min，然后以3~6℃/min的速率升高到1000℃~1020℃保温15~30min，接着以6℃/min的速率升温至1075℃~1110℃，保温5~20min。

进一步地，所述步骤2中冷却采用温度为150℃以上的油进行冷却、气冷方式冷却、直接淬入180℃~220℃的等温盐浴中，保温2h后试样空冷至室温冷却方法中的任意一种。要求由高温冷却至220℃以下，时间小于5min。

进一步地，所述步骤2中碳势控制范围为0.35%~0.65%之间。

进一步地，所述步骤3中淬火后冷却至室温后，才可进行回火处理，淬火完成后，进行第一次回火的时间间隔在5h以内。第二次和第三次回火处理与第一次回火处理之间无严格的时间要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果为。

本发明专利是针对8Cr4Mo4V钢制轴承零件的热处理，采用气氛调控炉加热固溶处理，通过调节碳势，使表层的碳含量升高以达到表层碳浓度提高的效果，同时回火后使表面产生残余压应力，显著提高8Cr4Mo4V钢的表面层硬度、耐磨性、冲击韧性和旋转弯曲疲劳极限强度。本发明对设备要求不高，操作简单，且成本较低，具有较高的实用价值。

附图说明

图1为实施例1第2步结束后的淬火态组织照片；图1（a）为表层组织；图1（b）为心部组织。

图2为实施例1第3步结束后的回火态组织照片；图2（a）为表层组织；图2（b）为心部组织。

图3为实施例1第3步结束后的剖面显微硬度分布。

图4为实施例2第2步结束后的淬火态组织照片；图4（a）为表层组织；图4（b）为心部组织。

图5为实施例2第3步结束后的回火态组织照片；图5（a）为表层组织；图5（b）为心部组织。

图6为实施例2第3步结束后的剖面显微硬度分布。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种提高航空发动机轴承用8Cr4Mo4V钢力学性能的微渗碳工艺，包括以下步骤：

步骤1、将8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理。

步骤2、微渗碳淬火处理：将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于气氛保护炉内，固溶加热及保温，气氛保护炉采用甲醇和丙烷进行碳势调节，采用氧探头测定碳势并自动调节，随后冷却试样。

步骤3、将淬火后的8Cr4Mo4V钢置于气氛保护炉或者真空炉内，从室温以8-10℃/min升温至550℃，保温2.5h，随后取出试样空冷至室温，需要进行三次高温回火。

进一步地，所述步骤1中，球化退火操作为环坯锻后放入灰冷后，灰冷温度达到400-500℃之间时，进行球化退火操作。要求锻后至球化退火之间的时间小于等于16h。退火前将锻坯装箱，并将箱子摆放至退火炉内的有效温区内，预热温度为700-750℃，预热时间为3h，然后加热至830-860℃，保温时间为6-7h，然后随炉冷却至720-750℃，保温时间为11-12h，然后以20℃/h的速度冷却至680℃，然后随炉冷却至500-550℃出炉空冷。

进一步地，所述步骤2中固溶加热及保温升温过程是从500℃以下以8-10℃/min的速率升温至840℃~860℃，在840℃~860℃保温30~40min，然后以3~6℃/min的速率升高到1000℃~1020℃保温15~30min，接着以6℃/min的速率升温至1075℃~1110℃，保温5~20min。

进一步地，所述步骤2中冷却采用温度为150℃以上的油进行冷却、气冷方式冷却、直接淬入180℃~220℃的等温盐浴中，保温2h后试样空冷至室温冷却方法中的任意一种。要求由高温冷却至220℃以下，时间小于5min。

进一步地，所述步骤2中碳势控制范围为0.35%~0.65%之间。

进一步地，所述步骤3中淬火后冷却至室温后，才可进行回火处理，淬火完成后，进行第一次回火的时间间隔在5h以内。第二次和第三次回火处理与第一次回火处理之间无严格的时间要求。

实施例1。

步骤1、球化退火操作为环坯锻后放入灰冷后，灰冷温度达到400℃时，进行球化退火操作。要求锻后至球化退火之间的时间为15h。退火前将锻坯装箱，并将箱子摆放至退火炉内的有效温区内，预热温度为700℃，预热时间为3h，然后加热至830℃，保温时间为6h，然后随炉冷却至720℃，保温时间为11h，然后以20℃/h的速度冷却至680℃，然后随炉冷却至500℃出炉空冷。

步骤2、微渗碳淬火处理：将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于气氛保护炉内，升温过程是从500℃以下以8℃/min的速率升温至840℃，在840℃保温30min，然后以3℃/min的速率升高到1000℃℃保温30min，接着以6℃/min的速率升温至1075℃，保温5min，气氛保护炉采用甲醇和丙烷进行碳势调节，采用氧探头测定碳势并自动调节，碳势控制为0.5%，随后采用直接淬入200℃的等温盐浴中，保温2h后试样空冷至室温。要求由高温冷却至220℃以下，时间小于5min冷却试样。

步骤3、将淬火后的8Cr4Mo4V钢置于气氛保护炉或者真空炉内，从室温以10℃/min升温至550℃，保温2.5h，随后取出试样空冷至室温，再进行回火处理，进行第一次回火的时间间隔在5h以内。第二次和第三次回火处理与第一次回火处理之间无严格的时间要求。需要进行三次高温回火。

对最终热处理后的8Cr4Mo4V钢进行表面洛氏硬度、冲击性能和旋转弯曲疲劳性能测试。

实施例2。

步骤1、将8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理：环坯锻后放入灰冷后，灰冷温度达到500℃时，进行球化退火操作。要求锻后至球化退火之间的时间为10h。退火前将锻坯装箱，并将箱子摆放至退火炉内的有效温区内，预热温度为750℃，预热时间为3h，然后加热至860℃，保温时间为7h，然后随炉冷却至750℃，保温时间为12h，然后以20℃/h的速度冷却至680℃，然后随炉冷却至550℃出炉空冷。

步骤2、微渗碳淬火处理：将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于气氛保护炉内，升温过程是从500℃以下以10℃/min的速率升温至860℃，在860℃保温40min，然后以5℃/min的速率升高到1010℃保温15min，接着以6℃/min的速率升温至1095℃，保温10min，气氛保护炉采用甲醇和丙烷进行碳势调节，采用氧探头测定碳势并自动调节，碳势控制为0.65%，随后采用直接淬入200℃的等温盐浴中，保温2h后试样空冷至室温。要求由高温冷却至220℃以下，时间小于5min冷却试样。

步骤3、将淬火后的8Cr4Mo4V钢置于气氛保护炉或者真空炉内，从室温以10℃/min升温至550℃，保温2.5h，随后取出试样空冷至室温，进行回火处理，进行第一次回火的时间间隔在5h以内。第二次和第三次回火处理与第一次回火处理之间无严格的时间要求。

对最终热处理后的8Cr4Mo4V钢进行表面洛氏硬度、冲击性能和旋转弯曲疲劳性能测试。

对比例1。

步骤1、将8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理：环坯锻后放入灰冷后，灰冷温度达到450℃时，进行球化退火操作。要求锻后至球化退火之间的时间为15h。退火前将锻坯装箱，并将箱子摆放至退火炉内的有效温区内，预热温度为720℃，预热时间为3h，然后加热至840℃，保温时间为6h10min，然后随炉冷却至740℃，保温时间为11h20min，然后以20℃/h的速度冷却至680℃，然后随炉冷却至530℃出炉空冷。

步骤2、微渗碳淬火处理：将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于气氛保护炉内，升温过程是从500℃以下以10℃/min的速率升温至850℃，在850℃保温35min，然后以6℃/min的速率升高到1020℃保温30min，接着以6℃/min的速率升温至1110℃，保温20min，气氛保护炉采用甲醇和丙烷进行碳势调节，采用氧探头测定碳势并自动调节，碳势控制为0.8%，随后用直接淬入200℃的等温盐浴中，保温2h后试样空冷至室温。要求由高温冷却至220℃以下，时间小于5min冷却试样。

步骤3、将淬火后的8Cr4Mo4V钢置于气氛保护炉或者真空炉内，从室温以10℃/min升温至550℃，保温2.5h，随后取出试样空冷至室温，进行回火处理，进行第一次回火的时间间隔在5h以内，第二次和第三次回火处理与第一次回火处理之间无严格的时间要求。

对最终热处理后的8Cr4Mo4V钢进行表面洛氏硬度、冲击性能和旋转弯曲疲劳性能测试。

对比例2。

步骤1、将8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理：环坯锻后放入灰冷后，灰冷温度达到470℃时，进行球化退火操作。要求锻后至球化退火之间的时间为15h。退火前将锻坯装箱，并将箱子摆放至退火炉内的有效温区内，预热温度为710℃，预热时间为3h，然后加热至845℃，保温时间为6h30min，然后随炉冷却至740℃，保温时间为11h15min，然后以20℃/h的速度冷却至680℃，然后随炉冷却至540℃出炉空冷。

步骤2、将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于气氛保护炉内，升温过程是从500℃以下以10℃/min的速率升温至840℃，在840℃保温40min，然后以6℃/min的速率升高到1010℃保温25min，接着以6℃/min的速率升温至1100℃，保温10min，随后采用直接淬入200℃的等温盐浴中，保温2h后试样空冷至室温。要求由高温冷却至220℃以下，时间小于5min冷却试样。

步骤3、将淬火后的8Cr4Mo4V钢置于气氛保护炉或者真空炉内，从室温以10℃/min升温至550℃，保温2.5h，随后取出试样空冷至室温，进行回火处理，进行第一次回火的时间间隔在5h以内。第二次和第三次回火处理与第一次回火处理之间无严格的时间要求。

对最终热处理后的8Cr4Mo4V钢进行表面洛氏硬度、冲击性能和旋转弯曲疲劳性能测试。

将以上实施例与对比例的8Cr4Mo4V钢进行对比，得出以下结果。

表1 实施例与对比例进行对比检测结果。

通过对实施例和对比例的对比可以发现，本发明对材料的硬度、冲击韧性和旋转弯曲疲劳极限进行综合考虑均有明显提高。

从图1（a）可以看出实施例1的表层残余奥氏体较多，贝氏体和马氏体较少；图1（b）心部主要是马氏体+贝氏体复合组织。

从图2（a）可以看出实施例1在回火后的铁素体上弥散析出了细小且均匀分布的碳化物，且含有少量的马氏体组织；图2（b）为心部组织，主要是铁素体与细小且均匀分布的碳化物。

从图4（a）可以看出实施例2的表层的残余奥氏体较多，贝氏体和马氏体较少；图4（b）心部主要是马氏体+贝氏体复合组织。

从图5（a）可以看出实施例2在回火后的铁素体上弥散析出了细小且均匀分布的碳化物，且含有少量的马氏体组织；图5（b）为心部组织，主要是铁素体与细小且均匀分布的碳化物。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。