一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种Cr4Mo4V钢轴承复合表面强化方法。
【背景技术】
[0002] Cr4M〇4V钢轴承是目前广泛应用的高温轴承，其特点是高温强度高、抗高温过载能 力强、强韧性好，使用温度一般在200°C~350°C之间。航空发动机主轴轴承、燃气轮机主 轴轴承和航天发动机高温轴承等重大装备的关键部位都是使用Cr4M〇4V钢制轴承。提高 Cr4M〇4V钢轴承疲劳寿命对于增加各类航空器服役寿命和安全性具有重要的意义。
[0003] 喷丸是目前广为采用的一种提高工件疲劳寿命的方法，其原理是利用高速弹丸撞 击工件表面，形成一个表面应力状态为压应力的形变强化层，从而提高工件的疲劳寿命。但 是Cr4M〇4V钢的三个特点限制了喷丸技术在其轴承上的应用：①、强度高，喷丸形成的形变 强化层浅，表面压应力幅值小；②、脆性大，喷丸强度过高会导致表面产生微裂纹，反而降低 轴承疲劳寿命；③、表面大尺寸的VC颗粒在弹丸冲击下可能会发生破裂，导致疲劳寿命降 低。为了避免上述不利因素的影响，轴承滚道喷丸强度必须限制在一定范围内，这就消弱了 喷丸强化的效果。因此，Cr4M〇4V轴承通过单一的喷丸处理无法得到理想的表面强化延寿 效果，采用多种技术的复合是唯一的选择。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是要解决现有单一的喷丸技术无法使Cr4Mo4V钢轴承有理想的表 面强化延寿效果，而提供一种Cr4M〇4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法。
[0005] -种Cr4M〇4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法，是按以下方法完成 的：
[0006] 一、强力喷丸：采用强力喷丸工艺对Cr4Mo4V钢轴承滚道进行处理，在Cr4Mo4V钢 轴承滚道表面形成厚度为500 μ m~700 μ m的形变强化层；
[0007] 所述的强力喷丸工艺使用的仪器为机械离心式喷丸机，机械离心式喷丸机的离心 速度为2000r/min~5000r/min，弹丸材质为强化钢丸，弹丸显微硬度为HRC58~HRC63,直 径为1mm~2mm，喷嘴到Cr4Mo4V钢轴的距离为300mm~500mm，喷丸流量为50kg/min~ 200kg/min，喷丸速度为100m/s~200m/s，喷丸时间为Imin~5min，喷射角度为Θ = 40°~65。，表面覆盖率为80%~100%;
[0008] 二、对喷丸表面进行磨削加工：对步骤一得到的Cr4M〇4V钢轴承滚道表面厚度为 500 μπι~700 μπι的形变强化层进行磨削加工，将Cr4M〇4V钢轴承滚道表面粗糙度降至 Ra〈0. 08,得到滚道表面经过强力喷丸和磨削加工处理后的Cr4M〇4V钢轴承；
[0009] 步骤二中所述的磨削加工的磨削线速度为42m/s~45m/s，进给速度为1 μπι/s~ 2 μ m/s，磨削量为20 μ m~30 μ m ;
[0010] 三、升温注渗处理：
[0011] ①、预溅射处理：
[0012] 将步骤二得到的滚道表面经过强力喷丸和磨削加工处理后的Cr4M〇4V钢轴承放 到真空室试样台上，再抽背底真空至1.0 X 10 4Pa~1.0 X 10 3Pa，然后通入纯度为99. 99% 的高纯Ar气，调节Ar气流量，使真空室内气压升至IPa~10Pa，再在真空室内气压为IPa~ 10Pa、射频功率为0. 5kW~IkW和电压为500V~1000V下进行预派射清洗30min~60min ;
[0013] ②、碳、氮离子注渗：
[0014] 将预溅射处理后的Cr4M〇4V钢轴承绕自身轴线匀速旋转的同时，将质量分数为 99. 999 %的氮气和质量分数为99. 999 %的甲烷同时通入到真空室中，在甲烷与氮气分压比 为1: (5~30)、总气压为0.1 Pa~0. 5Pa的条件下，采用功率为300W~500W的射频激发 等离子体，使碳氮等离子体密度为1.0 X l〇9/cm3~1.0 X 10 livCm3;再在碳氮等离子体密度 为1.0 X l〇7cm3~1.0 X 10 1Q/cm3、注入电压为30kV~50kV和平均注入电流密度为30 μ A/ cm2~100 μ A/cm 2的条件下，通过调整注入脉冲的频率和占空比利用离子注入过程中的自 加热效应将预溅射处理后的Cr4Mo4V钢轴承温度升至150°C~250°C，在150°C~250°C下 注入处理IOh~30h，再在真空环境下冷却至温度小于50°C，打开真空室，得到碳、氮离子注 入后的Cr4Mo4V钢轴承，即完成一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方 法。
[0015] 本发明的优点：
[0016] -、本发明利用强力喷丸工艺和升温注渗工艺这两种工艺之间的耦合效应实现 了：比单一注渗和强力喷丸工艺有更高的压应力幅值和深度；与单一强力喷丸工艺相比压 应力平台最大值增加 IOOMPa~150MPa，压应力层深度增加了 100 μπι~200 μπι;比单一升 温注渗工艺有更高的氮浓度值和深度分布，使用本发明工艺较单一的升温注渗工艺相比， 氮离子浓度最大值提高了 5%~10%，使用本发明工艺处理后的Cr4M〇4V钢轴承表面的氮 浓度深度>30 ym，远大于单一注渗深度(<i〇.um):本发明通过将强力喷丸工艺和升温注渗工 艺相结合实现了 1+1>2的表面强化效应；
[0017] 二、本发明通过将强力喷丸工艺和升温注渗工艺相结合，提高了 Cr4M〇4V钢轴承 的表面强度、耐蚀性和抗高温过载能力；
[0018] 三、使用本发明一种Cr4M〇4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法处理 后得到的碳、氮离子注入后的Cr4Mo4V钢轴承的各项性能与未处理的Cr4Mo4V钢轴承相比， 疲劳寿命提高3倍以上，耐蚀性提高50 %，表面硬度提高20 %以上，极限承载提高500MPa， 干摩擦系数由0. 8降至0. 2,磨损率为原来25% ;
[0019] 四、本发明方法简单，适用于大规模生产。
[0020] 本发明适用于对Cr4Mo4V钢轴承进行表面处理。
【附图说明】
[0021] 图1为Cr4Mo4V钢轴承的表面残余应力分布曲线，图1中1为对比试验一中使用 升温注渗工艺处理后得到的Cr4M〇4V钢轴承表面残余应力分布曲线，2为对比试验二中使 用强力喷丸工艺处理后得到的Cr4M〇4V钢轴承表面残余应力分布曲线，3为实施例一通过 强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法处理后得到的碳、氮离子注入后的Cr4M〇4V钢轴承 的表面残余应力分布曲线；
[0022] 图2为Cr4Mo4V钢轴承的表面氮离子分布曲线；图2中1为对比试验一中使用升 温注渗工艺处理后得到的Cr4M〇4V钢轴承的表面氮离子分布曲线，2为实施例一通过强力 喷丸和升温注渗复合表面强化方法处理后得到的碳、氮离子注入后的Cr4M〇4V钢轴承的表 面氮离子分布曲线。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0023] 一：本实施方式是一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表 面强化方法是按以下方法完成的：
[0024] 一、强力喷丸：采用强力喷丸工艺对Cr4Mo4V钢轴承滚道进行处理，在Cr4Mo4V钢 轴承滚道表面形成厚度为500 μ m~700 μ m的形变强化层；
[0025] 所述的强力喷丸工艺使用的仪器为机械离心式喷丸机，机械离心式喷丸机的离心 速度为2000r/min~5000r/min，弹丸材质为强化钢丸，弹丸显微硬度为HRC58~HRC63,直 径为1mm~2mm，喷嘴到Cr4Mo4V钢轴的距离为300mm~500mm，喷丸流量为50kg/min~ 200kg/min，喷丸速度为100m/s~200m/s，喷丸时间为Imin~5min，喷射角度为Θ = 40°~65。，表面覆盖率为80%~100%;
[0026] 二、对喷丸表面进行磨削加工：对步骤一得到的Cr4Mo4V钢轴承滚道表面厚度为 500 μπι~700 μπι的形变强化层进行磨削加工，将Cr4M〇4V钢轴承滚道表面粗糙度降至 Ra〈0. 08,得到滚道表面经过强力喷丸和磨削加工处理后的Cr4M〇4V钢轴承；
[0027] 步骤二中所述的磨削加工的磨削线速度为42m/s~45m/s，进给速度为1 μπι/s~ 2 μ m/s，磨削量为20 μ m~30 μ m ;
[0028] 三、升温注渗处理：
[0029]