一种8Cr4Mo4V钢制轴承套圈锻造工艺方法与流程

　　本发明涉及一种轴承套圈锻造工艺方法，尤其涉及一种航空发动机用8cr4mo4v钢制轴承套圈的锻造工艺方法。

　　背景技术：

　　航空发动机制造技术在不断发展，作为数字化制造技术集成，发达**已将信息技术与制造技术相结合形成了数字化生产线技术，并应用于航空发动机行业的生产制造，以此提高生产质量和柔性的关键技术，目的是形成自动化生产线，提高生产效率和产品质量稳定性。因为航空发动机追求是极限性能和高负荷，为了实现战机这种特殊要求，发达**不断实施各种技术发展计划，推动着发动机各项性能提高，技术不断发展过程中，新技术显示出高效和经济性是未来航空发动机发展的方向。相对全球先进的发动机制造水平，我国航空发动机制造水平仍然有较大的差距，名义上制造技术要落后30多年。

　　航空发动机叶片需承受1600-1800℃的高温和300m/s左右的风速，与其配套的主轴轴承同样也要承受很高的温度和风速，在这种及其恶劣的工作环境下需要可靠工作成千上万小时的运行，给主轴轴承制造技术提出了更高的要求。由于主轴轴承制造用材料冶金技术与国外发达**存在很大的差距，应用也不甚理想，早期一直依赖进口，尽管如此，主轴轴承平均无故障时间，平均大修时间，平均寿命等关键指标与国外知名轴承制造企业仍有很大的差距。尽管近几年，航空发动机轴承进行了专业化生产，但由于起步较晚，专业技术比较落后，仍然是新技术、新工艺应用的重点领域，也就是对新技术、新工艺有迫切要求的行业。为适应现有航空发动机制造技术应用与发展需求，对于发动机主轴轴承锻造辗扩新工艺和新技术开发，提高主轴轴承使用寿命已成为航空零部件轴承生产企业主要技术攻关及发展方向。

　　在开发新技术和新工艺的同时，加强数字化技术中数据管理、信息集成等诸多技术内容管理，核心是数字化表达、数字化工艺设计、虚拟制造技术、智能制造技术以及企业数据管理技术等，并进行实施应用。主轴轴承套圈锻造技术基础研究和数字化统计分析及应用还处于起步阶段，与国外先进技术存在较大的差距，尤其在基础理论和基础研究试验及数字化统计方面，我国在长期投入对比方面仍处于落后。

　　航空发动机主轴轴承是航空发动机关键部件之一，在高速、高温、受力复杂、工况环境极其恶劣的条件下运行，其质量直接影响着航空发动机性能、寿命、稳定性和可靠性。国外发达**发动机主轴承的寿命均能达到1万小时以上，而我国目前航空发动机主轴承使用寿命平均在800-900小时，关键部位的主轴承平均寿命勉强实现500小时，快速提升我国航空发动机主轴承制造技术已刻不容缓。

　　发动机故障问题之一主要表现在主轴轴承滚道工作面氧化腐蚀、开裂剥落，轴承早期失效导致发动机停车重大质量问题。通过对故障发动机研究发现，除其它原因产生的故障外，主要是主轴轴承提前失效导致的，对故障轴承进行解剖分析，发现在轴承的滚道工作面出现早期氧化腐蚀现象，在开裂滚道面下存在不规则和形态各异的碳化物，没有实现按设计要求延滚道方向均匀分布，个别区域存在碳化物心部压裂的孔洞，同时在其周边与基体间存在微裂纹。同时存在尺寸变形超差现象，尺寸稳定性存在严重问题。

　　根据轴承基体滚道工作面产生的缺陷，总结分析：轴承套圈锻件在锻造过程中工艺不合理，从加热、打饼、冲孔、扩孔及辗扩工艺过程控制不严密，工艺措施不得当，工艺一致性得不到有效控制，退火工艺过程存在不能完全满足工艺要求等不合理因素。

　　技术实现要素：

　　为解决上述技术问题，本发明提供了一种8cr4mo4v钢制轴承套圈锻造工艺方法，其使用寿命和航空发动机的续航能力获得大幅度提高。

　　为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括预热、加热、升温、锻造制坯、辗扩、灰冷、退火、检验、检测步骤，

　　所述预热步骤，制坯前将制坯模具、碾压轮、轮具、芯轴、锤砧及其它附属工具进行预热；

　　所述加热步骤，制坯中将坯料从常温加热到800-850℃，保温时间是φ*1.0min，φ代表直径；

　　所述升温步骤，将加热步骤中的坯料升温到1120±10℃，保温时间是φ*0.8min，热料环坯返炉加热时间s*0.6min，s代表有效厚度；

　　所述锻造制坯步骤，锻造制坯的打击力为560kg，制坯方式为闭式胎膜锻，上下锤砧面经润滑自由锻打饼、胎膜内锥形和塔形相结合上模中心冲孔成型、环坯出模后翻转按底模压印切底、扩孔、平幅，终锻温度＞980℃；

　　所述辗扩方式为高速自动化辗扩，辗压力为32000kn,辗扩速度为6.5mm/s，辗压轮转速为85rpm；

　　所述灰冷步骤，终辗温度＞980℃，锻后立即放入干燥白灰中冷却至退火装炉，16h内装炉；

　　所述退火步骤，预热温度750±10℃，保温3h，加热温度860±10℃，保温6-7h，炉冷至740±10℃，保温11-12h后，以20℃/h速度降至680℃后炉冷至500-550℃炉冷或空冷，退火时退火箱的密封采用2％木炭屑和铸铁屑按比例混合后填入密封槽内并压实；

　　所述检验步骤，采用金相检验方式，检验淬火晶粒度、混晶、碳化物分布及金属流线分布状态；

　　所述检测步骤，采用水浸探伤方式，检查轴承环内部组织是否存在锻造和辗扩的缺陷。

　　优选的，所述辗扩方式为d51k-350立式高速自动化辗扩机进行辗扩，一次成型。

　　优选的，所述制坯模具预热温度为300℃，碾压轮、轮具、芯轴、锤砧及其它附属工具预热温度150-300℃。

　　本发明有益效果：

　　本发明工艺在小批工艺试验、检验，通过对锻件及加工后产品检验，产品退火淬火后晶粒度达到8.5级(标准≥7级，国外≥8级)，无混晶现象，碳化物均匀分布与滚道方向一致，金属流线为直线，产品经水浸超声波探伤0.4+16.5db-0.4+18db检测全部合格，锻件硬度为212-228hb，其达到了产品预期的使用要求后转入批产，在应用过程中，发动机轴承失效时间提高到近1000小时，比早期产品轴承使用寿命提高了近2倍，在很大成度上延长了飞机的续航能力；

　　本发明改善了锻件内部组织中强化相碳化物分布和形态，提高了产品晶粒度等级及金属流线分布，解决了轴承套圈滚道工作面早期腐蚀氧化开裂失效技术困难，调高了轴承使用寿命。

　　附图说明

　　图1是本发明加热工艺曲线图；

　　图2是制坯成型过程图；

　　图3是本发明退火步骤曲线图。

　　图中，1-外模、2-上模、3-环坯、4-下模。

　　具体实施方式

　　下面结合附图对本发明做进一步技术描述：

　　材料选用国产高纯8cr4mo4v高温轴承钢按预期方案进行工艺试验和检验。

　　首先，制坯模具预热温度为300℃，碾压轮、芯轴、锤砧、轮具及其它附属工具预热温度150-300℃，且生产过程中全程保持150-300℃。

　　其次，制坯辗扩工艺及检验项目：将坯料从常温预热到800-850℃，保温φ×1.0min，再将坯料升温到1200±10℃，保温φ×0.8min，锻造制坯后环坯二次返炉保温时间φ×0.6min；按照先进炉先出炉原则进行制坯，制坯打击力为560kg，依据模拟制坯方案，上下锤砧润滑自由锻打饼和闭式无飞边胎膜锻制坯，即自由锻打饼后放入模具内采用锥形和塔形相结合的方式经充分润滑中心冲孔、出模后翻转切底、扩孔、平幅，完成锻造制坯，终锻温度＞980℃；辗扩过程采取先进先出原则，保证加热时间一致性，辗扩设备采用d51k-350高速自动化辗扩机，依据辗扩模拟方案，辗扩速度为6.5mm/s,轧制力32000kn,均匀轧制变形，尺寸稳定，所有轴承套圈锻件辗扩过程工艺一致，终辗温度＞980℃,辗扩全程环坯温度由红外线测温仪监视测量；辗扩后立即放入干燥白灰中冷却至退火装炉，16h内装炉；预热温度750±10℃，保温3h，加热温度860±10℃，保温6-7h，炉冷至740±10℃，保温11-12h后，以20℃/h速度降至680℃后炉冷至500-550℃出炉空冷，退火时退火箱的密封采用2％木炭屑和铸铁屑按比例混合后加入热密封槽内并压实；进行硬度检测，金相检验和水浸探伤检测。

　　再次，产品锻造辗扩及检验：锻造制坯件从常温预热到800-850℃，保温65min，升温到1200±10℃，保温52min，锻造制坯后环坯二次返炉保温时间9min，终锻温度＞980℃；按照先进炉先出炉原则进行辗扩，采用d51k-350自动化高速辗扩机，碾压力为32000kn,扩孔速度为6.5mm/s，碾压轮转速为85rpm，辗环过程中要保证先进先出顺序进行辗扩，保证加热温度的一致性；终辗温度＞980℃，锻后立即放入干燥白灰中冷却至退火装炉，16h内装炉；然后进行退火，预热温度750℃，保温3h，加热温度860℃，保温6-7h，炉冷至740℃，保温11-12h后，以20℃/h速度降至680℃后炉冷至500-550℃炉冷或空冷，退火时退火箱的密封采用2％木炭屑和铸铁屑按比例入混合后加入热密封槽内并压实；进行硬度检测、金相检验和水侵探伤检测。

　　更后，进行产品检测；经过检测，其淬火后晶粒度8.5级(标准≥7级)，强化相碳化物均匀分布与滚道方向一致，无混晶现象，金属流线与滚道方向一致，无穿流和涡流，产品经水浸超声波探伤0.4+16.5db-0.4+18db检测全部合格(标准要求10+14db)，完全达到了产品的技术方面预期的要求。

　　本发明更优的工艺参数为：

　　1、制坯保温温度、辗扩保温温度均为1120±10℃；

　　2、坯料预热保温时间φ*1.0(min)，高温保温时间φ*0.8(min)，热料环坯返炉加热保温时间s*0.6(min)(s-有效厚度)；

　　3、锻造制坯打击力为560kg，模具预热温度300℃，工具、轮具、锤砧等预热温度150-300℃；

　　4、制坯方式采用上下锤砧面润滑自由锻打饼，闭式胎膜锻无飞边锻造，锥形和塔形相结合方式冲孔、切底、扩孔、平幅锻造制坯。

　　5、辗扩工序中采用d53k-350立式高速自动化辗扩机进行辗扩，碾压力为32000kn,扩孔速度为6.5mm/s，碾压轮转速为85rpm。

　　通过对锻件及加工后产品检验，本发明的产品退火淬火后晶粒度达到8.5级(标准≥7级)，无混晶现象，强化相碳化物均匀分布且与滚道方向一致，金属流线与滚道方向一致，直流线；产品经水浸超声波探伤0.4+16.5db-0.4+18db检测全部合格，硬度为212-228hbw，完全达到了产品在技术方面和使用方面的要求，轴承的使用寿命和发动机的续航能力获得大幅度提高，更高可达到1000多小时。(国外发达**发动机续航可达到10000小时左右，目前差距还很大，还需在原材料、工艺等科研方面改进和提高。)