CN105177256B - 一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法 - Google Patents

一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法 Download PDF

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Abstract

一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法，它涉及一种Cr4Mo4V钢轴承复合表面强化方法。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。方法：一、强力喷丸；二、对喷丸表面进行磨削加工；三、升温注渗处理。使用本发明方法处理后的Cr4Mo4V钢轴承与未处理的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％。本发明适用于对Cr4Mo4V钢轴承进行表面处理。

Description

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
本发明涉及一种Cr4Mo4V钢轴承复合表面强化方法。
背景技术
Cr4Mo4V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℃～350℃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Cr4Mo4V钢制轴承。提高Cr4Mo4V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。
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Cr4Mo4V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，Cr4Mo4V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
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Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法。
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：
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500μm～700μm的形变强化层；
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1min～5min，喷射角度为θ＝40°～65°，表面覆盖率为80％～100％；
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500μm～700μm的形变强化层进行磨削加工，将Cr4Mo4V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Cr4Mo4V钢轴承；
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1μm/s～2μm/s，磨削量为20μm～30μm；
三、升温注渗处理：
①、预溅射处理：
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Cr4Mo4V钢轴承放到真空室试样台上，再抽背底真空至1.0×10-4Pa～1.0×10-3Pa，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1Pa～10Pa，再在真空室内气压为1Pa～10Pa、射频功率为0.5kW～1kW和电压为500V～1000V下进行预溅射清洗30min～60min；
②、碳、氮离子注渗：
将预溅射处理后的Cr4Mo4V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0.1Pa～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1.0×109/cm3～1.0×1010/cm3；再在碳氮等离子体密度为1.0×109/cm3～1.0×1010/cm3、注入电压为30kV～50kV和平均注入电流密度为30μA/cm2～100μA/cm2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℃～250℃，在150℃～250℃下注入处理10h～30h，再在真空环境下冷却至温度小于50℃，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。
本发明的优点：
一、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100MPa～150MPa，压应力层深度增加了100μm～200μm；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Cr4Mo4V钢轴承表面的氮浓度深度>30μm，远大于单一注渗深度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；
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Cr4Mo4V钢轴承的表面强度、耐蚀性和抗高温过载能力；
三、使用本发明一种Cr4Mo4V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％；
四、本发明方法简单，适用于大规模生产。
本发明适用于对Cr4Mo4V钢轴承进行表面处理。
附图说明
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Cr4Mo4V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Cr4Mo4V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Cr4Mo4V钢轴承的表面残余应力分布曲线；
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Cr4Mo4V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Cr4Mo4V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：
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500μm～700μm的形变强化层；
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1min～5min，喷射角度为θ＝40°～65°，表面覆盖率为80％～100％；
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500μm～700μm的形变强化层进行磨削加工，将Cr4Mo4V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Cr4Mo4V钢轴承；
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1μm/s～2μm/s，磨削量为20μm～30μm；
三、升温注渗处理：
①、预溅射处理：
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Cr4Mo4V钢轴承放到真空室试样台上，再抽背底真空至1.0×10-4Pa～1.0×10-3Pa，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1Pa～10Pa，再在真空室内气压为1Pa～10Pa、射频功率为0.5kW～1kW和电压为500V～1000V下进行预溅射清洗30min～60min；
②、碳、氮离子注渗：
将预溅射处理后的Cr4Mo4V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0.1Pa～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1.0×109/cm3～1.0×1010/cm3；再在碳氮等离子体密度为1.0×109/cm3～1.0×1010/cm3、注入电压为30kV～50kV和平均注入电流密度为30μA/cm2～100μA/cm2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℃～250℃，在150℃～250℃下注入处理10h～30h，再在真空环境下冷却至温度小于50℃，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。
本实施方式步骤三②中将预溅射处理后的Cr4Mo4V钢轴承绕自身轴线匀速旋转的实现很简单，只要将预溅射处理后的Cr4Mo4V钢轴承固定在试样台上，利用简单装置就能实现预溅射处理后的Cr4Mo4V钢轴承绕自身轴线自转。(详见专利号为921137176的专利)。
本实施方式的优点：
一、本实施方式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100MPa～150MPa，压应力层深度增加了100μm～200μm；比单一升温注渗工艺有更高的氮浓度值和深度分布，使用本实施方式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％，使用本实施方式工艺处理后的Cr4Mo4V钢轴承表面的氮浓度深度>30m，远大于单一注渗深度本实施方式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；
二、本实施方式通过将强力喷丸工艺和升温注渗工艺相结合，提高了Cr4Mo4V钢轴承的表面强度、耐蚀性和抗高温过载能力；
三、使用本实施方式一种Cr4Mo4V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％；
四、本实施方式方法简单，适用于大规模生产。
本实施方式适用于对Cr4Mo4V钢轴承进行表面处理。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中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600μm的形变强化层。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中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3000r/min，弹丸材质为强化钢丸，弹丸显微硬度为HRC58～HRC63，直径为1.2mm，喷嘴到Cr4Mo4V钢轴的距离为400mm，喷丸流量为100kg/min，喷丸速度为150m/s，喷丸时间为3min，喷射角度为θ＝50°，表面覆盖率为100％。其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤二中所述的磨削加工的磨削线速度为45m/s，进给速度为2μm/s，磨削量为30μm。其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤三①中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Cr4Mo4V钢轴承放到真空室试样台上，再抽背底真空至1.0×10-3Pa，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5Pa，再在真空室内气压为5Pa、射频功率为0.8kW和电压为800V下进行预溅射清洗45min。其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤三②中将预溅射处理后的Cr4Mo4V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1:15、总气压为0.3Pa的条件下，采用功率为400W的射频激发等离子体，使碳氮等离子体密度为1.0×1010/cm3；再在碳氮等离子体密度为1.0×1010/cm3、注入电压为40kV和平均注入电流密度为60μA/cm2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200℃，在200℃下注入处理20h，再在真空环境下冷却至温度小于50℃，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。其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤一中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～3000r/min，弹丸材质为强化钢丸，弹丸显微硬度为HRC58～HRC63，直径为1mm～1.2mm，喷嘴到Cr4Mo4V钢轴的距离为300mm～400mm，喷丸流量为50kg/min～100kg/min，喷丸速度为100m/s～150m/s，喷丸时间为1min～3min，喷射角度为θ＝40°～50°，表面覆盖率为100％。其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤一中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3000r/min～5000r/min，弹丸材质为强化钢丸，弹丸显微硬度为HRC58～HRC63，直径为1.2mm～2mm，喷嘴到Cr4Mo4V钢轴的距离为400mm～500mm，喷丸流量为100kg/min～200kg/min，喷丸速度为15m/s～200m/s，喷丸时间为3min～5min，喷射角度为θ＝50°～65°，表面覆盖率为100％。其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤二中所述的磨削加工的磨削线速度为42m/s，进给速度为1μm/s，磨削量为20μm。其他步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤三②将预溅射处理后的Cr4Mo4V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:(15～30)、总气压为0.3Pa～0.5Pa的条件下，采用功率为400W～500W的射频激发等离子体，使碳氮等离子体密度为1.0×109/cm3～1.0×1010/cm3；再在碳氮等离子体密度为1.0×109/cm3～1.0×1010/cm3、注入电压为40kV～50kV和平均注入电流密度为60μA/cm2～100μA/cm2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200℃～250℃，在200℃～250℃下注入处理20h～30h，再在真空环境下冷却至温度小于50℃，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。其他步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下试验验证本发明的有益效果：
对比试验一：采用升温注渗工艺对Cr4Mo4V钢轴承进行处理是按以下步骤完成的：
一、预溅射处理：
将Cr4Mo4V钢轴承放到真空室试样台上，再抽背底真空至1.0×10-3Pa，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5Pa，再在真空室内气压为5Pa、射频功率为0.8kW和电压为800V下进行预溅射清洗45min；
二、碳、氮离子注渗：
将预溅射处理后的Cr4Mo4V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1:15、总气压为0.3Pa的条件下，采用功率为400W的射频激发等离子体，使碳氮等离子体密度为1.0×1010/cm3；再在碳氮等离子体密度为1.0×1010/cm3、注入电压为40kV和平均注入电流密度为60μA/cm2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200℃，在200℃下注入处理20h，再在真空环境下冷却至温度小于50℃，打开真空室，得到升温注渗工艺处理后得到的Cr4Mo4V钢轴承。
对比试验二：采用强力喷丸工艺对Cr4Mo4V钢轴承进行处理是按以下步骤完成的：
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的形变强化层，得到强力喷丸工艺处理后得到的Cr4Mo4V钢轴；
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3000r/min，弹丸材质为强化钢丸，弹丸显微硬度为HRC58～HRC63，直径为1.2mm，喷嘴到Cr4Mo4V钢轴的距离为400mm，喷丸流量为100kg/min，喷丸速度为150m/s，喷丸时间为3min，喷射角度为θ＝50°，表面覆盖率为100％。
实施例一：一种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：
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600μm的形变强化层；
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3000r/min，弹丸材质为强化钢丸，弹丸显微硬度为HRC58～HRC63，直径为1.2mm，喷嘴到Cr4Mo4V钢轴的距离为400mm，喷丸流量为100kg/min，喷丸速度为150m/s，喷丸时间为3min，喷射角度为θ＝50°，表面覆盖率为100％；
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600μm的形变强化层进行磨削加工，将Cr4Mo4V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Cr4Mo4V钢轴承；
步骤二中所述的磨削加工的磨削线速度为45m/s，进给速度为2μm/s，磨削量为30μm；
三、升温注渗处理：
①、预溅射处理：
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Cr4Mo4V钢轴承放到真空室试样台上，再抽背底真空至1.0×10-3Pa，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5Pa，再在真空室内气压为5Pa、射频功率为0.8kW和电压为800V下进行预溅射清洗45min；
②、碳、氮离子注渗：
将预溅射处理后的Cr4Mo4V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1:15、总气压为0.3Pa的条件下，采用功率为400W的射频激发等离子体，使碳氮等离子体密度为1.0×1010/cm3；再在碳氮等离子体密度为1.0×1010/cm3、注入电压为40kV和平均注入电流密度为60μA/cm2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200℃，在200℃下注入处理20h，再在真空环境下冷却至温度小于50℃，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。
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Cr4Mo4V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Cr4Mo4V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Cr4Mo4V钢轴承的表面残余应力分布曲线；
由1图可知，采用实施例一一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法处理后的碳、氮离子注入后的Cr4Mo4V钢轴承的残余应力的最大值与对比试验二采用单一的强力喷丸工艺得到的Cr4Mo4V钢轴承的残余应力的最大值增加了100MPa～150MPa，残余应力深度增加了100μm～200μm，采用实施例一一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法处理后的碳、氮离子注入后的Cr4Mo4V钢轴承有更高的氮浓度值和深度分布，与对比试验二采用单一的强力喷丸工艺得到的Cr4Mo4V钢轴承相比，氮离子浓度最大值提高了5％～10％，使用实施例一一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法处理后的碳、氮离子注入后的Cr4Mo4V钢轴承表面的氮浓度深度＞30μm，远大于对比试验二中采用的单一的强力喷丸工艺得到的Cr4Mo4V钢轴承的10μm的注渗深度，实施例一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。
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Cr4Mo4V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Cr4Mo4V钢轴承的表面氮离子分布曲线。
从图2可知，采用实施例一一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法处理后的碳、氮离子注入后的Cr4Mo4V钢轴承的氮离子浓度最大值较对比试验一采用单一的升温注渗工艺对Cr4Mo4V钢轴承进行处理后得到的Cr4Mo4V钢轴承的氮离子浓度最大值提高了5％～10％；采用实施例一一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法处理后的碳、氮离子注入后的Cr4Mo4V钢轴承的氮浓度深度＞30μm，远大于对比试验一采用单一的升温注渗工艺对Cr4Mo4V钢轴承进行处理后得到的Cr4Mo4V钢轴承的10μm的氮浓度深度。
使用实施例一一种Cr4Mo4V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％。
实施例一的方法简单，适用于大规模生产。

Claims (10)

1.一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法，其特征在于一种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：
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500μm～700μm的形变强化层；
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1min～5min，喷射角度为θ＝40°～65°，表面覆盖率为80％～100％；
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500μm～700μm的形变强化层进行磨削加工，将Cr4Mo4V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Cr4Mo4V钢轴承；
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1μm/s～2μm/s，磨削量为20μm～30μm；
三、升温注渗处理：
①、预溅射处理：
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Cr4Mo4V钢轴承放到真空室试样台上，再抽背底真空至1.0×10-4Pa～1.0×10-3Pa，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1Pa～10Pa，再在真空室内气压为1Pa～10Pa、射频功率为0.5kW～1kW和电压为500V～1000V下进行预溅射清洗30min～60min；
②、碳、氮离子注渗：
将预溅射处理后的Cr4Mo4V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0.1Pa～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1.0×109/cm3～1.0×1010/cm3；再在碳氮等离子体密度为1.0×109/cm3～1.0×1010/cm3、注入电压为30kV～50kV和平均注入电流密度为30μA/cm2～100μA/cm2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℃～250℃，在150℃～250℃下注入处理10h～30h，再在真空环境下冷却至温度小于50℃，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。
2.根据权利要求1所述的一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法，其特征在于步骤一中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600μm的形变强化层。
3.根据权利要求1所述的一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法，其特征在于步骤一中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3000r/min，弹丸材质为强化钢丸，弹丸显微硬度为HRC58～HRC63，直径为1.2mm，喷嘴到Cr4Mo4V钢轴的距离为400mm，喷丸流量为100kg/min，喷丸速度为150m/s，喷丸时间为3min，喷射角度为θ＝50°，表面覆盖率为100％。
4.根据权利要求1所述的一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法，其特征在于步骤二中所述的磨削加工的磨削线速度为45m/s，进给速度为2μm/s，磨削量为30μm。
5.根据权利要求1所述的一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法，其特征在于步骤三①中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Cr4Mo4V钢轴承放到真空室试样台上，再抽背底真空至1.0×10-3Pa，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5Pa，再在真空室内气压为5Pa、射频功率为0.8kW和电压为800V下进行预溅射清洗45min。
6.根据权利要求1所述的一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法，其特征在于步骤三②中将预溅射处理后的Cr4Mo4V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1:15、总气压为0.3Pa的条件下，采用功率为400W的射频激发等离子体，使碳氮等离子体密度为1.0×1010/cm3；再在碳氮等离子体密度为1.0×1010/cm3、注入电压为40kV和平均注入电流密度为60μA/cm2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200℃，在200℃下注入处理20h，再在真空环境下冷却至温度小于50℃，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。
7.根据权利要求1所述的一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法，其特征在于步骤一中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～3000r/min，弹丸材质为强化钢丸，弹丸显微硬度为HRC58～HRC63，直径为1mm～1.2mm，喷嘴到Cr4Mo4V钢轴的距离为300mm～400mm，喷丸流量为50kg/min～100kg/min，喷丸速度为100m/s～150m/s，喷丸时间为1min～3min，喷射角度为θ＝40°～50°，表面覆盖率为100％。
8.根据权利要求1所述的一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法，其特征在于步骤一中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3000r/min～5000r/min，弹丸材质为强化钢丸，弹丸显微硬度为HRC58～HRC63，直径为1.2mm～2mm，喷嘴到Cr4Mo4V钢轴的距离为400mm～500mm，喷丸流量为100kg/min～200kg/min，喷丸速度为150m/s～200m/s，喷丸时间为3min～5min，喷射角度为θ＝50°～65°，表面覆盖率为100％。
9.根据权利要求1所述的一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法，其特征在于步骤二中所述的磨削加工的磨削线速度为42m/s，进给速度为1μm/s，磨削量为20μm。
10.根据权利要求1所述的一种Cr4Mo4V钢轴承强力喷丸和升温注渗复合表面强化方法，其特征在于步骤三②将预溅射处理后的Cr4Mo4V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:(15～30)、总气压为0.3Pa～0.5Pa的条件下，采用功率为400W～500W的射频激发等离子体，使碳氮等离子体密度为1.0×109/cm3～1.0×1010/cm3；再在碳氮等离子体密度为1.0×109/cm3～1.0×1010/cm3、注入电压为40kV～50kV和平均注入电流密度为60μA/cm2～100μA/cm2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200℃～250℃，在200℃～250℃下注入处理20h～30h，再在真空环境下冷却至温度小于50℃，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。
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