軸承用8Cr4Mo4V鋼真空氣淬及等溫鹽浴淬火后的性能對比分析

童 銳， 于興福， 劉永寶， 夏云志， 蘇 勇， 金映麗

(1. 中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司， 黑龍江 哈爾濱 150500；2. 沈陽工業(yè)大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110870；3. 沈陽化工大學 機械與動力工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

軸承鋼的熱處理對軸承的性能、壽命和可靠性有直接的影響，是發(fā)揮軸承性能的決定性因素[1-5]。航空軸承在高速、高溫、載荷大、受力條件復雜、環(huán)境苛刻的條件下工作，對軸承鋼的熱處理提出了更高的要求[6-9]。熱處理決定了軸承內部的微觀組織狀態(tài)，決定了軸承的力學性能，恰當?shù)臒崽幚碇贫饶軌蛸x予軸承高的硬度、韌性，良好的尺寸穩(wěn)定性，優(yōu)良的耐腐蝕、抗氫脆、耐摩擦磨損性能，高的制造精度等[10-12]。

8Cr4Mo4V鋼是一種綜合性能極佳的高溫軸承鋼，具有優(yōu)良的高溫強度、熱穩(wěn)定性、抗氧化性及抗熱疲勞性能等優(yōu)點[13-15]。而且在氧化和燃氣條件下能承受復雜應力，同時又具有較小的線膨脹系數(shù)，目前8Cr4Mo4V鋼廣泛用于航空、航天及船舶工業(yè)的零件加工中。

熱處理是影響和改變軸承性能的至關重要因素。好的熱處理工藝與軸承鋼的結合，能夠使軸承零件獲得高硬度、高強度、高耐磨性、高疲勞強度和良好的機加工性能以及尺寸穩(wěn)定性等性能。目前國內8Cr4Mo4V鋼制軸承的主流熱處理工藝主要采用真空淬火。真空淬火具有表面無氧化、污染易控制、零件變形小等特點，但受氣冷壓力等限制，其冷卻速度較低，但也能夠滿足8Cr4Mo4V鋼軸承制備的熱處理要求。而等溫鹽浴淬火具有更高的冷卻速度和能夠實現(xiàn)精確的等溫淬火等優(yōu)點，在軸承鋼的制造方面也得到了大量的應用。但是等溫鹽浴淬火技術在國內8Cr4Mo4V鋼軸承生產(chǎn)中應用相對較少。因此，本研究對比分析了真空氣淬和等溫鹽淬后8Cr4Mo4V鋼微觀組織，并測定了兩種工藝處理后鋼的力學性能。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及試樣尺寸

材料為國產(chǎn)8Cr4Mo4V鋼，具體成分見表1。組織觀察用試樣尺寸φ12 mm×10 mm。沖擊試樣尺寸55 mm×10 mm×10 mm，采用U形缺口。拉伸性能測試采用兩端帶有M14螺紋，標距段尺寸為φ5 mm×23 mm的試樣。表面硬度測量試樣尺寸為φ12 mm×10 mm，測量點為兩側端面，旋轉彎曲疲勞試驗的試樣尺寸如圖1 所示。

表1 8Cr4Mo4V鋼的化學成分(質量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of the 8Cr4Mo4V steel (mass fraction, %)

圖1 旋轉彎曲疲勞試驗試樣尺寸Fig.1 Specimen dimensions of rotary bending fatigue test

1.2 熱處理方法

8Cr4Mo4V鋼的熱處理淬火采用兩種方式，第一種方式是采用真空氣淬和回火，第二種方式是采用氮甲醇氣保爐加熱，然后淬入200 ℃的鹽浴中保溫2 h，之后冷卻至室溫，再經(jīng)回火處理。真空氣淬工藝如圖2 所示，真空條件下傳熱方式為輻射，因此需要較長的時間進行固溶處理，本工藝中固溶保溫時間為30～45 min，而等溫鹽浴淬火在氮甲醇氣保護條件下的傳熱方式為對流和輻射，因此在1080 ℃固溶保溫15～25 min，然后直接采用鹽浴冷卻，淬入(200±10) ℃的鹽浴中保溫2 h，真空氣淬處理采用氮氣冷卻，冷卻速度與等溫鹽浴相比較慢。

圖2 真空熱處理工藝曲線Fig.2 Vacuum heat treatment process curve

1.3 測試方法

采用洛氏硬度計測量試樣的心部硬度，采用擺錘式?jīng)_擊試驗機測量試樣的沖擊吸收能量，采用萬能試驗機測定試樣的拉伸性能。采用QBWP-10000型旋轉彎曲疲勞試驗機測定試樣旋轉彎曲疲勞極限強度，轉速為5000 r/min，測量方法采用階梯法。采用S-3400N型鎢燈絲和ZEISS熱場掃描電鏡觀察腐蝕后的組織形貌，腐蝕劑配比為100 mL乙醇+2.5 g苦味酸+5 mL鹽酸。采用XRD法測定8Cr4Mo4V鋼中殘留奧氏體的含量，XRD測量采用鈷靶，掃描速度為1°/min。摩擦磨損測量在摩擦磨損試驗機上采用銷盤對磨，加載壓力200 N，轉速200 r/min，摩擦磨損時長為30 min。磨銷試樣由真空氣淬和等溫鹽浴淬火制成，磨盤均采用真空氣淬制備。測量兩種熱處理工藝條件下8Cr4Mo4V鋼的摩擦磨損質量損失情況。

2 試驗結果及分析

2.1 性能分析

2.1.1 硬度

經(jīng)淬火和回火處理后，試樣在不同狀態(tài)下的硬度見表2。真空氣淬后8Cr4Mo4V鋼的硬度平均值為63.42 HRC，等溫鹽浴淬火后鋼的硬度平均值為63.54 HRC，淬火后兩種工藝處理試樣的硬度相當。經(jīng)回火后，真空氣淬試樣的硬度為60.28 HRC，而等溫鹽浴淬火后的硬度為61.78 HRC，等溫鹽浴淬火試樣回火后的硬度要高于真空氣淬試樣回火后的硬度。

表2 不同熱處理后8Cr4Mo4V鋼的硬度(HRC)Table 2 Hardness of the 8Cr4Mo4V steel after different heat treatments (HRC)

2.1.2 拉伸性能

試樣的拉伸性能見表3，由表3可知，經(jīng)真空氣淬+回火處理后，室溫狀態(tài)下8Cr4Mo4V鋼的屈服強度(以Rp0.2計)為2408 MPa，抗拉強度為2576 MPa，而經(jīng)等溫鹽浴淬火試樣的屈服強度和抗拉強度分別為2540和2740 MPa，均高于真空氣淬。室溫條件下，等溫鹽浴淬火試樣的屈服強度比真空氣淬試樣提高了132 MPa，抗拉強度提高了164 MPa。在300 ℃條件下真空氣淬試樣的屈服強度為2073 MPa，抗拉強度為2410 MPa，而等溫鹽浴淬火試樣的屈服強度為2165 MPa，抗拉強度為2460 MPa，較真空氣淬試樣的屈服強度和抗拉強度分別提高了92 MPa和50 MPa。

表3 熱處理后8Cr4Mo4V鋼的強度(MPa)Table 3 Strength of the 8Cr4Mo4V steel after different heat treatments (MPa)

2.1.3 沖擊性能

經(jīng)真空氣淬+回火試樣的沖擊吸收能量見表4，真空氣淬8Cr4Mo4V鋼的沖擊吸收能量為9.8 J，而等溫鹽浴淬火試樣的沖擊吸收能量為14.4 J，較真空氣淬提高了46.9%。

表4 不同熱處理后8Cr4Mo4V鋼的沖擊吸收能量(J)Table 4 Impact absorbed energy of the 8Cr4Mo4V steel after different heat treatment (J)

2.1.4 旋轉彎曲疲勞極限強度

試樣的旋轉彎曲疲勞極限強度見圖3，其中空心圖標代表測試期間未達到1.0×107疲勞壽命，該條件下未能通過壽命測試。半空半實圖標代表疲勞壽命達到1.0×107，在該條件下通過壽命測試。真空淬火+回火后8Cr4Mo4V鋼的旋轉彎曲疲勞強度極限為860 MPa，而等溫鹽浴淬火后鋼的旋轉彎曲疲勞極限達到1050 MPa，提高幅度為22%。

圖3 不同熱處理后8Cr4Mo4V鋼的旋轉彎曲疲勞極限強度Fig.3 Rotational bending fatigue ultimate strength of the 8Cr4Mo4V steel after different heat treatments

2.1.5 摩擦磨損性能

測定兩種試樣的摩擦磨損質量損失情況如圖4所示，當采用真空氣淬處理時，磨損質量損失為2.83 mg，而采用等溫鹽浴淬火時磨損質量損失為1.76 mg，等溫鹽浴淬火試樣的耐摩擦磨損性能相比于真空氣淬有所提高。

圖4 不同熱處理后8Cr4Mo4V鋼的摩擦磨損質量損失Fig.4 Mass loss of friction and wear of the 8Cr4Mo4V steel after different heat treatments

2.2 微觀組織

經(jīng)真空氣淬+回火及等溫鹽浴淬火+回火處理試樣的微觀組織形貌如圖5所示。由圖5(a，b)可見，真空氣淬后鋼中組織主要為馬氏體+碳化物，經(jīng)回火處理后析出更多尺寸細小碳化物。由圖5(c，d)可見，等溫鹽浴淬火后鋼中存在一定數(shù)量的貝氏體，經(jīng)回火處理后鋼中析出的細小碳化物尺寸較真空氣淬尺寸增大。軸承中的殘留奧氏體是一種不穩(wěn)定相，有向馬氏體組織轉變的趨勢。當鋼中殘留奧氏體轉變?yōu)轳R氏體時，由于馬氏體的比容比奧氏體大，會導致軸承鋼尺寸變化，最終造成軸承的尺寸穩(wěn)定性降低[9]。因此，殘留奧氏體含量(體積分數(shù))對軸承鋼尺寸精度具有非常重要的影響。兩種工藝處理后鋼中殘留奧氏體含量如表5所示。真空氣淬處理后鋼中殘留奧氏體含量為20.60%，而等溫鹽浴淬火處理后鋼中殘留奧氏體含量為32.86%。經(jīng)回火處理后，兩種工藝處理后鋼中殘留奧氏體含量相當，均低于3%。

圖5 不同熱處理后8Cr4Mo4V鋼的顯微組織(a,b)真空氣淬；(c,d)等溫鹽浴淬火；(a,c)淬火態(tài)；(b,d)回火態(tài)Fig.5 Microstructure of the 8Cr4Mo4V steel after different heat treatments(a,b) vacuum gas quenching; (c,d) isothermal salt bath quenching; (a,c) as-quenched; (b,d) as-tempered

表5 不同熱處理后8Cr4Mo4V鋼中殘留奧氏體含量(體積分數(shù)，%)Table 5 Retained austenite content of the 8Cr4Mo4V steel after different heat treatments(volume fraction,%)

3 討論

3.1 兩種熱處理工藝對微觀組織的影響

8Cr4Mo4V鋼采用真空熱處理爐進行熱處理時，采用充入氮氣進行冷卻，雖然其冷卻速度比空冷條件要快，但與等溫鹽浴相比仍然慢很多。在真空氣淬條件下，從高溫冷卻至低溫過程中，鋼中的合金元素和碳元素在晶界具有較高的擴散能力，因此原奧氏體晶界位置更容易析出碳化物，經(jīng)腐蝕后該位置的碳化物脫落，導致真空氣淬后晶界特征明顯，如圖5(a)所示。由于8Cr4Mo4V鋼中的碳含量較高，因此其淬火形成的馬氏體為高碳隱晶馬氏體，在真空氣淬條件下馬氏體與殘留奧氏體混合在一起，難于區(qū)分。固溶處理后，鋼中仍存在未溶的球粒狀碳化物，其主要分布在晶粒內部，如圖5(a)箭頭所示。經(jīng)回火處理后，固溶于馬氏體中的過飽和碳元素和合金元素將以二次碳化物的形式在基體中析出，由于該碳化物需要重新形核，并發(fā)生短程擴散，因此析出的碳化物尺寸細小，分布彌散，如圖5(b)所示。

固溶處理后直接淬入200 ℃鹽浴中，鋼的冷卻速度較大，由高溫至200 ℃冷卻時間短，因此抑制了晶界碳化物的析出，所以經(jīng)等溫鹽浴淬火后試樣的晶界特征不明顯，如圖5(c)所示。經(jīng)等溫鹽浴淬火后，因其在200 ℃條件下進行保溫處理，而該溫度處于貝氏體形成溫區(qū)范圍內，促進了鋼中貝氏體的形成，形成的貝氏體主要以針狀為主，其形貌如圖5(c)所示，貝氏體的形成必然導致鋼中碳元素以貝氏體中碳化物的形式析出，因此經(jīng)200 ℃等溫2 h后，鋼中的細小碳化物析出數(shù)量增多，其形態(tài)如圖5(c)箭頭所示，降低了鋼基體中碳元素的含量。等溫鹽浴淬火后，在回火期間，鋼中已經(jīng)析出了部分細小貝氏體碳化物，因此回火期間析出的碳元素和合金元素將依附于原有碳化物析出，進而導致碳化物長大，如圖5(d)所示。

對圖5(b，d)中析出碳化物的統(tǒng)計分析表明，真空氣淬+回火后析出的二次碳化物平均顆粒尺寸為0.15 μm，而等溫鹽浴淬火+回火后析出碳化物平均顆粒尺寸為0.22 μm。等溫鹽浴淬火鋼經(jīng)多次回火處理使鋼中固溶的碳元素和合金元素更容易析出。進一步統(tǒng)計分析可知，真空氣淬+回火后鋼中二次析出碳化物數(shù)量占比為4.21%，而等溫鹽浴淬火+回火后鋼中二次析出碳化物數(shù)量占比為6.03%。因此經(jīng)過等溫鹽浴淬火+回火試樣中碳化物的析出數(shù)量及析出尺寸均高于真空氣淬試樣中碳化物的析出數(shù)量和析出尺寸。

3.2 兩種熱處理工藝對力學性能的影響

測定兩種工藝熱處理后8Cr4Mo4V鋼的力學性能表明，等溫鹽浴淬火具有更好的綜合力學性能。其硬度比真空氣淬處理的硬度高出1.5 HRC，這是因為等溫鹽浴淬火鋼中析出的碳化物更多，析出碳化物的尺寸更大，碳化物本身的硬度高于基體硬度，因此第二相對鋼起到的強化作用更大。大尺寸的第二相析出，同樣能夠提高鋼的耐摩擦性能，因此等溫鹽浴淬火鋼的耐摩擦磨損性能比真空氣淬鋼的要高。

8Cr4Mo4V鋼經(jīng)等溫鹽浴淬火處理后，其晶界析出的碳化物數(shù)量少，晶界弱化程度低，比真空氣淬鋼具有更高的強度，因此其拉伸性能和沖擊性能更好。

經(jīng)過等溫鹽浴淬火處理的8Cr4Mo4V鋼中析出的碳化物數(shù)量相比于真空氣淬中的更多，因此其基體中碳元素和合金元素含量會有所降低，這會提高基體的韌性和塑性水平，調整鋼中基體和碳化物之間，特別是基體與共晶碳化物之間的匹配關系，因此提高了鋼的旋轉彎曲疲勞極限強度。

4 結論

通過對8Cr4Mo4V鋼進行真空氣淬和等溫鹽浴淬火處理，對兩種工藝熱處理后鋼的微觀組織進行觀察，并測定鋼的力學性能，得出以下結論：

1) 真空氣淬處理主要獲得馬氏體組織，而等溫鹽浴淬火能夠獲得馬氏體+貝氏體混合組織，真空氣淬晶界有碳化物析出，經(jīng)腐蝕后晶界特征明顯，而等溫鹽浴淬火鋼的晶界特征不明顯。經(jīng)回火處理后，鋼中析出大量碳化物，真空氣淬+回火處理后鋼中析出碳化物尺寸小、數(shù)量少，而等溫鹽浴淬火+回火后鋼中析出碳化物尺寸大、數(shù)量多。

2) 測定兩種熱處理后鋼的硬度和耐磨性表明，等溫鹽浴淬火鋼的硬度為61.78 HRC，而真空氣淬鋼的硬度為60.28 HRC。等溫鹽浴淬火鋼的硬度提高了1.5 HRC，且耐摩擦磨損性能比真空氣淬鋼高。

3) 等溫鹽浴淬火鋼的力學性能較真空氣淬鋼有所提高，其中抗拉強度室溫下提高了164 MPa，高溫下提高了50 MPa。沖擊吸收能量由9.8 J提高到14.4 J，性能提高了46.9%，旋轉彎曲疲勞強度極限由860 MPa提高至1050 MPa，提高了22%。