軸承用8Cr4Mo4V鋼穩(wěn)定熱處理期間相轉(zhuǎn)變分析

夏云志 ，于興福 ，楊文武 ，劉 璐 ，魏英華 ，蘇 勇

（1.中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150500；2．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；3.沈陽(yáng)化工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110142）

0 引言

8Cr4Mo4V 鋼具有較高的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命，在高溫條件下的硬度、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能指標(biāo)優(yōu)異[1]，具有良好的綜合力學(xué)性能[2-3]，可應(yīng)用于工作溫度為150~300 ℃的航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的主軸軸承制造。隨著航空器的飛行速度不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比越來(lái)越大，軸承工作載荷增高，轉(zhuǎn)速增大，軸承服役溫度也越來(lái)越高。軸承在加工、存放和服役期間因亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變、殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致軸承零件尺寸發(fā)生變化，降低了軸承的加工尺寸精度和精度等級(jí)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致軸承服役壽命縮短，成為制約中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升的主要瓶頸之一[4]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承工作服役條件惡劣，要求軸承表面有高的硬度和耐磨性，因此軸承熱處理后主要為具有高的硬度和耐磨性的馬氏體或貝氏體組織，才能夠滿足軸承的使用要求。龔建勛等[2]采用真空氣體淬火的方式對(duì)8Cr4Mo4V 軸承鋼進(jìn)行熱處理，淬火后獲得的主要組織為馬氏體，為了使軸承鋼具有高硬度及高韌性，對(duì)8Cr4Mo4V 鋼進(jìn)行高溫回火，通過(guò)二次碳化物在回火期間的析出使軸承鋼韌化和強(qiáng)化；王松等[5-6]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)淬、回火處理后，在8Cr4Mo4V 鋼中仍然存在不穩(wěn)定的殘余奧氏體相，在后續(xù)的加工、存放和零件服役期間，殘余奧氏體會(huì)向馬氏體轉(zhuǎn)變，引起尺寸變化，奧氏體轉(zhuǎn)變成的馬氏體組織發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，析出碳化物，同樣會(huì)引起尺寸的變化；Hunkel[7]發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變僅受奧氏體穩(wěn)定化的影響；王順興等[8]發(fā)現(xiàn)軸承在存放和工作服役期間，軸承鋼內(nèi)發(fā)生的相變會(huì)引起尺寸的變化，導(dǎo)致軸承在使用時(shí)早期失效，從而降低軸承的使用安全性和使用壽命；李?lèi)?ài)民等[9]研究發(fā)現(xiàn)，軸承零件在存放及服役期間的尺寸穩(wěn)定性成為影響其能否正常使用以及服役壽命長(zhǎng)短的1 個(gè)主要因素；王金玲等[10]研究認(rèn)為，如果采用的熱處理工藝不當(dāng)或熱處理工藝參數(shù)不合理，都會(huì)導(dǎo)致8Cr4Mo4V 鋼軸承在存放和工作期間因發(fā)生相變而引起尺寸變化[11-12]，需要對(duì)軸承加工過(guò)程進(jìn)行穩(wěn)定處理使鋼中的殘余奧氏體含量減少，淬火應(yīng)力降低[13-14]，使軸承的尺寸變化率降低[15]，保證軸承的精度。但穩(wěn)定處理期間軸承鋼內(nèi)的相變特征及其對(duì)軸承尺寸變化的影響，仍需要深入探討和分析。

本文采用差熱掃描量熱儀（DSC）模擬8Cr4Mo4V軸承鋼的穩(wěn)定熱處理，測(cè)定穩(wěn)定處理期間因發(fā)生相變而導(dǎo)致的熱流變化，以確定8Cr4Mo4V 鋼在穩(wěn)定處理期間的相變特征。

1 試驗(yàn)材料與方法

樣品初始狀態(tài)為退火態(tài)的8Cr4Mo4V 鋼，采用真空淬火爐對(duì)其進(jìn)行熱處理，淬火后的試樣再進(jìn)行高溫回火處理。將經(jīng)過(guò)淬火和回火的樣品加工成Φ5×20的試樣，采用熱膨脹儀測(cè)定由室溫升溫至600 ℃期間的尺寸變化，用以分析確定回火轉(zhuǎn)變期間各相變發(fā)生的溫度區(qū)間。在淬火+回火處理的樣品上切取尺寸為Φ3×1 的試片，采用差熱掃描量熱儀（Differential Scanning Calorimeter，DSC）測(cè)定由室溫至600 ℃升溫期間的熱流變化特征，從而確定回火處理后，鋼中仍然存在的相變及溫度范圍。DSC 具備精確控溫進(jìn)行熱處理和冷處理能力，通過(guò)測(cè)定熱流變化確定相變特征。為了分析連續(xù)穩(wěn)定處理?xiàng)l件下鋼中相的轉(zhuǎn)變特征，采用DSC進(jìn)行穩(wěn)定處理，其升溫、降溫條件與常規(guī)穩(wěn)定熱處理一致。8Cr4Mo4V鋼的熱處理工藝流程如圖1 所示。經(jīng)熱處理后，取部分試樣進(jìn)行穩(wěn)定化處理。將經(jīng)過(guò)穩(wěn)定處理后的試樣，采用熱膨脹儀測(cè)量升溫期間的相變特征，用以確定穩(wěn)定處理效果。采用S-3400N 型掃描電鏡觀察鋼中的組織狀態(tài)，組織觀察用腐蝕劑的配比為：C?H?OH 100 ml+（NO2）3C6H2OH 2.5g+HCl 5 ml。

圖1 熱處理工藝流程

2 試驗(yàn)分析

2.1 8Cr4Mo4V鋼的相變區(qū)間及其尺寸變化特征

采用熱膨脹儀測(cè)定淬火處理后8Cr4Mo4V 鋼，回火期間的熱膨脹系數(shù)如圖2 所示。將熱膨脹曲線的尺寸變化特征和加熱期間DSC 曲線中所反映的相變期間的熱晗變化特征[5]相結(jié)合，可以精確確定鋼中相變發(fā)生的溫度范圍。綜合分析后，確定淬火后的8Cr4Mo4V 鋼在升溫過(guò)程中主要存在3 個(gè)相變區(qū)間，其中，區(qū)間I 起始溫度為132 ℃左右，結(jié)束溫度為243 ℃左右，為馬氏體中析出碳化物，即馬氏體發(fā)生回火轉(zhuǎn)變形成回火馬氏體的過(guò)程，馬氏體由正方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄Ц馵16]，比容降低，尺寸減?。划?dāng)溫度超過(guò)215 ℃時(shí)，為第II相變區(qū)間，鋼中的殘余奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，從而引起體積的增大，從圖中可見(jiàn)，I區(qū)間，即馬氏體的回火轉(zhuǎn)變區(qū)間，與第II相變區(qū)間，即殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變區(qū)間存在搭接區(qū)。第II 區(qū)間的起始溫度為215 ℃左右，結(jié)束溫度為303 ℃左右，區(qū)間II為殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，比容增大，尺寸增大。而第III區(qū)間為馬氏體分解為鐵素體+碳化物，區(qū)間III的起始溫度為278 ℃，結(jié)束溫度為420 ℃左右，比容減小，尺寸降低，區(qū)間II與區(qū)間III之間也存在搭接區(qū)。

圖2 回火期間8Cr4Mo4V鋼的熱膨脹系數(shù)

2.2 8Cr4Mo4V鋼穩(wěn)定處理后相變溫度及相變特征

2.2.1 升溫過(guò)程中相變溫度

8Cr4Mo4V 鋼經(jīng)淬火+3 次高溫回火后，相變引起的尺寸變化特別微小，采用熱膨脹儀已經(jīng)難以測(cè)定出明顯的相變溫度及相變區(qū)間特征，因此需要采用具有更高精度的差熱分析儀來(lái)測(cè)定。采用DSC1型差熱分析儀，測(cè)定出經(jīng)3 次高溫回火后的8Cr4Mo4V 鋼由室溫升高至600 ℃期間的相變特征，如圖3所示。

圖3 經(jīng)3次高溫回火后8Cr4Mo4V鋼升溫期間的相變特征

區(qū)間I 為馬氏體回火轉(zhuǎn)變，在曲線上能夠看到明顯的熱流變化，區(qū)間II為殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體轉(zhuǎn)變，由于鋼中殘余奧氏體含量較少（≤3%），因此試樣中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變未在熱流曲線上有明顯的熱流變化特征，而區(qū)間III 為馬氏體分解為鐵素體+碳化物，存在明顯的熱流變化特征，轉(zhuǎn)變的峰值溫度為377 ℃。

2.2.2 穩(wěn)定處理對(duì)相變的影響

通過(guò)對(duì)圖3 熱流變化曲線的分析，可以確定8Cr4Mo4V鋼穩(wěn)定處理加熱溫度應(yīng)該在377 ℃以上，由于DSC設(shè)備能力的限制，冷處理選用的溫度為-20 ℃。采用差熱分析儀模擬回火后的8Cr4Mo4V 鋼穩(wěn)定熱處理過(guò)程，其熱流變化曲線如圖4（a）所示。

圖4 穩(wěn)定處理期間的熱流變化情況

模擬穩(wěn)定處理期間，第1 次穩(wěn)定處理升溫過(guò)程和第2 次穩(wěn)定處理升溫過(guò)程數(shù)據(jù)單獨(dú)取出后進(jìn)行比較，如圖4（b）所示。

首次升溫過(guò)程中，在202、255、315 和386 ℃存在相變反應(yīng)峰，其中386 ℃峰位相變轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度為396 ℃。對(duì)應(yīng)的相變區(qū)間分別為馬氏體回火轉(zhuǎn)變區(qū)間、殘余奧氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間和馬氏體分解為鐵素體+碳化物區(qū)間。而第2 次升溫期間，各溫度相變產(chǎn)生的熱流峰值降低，甚至消失，只有在386 ℃附近存在1個(gè)明顯的相變峰，且相變溫度與第1 次升溫相比有所降低，說(shuō)明在第2次穩(wěn)定處理期間第III區(qū)間的相變?nèi)匀挥邪l(fā)生。在第1 次穩(wěn)定處理階段保溫期間各個(gè)區(qū)間的熱流曲線逐漸上升，說(shuō)明有相變?cè)谶B續(xù)的進(jìn)行，而在溫度處理的第2 階段，曲線上升幅度減小，說(shuō)明相變的轉(zhuǎn)變量較小。

采用差熱掃描量熱儀對(duì)經(jīng)過(guò)淬火+高溫回火的8Cr4Mo4V軸承鋼進(jìn)行穩(wěn)定處理，穩(wěn)定處理不同次數(shù)。穩(wěn)定熱處理后再升溫期間的熱流變化特征如圖5所示。

按照回火后升溫確定的各個(gè)相變區(qū)間，對(duì)其相變特征進(jìn)行分析?；鼗鸷蟮?Cr4Mo4V 鋼的相變區(qū)間仍然位于相對(duì)應(yīng)的區(qū)間段內(nèi)。經(jīng)1 次穩(wěn)定處理后，8Cr4Mo4V 鋼仍然發(fā)生馬氏體回火轉(zhuǎn)變，但是轉(zhuǎn)變溫度與回火后相比，溫度升高，其發(fā)生的溫度范圍已經(jīng)進(jìn)入第II 區(qū)間范圍。而第III 區(qū)間發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+碳化物的溫度提高至400 ℃以上。經(jīng)2 次穩(wěn)定處理后，仍然存在馬氏體回火轉(zhuǎn)變，但是轉(zhuǎn)變溫度升高，轉(zhuǎn)變發(fā)生在了第III 區(qū)間范圍內(nèi)。而原在第III 階段發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+碳化物的溫度提高至450 ℃以上。經(jīng)3 次穩(wěn)定處理后，馬氏體回火轉(zhuǎn)變已經(jīng)非常的少，看不到明顯的峰值存在，而原在第III 階段發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+碳化物的相變，也已經(jīng)看不到尖銳的轉(zhuǎn)變峰值特征，但是仍然存在轉(zhuǎn)變特征。

3 討論

3.1 穩(wěn)定處理對(duì)8Cr4Mo4V鋼微觀組織的影響

8Cr4Mo4V鋼經(jīng)不同次數(shù)穩(wěn)定處理后的微觀組織形貌如圖6 所示。從圖中可見(jiàn)，隨著穩(wěn)定次數(shù)的增加，鋼中析出的顆粒狀碳化物數(shù)量增加。這主要是由于馬氏體回火及馬氏體分解形成顆粒狀碳化物，隨著穩(wěn)定次數(shù)的增加，顆粒狀碳化物數(shù)量增多。

圖6 穩(wěn)定處理不同次數(shù)的組織形貌

在穩(wěn)定處理期間，首先發(fā)生的是馬氏體回火轉(zhuǎn)變，馬氏體分解出ε 碳化物，該碳化物的主要成分為Fe2.4C，由于溫度低，合金元素難于擴(kuò)散因此還不能形成合金碳化物（Fe，Cr，Mo，V）3C。隨著穩(wěn)定化處理溫度的提高，當(dāng)溫度高于300 ℃以上時(shí)，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+合金滲碳體的轉(zhuǎn)變，由馬氏體基體中析出合金滲碳體（Fe，Cr，Mo，V）3C，此時(shí)基體中碳含量降低，析出α-Fe組織，即分解為鐵素體+合金滲碳體，隨著溫度的進(jìn)一步提高，合金滲碳體將再次析出（Mo，V）C顆粒狀碳化物，因此隨著穩(wěn)定次數(shù)的增加，合金中析出的碳化物數(shù)量也會(huì)增多。

3.2 穩(wěn)定處理對(duì)相穩(wěn)定性的影響因素分析

從圖5 中可見(jiàn)，鋼中相變溫度逐漸升高，表明鋼中相的穩(wěn)定性增強(qiáng)。鋼在穩(wěn)定處理期間，主要發(fā)生的是馬氏體回火轉(zhuǎn)變、殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，以及馬氏體分解為鐵素體和碳化物的過(guò)程。第1 次穩(wěn)定處理期間，會(huì)有部分馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，體積減小，因此會(huì)導(dǎo)致微觀局部?jī)?nèi)應(yīng)力由壓應(yīng)力向著拉應(yīng)力的轉(zhuǎn)變，應(yīng)力大小和應(yīng)力狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，有利于奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，因此隨著溫度升高，殘余奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，另外隨著溫度升高馬氏體將進(jìn)一步分解為鐵素體+碳化物。在1 次穩(wěn)定處理期間，由殘余奧氏體新形成的馬氏體，將在2 次穩(wěn)定處理中發(fā)生回火及分解轉(zhuǎn)變。而在2 次穩(wěn)定處理期間，由于新形成的馬氏體數(shù)量相比于第1 次穩(wěn)定處理數(shù)量減少，且馬氏體的穩(wěn)定性與上一次穩(wěn)定階段獲得的馬氏體相比更高，因此其分解溫度將比1 次穩(wěn)定處理要高，同時(shí)因?yàn)榛w鋼中碳元素含量的降低及碳化物再次形成合金碳化物需要長(zhǎng)程擴(kuò)散才能完成碳化物的析出，因此需要更高的溫度來(lái)滿足碳元素的長(zhǎng)程擴(kuò)散，導(dǎo)致了碳化物的析出溫度提高。因此，隨著穩(wěn)定處理次數(shù)的增高，鋼中的馬氏體回火溫度、碳化物析出溫度均將有所提高。當(dāng)穩(wěn)定處理進(jìn)行，3 次以后，殘余奧氏體數(shù)量降低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)變成馬氏體數(shù)量減少，因此能夠發(fā)生馬氏體分解的相數(shù)量很少，幾乎觀察不到相變特征，而合金碳化物的析出受合金元素?cái)U(kuò)散控制，因此在3 次穩(wěn)定熱處理后仍然會(huì)析出，但是其析出溫度已經(jīng)高于500 ℃。

4 結(jié)論

（1）8Cr4Mo4V 鋼經(jīng)淬火處理后升溫時(shí)馬氏體回火相變溫度區(qū)間為132~243 ℃，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間為215~303 ℃，馬氏體分解為鐵素體+碳化物的溫度區(qū)間為278~420 ℃；

（2）采用穩(wěn)定處理時(shí)，隨著穩(wěn)定處理次數(shù)的增加，鋼中的馬氏體回火溫度及馬氏體分解為鐵素體+碳化物的溫度逐漸升高，隨著穩(wěn)定次數(shù)的增加鋼中相的穩(wěn)定性增加，進(jìn)行3 次穩(wěn)定處理后，鋼中相變溫度達(dá)到400 ℃以上；

（3）微觀組織觀察表明，隨著穩(wěn)定次數(shù)的增加，鋼中析出的碳化物數(shù)量增多。