尺寸穩(wěn)定處理時(shí)8Cr4Mo4V軸承鋼的相變及其對(duì)尺寸變化的影響

王松，夏云志，于興福，趙開禮，馬欣新

(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) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；3．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

8Cr4Mo4V軸承鋼是一種綜合性能極佳的高合金鋼[1-2]，具有高疲勞壽命、高溫硬度、高強(qiáng)度和高韌性等優(yōu)點(diǎn)，400 ℃時(shí)的高溫硬度能保持58 HRC[3]，廣泛用于工作溫度316 ℃以下，dm·n值2.4×106mm·r/min以下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，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)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)軸承工作載荷越來(lái)越大，轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度越來(lái)越高,軸承服役壽命不足[4]已成為制約我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)一步提升的瓶頸。由于發(fā)動(dòng)機(jī)服役條件的苛刻限制，對(duì)高溫軸承材料的性能提出更高要求，即軸承零件滾動(dòng)接觸表面要有高硬度和耐磨性。

8Cr4Mo4V軸承鋼熱處理淬火后獲得的組織主要是馬氏體[3]，為獲得高溫硬度和高韌性，還需進(jìn)行高溫回火，通過(guò)二次碳化物的析出提高基體強(qiáng)度和韌性。零件中的馬氏體在高溫回火熱處理和服役期間會(huì)發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致零件尺寸變化，另外殘余奧氏體也會(huì)不斷轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，引起尺寸變化。

軸承是一種精密機(jī)械基礎(chǔ)件，內(nèi)、外圈尺寸精度直接影響軸承的安裝質(zhì)量和使用性能。如果8Cr4Mo4V軸承鋼的熱處理工藝不當(dāng)或熱處理工藝參數(shù)不合理，會(huì)導(dǎo)致軸承在存放和工作期間發(fā)生相變，從而引起尺寸變化，造成軸承在使用時(shí)出現(xiàn)早期失效[5-9]，所以需進(jìn)行穩(wěn)定處理。穩(wěn)定處理可使鋼中殘余奧氏體含量和淬火應(yīng)力降低[10-11]，使軸承在存放和使用期間尺寸變化程度降低，保證軸承精度[12]。為此，通過(guò)對(duì)8Cr4Mo4V軸承鋼進(jìn)行穩(wěn)定處理，分析穩(wěn)定處理期間的相變特征，并測(cè)量尺寸變化，了解穩(wěn)定處理對(duì)8Cr4Mo4V軸承鋼的相變及零件尺寸的影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為8Cr4Mo4V軸承鋼，初始狀態(tài)為退火態(tài)。

8Cr4Mo4V軸承鋼經(jīng)淬火后，未經(jīng)回火直接加工成φ5 mm×20 mm的試樣，用熱膨脹儀測(cè)定室溫至600 ℃的熱膨脹系數(shù)，分析相變對(duì)尺寸的影響。用差示掃描量熱儀(DSC)測(cè)試加熱期間的熱流變化，輔助分析相變規(guī)律，試樣尺寸為φ3 mm×1 mm。采用X射線衍射儀測(cè)量不同階段熱處理后鋼中殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)。

8Cr4Mo4V軸承鋼經(jīng)淬火和回火后加工成6個(gè)φ30 mm×20 mm的圓柱體試樣，端面研磨后在端面標(biāo)注尺寸測(cè)量點(diǎn)，然后進(jìn)行穩(wěn)定處理，并測(cè)量試樣尺寸。每次穩(wěn)定處理包括冷處理和熱處理2個(gè)階段(圖1)。在穩(wěn)定處理的不同階段采用分度值為0.2 μm的扭簧測(cè)微儀測(cè)量標(biāo)記處端面的尺寸。采用S-3400N型掃描電鏡觀察腐蝕后的組織形貌，腐蝕劑配比為乙醇100 mL+苦味酸2.5 g+鹽酸5 mL。

圖1 8Cr4Mo4V軸承鋼穩(wěn)定處理工藝曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理后及穩(wěn)定處理后的微觀組織

真空氣淬前退火態(tài)8Cr4Mo4V軸承鋼的組織形貌如圖2a所示，鋼中的碳化物主要為球形，最大直徑約1 μm，在基體中均勻分布。真空氣淬后的組織形貌如圖2b所示，晶粒尺寸均勻，最大晶粒尺寸小于20 μm。三次回火后獲得索氏體組織，同時(shí)有少量未溶碳化物和微量殘余奧氏體存在，組織形貌如圖2c所示。

圖2 不同熱處理狀態(tài)8Cr4Mo4V軸承鋼中的顯微組織形貌

經(jīng)三次穩(wěn)定處理后8Cr4Mo4V軸承鋼的微觀組織形貌如圖3所示。由圖可知，基體中存在白色細(xì)條狀組織，為回火過(guò)程中析出的二次碳化物，在析出碳化物的附近也存在一些殘余奧氏體組織，其顏色為淺灰色，亮度略低于白色析出碳化物。當(dāng)進(jìn)行一次穩(wěn)定處理后，殘余奧氏體含量減少，在基體中析出了細(xì)小的點(diǎn)狀碳化物相，隨穩(wěn)定處理次數(shù)的增加，點(diǎn)狀碳化物數(shù)量逐漸增多。

圖3 穩(wěn)定處理前后8Cr4Mo4V軸承鋼的微觀組織

2.2 熱處理不同階段鋼中殘余奧氏體的含量

熱處理不同階段8Cr4Mo4V軸承鋼中殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)見表1。淬火后鋼中殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)為18.5%，經(jīng)過(guò)550 ℃×2.5 h三次回火后，鋼中殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)為2.61%，然后經(jīng)過(guò)穩(wěn)定處理。由表1可以看出，隨著穩(wěn)定處理次數(shù)的增加，8Cr4Mo4V軸承鋼中殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)減少。

表1 不同熱處理?xiàng)l件下8Cr4Mo4V軸承鋼中的殘余奧氏體含量

2.3 回火期間相轉(zhuǎn)變及對(duì)尺寸的影響

淬火后未經(jīng)回火的8Cr4Mo4V軸承鋼由室溫至600 ℃升溫期間熱膨脹系數(shù)的變化規(guī)律如圖4所示。為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)定2個(gè)試樣，曲線1和2均為淬火后的升溫曲線。由圖可知，試樣在升溫期間尺寸變化規(guī)律相同，主要存在3個(gè)區(qū)間。區(qū)間Ⅰ為馬氏體中析出碳化物，即形成回火馬氏體過(guò)程，試樣尺寸和比容減??；區(qū)間Ⅱ?yàn)闅堄鄪W氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，試樣尺寸和比容增大；區(qū)間Ⅲ為馬氏體分解為鐵素體+滲碳體，試樣尺寸和比容減小。

圖4 淬火后8Cr4Mo4V軸承鋼升溫期間的熱膨脹系數(shù)變化

2.4 回火期間的相變溫度區(qū)間

淬火和回火狀態(tài)下8Cr4Mo4V軸承鋼升溫期間的熱流變化曲線如圖5所示。圖中虛線為淬火+三次回火鋼的曲線，實(shí)線為淬火鋼的曲線。區(qū)間Ⅰ的溫度為100～228 ℃，區(qū)間Ⅱ的溫度為228～328 ℃，區(qū)間Ⅲ的溫度為328～450 ℃。

圖5 加熱期間8Cr4Mo4V軸承鋼DSC曲線

綜合分析熱膨脹系數(shù)變化曲線和DSC熱流變化曲線，標(biāo)定出回火期間各相變發(fā)生的溫度區(qū)間，如圖6所示。各相變區(qū)間存在重合，區(qū)間Ⅰ為馬氏體中析出碳化物，形成回火馬氏體的過(guò)程，馬氏體回火除了在該溫度區(qū)間發(fā)生外，在更高的溫度仍然可能發(fā)生。區(qū)間Ⅱ?yàn)闅堄鄪W氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，試樣尺寸和比容均增大，區(qū)間Ⅱ與區(qū)間Ⅲ存在一定的重合區(qū)域。區(qū)間Ⅲ為馬氏體分解為鐵素體+滲碳體，試樣尺寸和比容均減小。

圖6 8Cr4Mo4V軸承鋼回火期間相變區(qū)間

2.5 穩(wěn)定處理對(duì)尺寸的影響

穩(wěn)定處理不同次數(shù)φ30 mm×20 mm的圓柱體尺寸變化平均值及尺寸變化率的分布分別如圖7、圖8所示。

圖7 8Cr4Mo4V軸承鋼穩(wěn)定處理次數(shù)的尺寸變化平均值

圖8 8Cr4Mo4V軸承鋼穩(wěn)定處理次數(shù)的尺寸變化率

由圖7可知，經(jīng)一次穩(wěn)定處理后，試樣尺寸縮小了8×10-5mm，說(shuō)明在一次穩(wěn)定熱處理期間，區(qū)間Ⅰ和區(qū)間Ⅲ的相變數(shù)量比例較大，體積減小，而體積增大的區(qū)間Ⅱ相變比例較小。二次穩(wěn)定處理后，試樣尺寸增大了18×10-5mm，說(shuō)明二次穩(wěn)定處理中，區(qū)間Ⅱ相變比例較大，體積增大，而區(qū)間Ⅰ和區(qū)間Ⅲ的相變比例較小。經(jīng)一次穩(wěn)定處理后，8Cr4Mo4V軸承鋼中的多數(shù)馬氏體已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變，而二次穩(wěn)定處理時(shí)鋼中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變已經(jīng)成為影響尺寸變化的主要因素。三次穩(wěn)定處理后，試樣尺寸增大了1.5×10-5mm，說(shuō)明鋼中的殘余奧氏體含量較少，在三次穩(wěn)定處理中相變所引起的尺寸變化較小。

由圖8可知，經(jīng)三次穩(wěn)定處理后，鋼的尺寸變化相對(duì)量在±5×10-5mm范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸變化的要求。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)8Cr4Mo4V軸承鋼穩(wěn)定處理期間尺寸的測(cè)定和相轉(zhuǎn)變分析，得到以下結(jié)論：

1)穩(wěn)定處理期間，馬氏體回火使8Cr4Mo4V軸承鋼尺寸減小，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變使鋼尺寸增大，馬氏體分解成鐵素體+滲碳體使鋼尺寸減小。

2)8Cr4Mo4V軸承鋼熱處理后的一次穩(wěn)定處理中，鋼中馬氏體回火及馬氏體分解比例較大，尺寸減小，高為20 mm圓柱試樣尺寸減小了8×10-5mm。二次穩(wěn)定處理中，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變比例較大，試樣尺寸增大18×10-5mm，經(jīng)三次穩(wěn)定處理后，試樣尺寸增大1.5×10-5mm，尺寸變化量較小，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。