Cr4Mo4V鋼球淬火產生混晶組織的原因與消除措施

高元安，葉健熠，王智勇，王鑫

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

Cr4Mo4V鋼是制造高溫軸承的主要鋼種之一。但在實際生產中經常遇到的問題是：Cr4Mo4V鋼球在淬火時通常會產生混晶組織，嚴重時會導致整批報廢，這不僅給廠家造成了巨大的經濟損失，更因為交貨期延長，給客戶造成了不好的影響。下文對Cr4Mo4V鋼球淬火產生混晶組織的原因及影響進行分析，并通過試驗給出了消除混晶組織的熱處理工藝。

1 混晶組織概念及產生原因

混晶組織是指材料的奧氏體晶粒有明顯的多種區域尺寸，每個區域尺寸的含量都較大且不可忽略。通俗點說就是混晶組織是金相組織中粗晶粒和細晶粒混雜的現象。在Cr4Mo4V鋼中，1～4級粗晶粒和5級以上細晶粒同時存在于金相視場中，可判定為混晶組織，如圖1和圖2所示。

圖1 混晶晶粒分布

圖2 混晶馬氏體組織

鋼材在熱加工過程中出現混晶組織對材料的力學性能、工藝性能及進一步的熱處理都有很大影響。尤其對于組織遺傳傾向比較大的鋼種(有資料認為混晶組織是由于組織遺傳造成的)，在鍛造或軋制后冷卻溫度和速度控制不好，如冷卻速度非常緩慢，就容易發生奧氏體再結晶，已經在鍛造中被細化的晶粒會發生異常長大形成混晶組織。

Cr4Mo4V高溫軸承鋼屬于高碳、高合金元素含量的鋼種，在冶金過程中易形成粗大的一次碳化物，從而造成碳化物分布不均勻。在加熱淬火時，二次碳化物稀少的部位，碳化物釘扎晶粒長大的作用變弱，使得奧氏體晶粒容易快速長大；二次碳化物相對密集的部位和一次碳化物帶上的晶粒長大比較緩慢，這就容易使Cr4Mo4V鋼產生混晶組織。由此可知，Cr4Mo4V鋼混晶組織產生原因主要是受一次碳化物不均勻的影響，在淬火后表現出來的結果。

2 混晶組織對性能的影響及其消除方法

Cr4Mo4V鋼的混晶組織主要影響其接觸疲勞壽命和沖擊韌性。其原因推斷為混晶組織中的馬氏體組織不均勻，在原粗大晶粒奧氏體內的馬氏體針粗大，往往超過熱處理標準規定的馬氏體組織要求。受載時，變形不協調，粗、細晶粒交界入或粗晶粒內首先形成裂紋，進而擴展導致整體性能下降。

無論Cr4Mo4V鋼的混晶組織是否由于組織遺傳或者碳化物分布不均勻所致，只要阻斷組織遺傳并使其中的二次碳化物分布進一步均勻化，就有可能消除其混晶組織。因此，在淬火后一旦發現Cr4Mo4V鋼出現了混晶組織，采取完全退火的方法就可以大大改善或基本消除其混晶組織。其原理是：(1)淬火后再次退火處理，使材料化學成分和碳化物的分布進一步均勻化；(2)經過相變重結晶的平衡組組織可破壞組織遺傳的可能性，為獲得良好的無混晶組織奠定基礎。

3 現行標準對該鋼混晶組織的要求

Cr4Mo4V鋼現行的材料標準有2個：(1)YB 688—1976《高溫軸承鋼Cr4Mo4V技術條件》，以該標準交付的Cr4Mo4V鋼材的冶煉方法為電渣重熔冶煉。由于該標準提出的年代較早，對該鋼的混晶組織的認識還不夠，故標準中對混晶組織沒有明確的條文要求；(2)YB 4105—2000《航空發動機用高溫軸承鋼》，以該標準交付的Cr4Mo4V鋼材的冶煉方法為雙真空冶煉。該標準對其晶粒度的均勻性提出了明確要求，即“鋼材的晶粒度為7級或更細，允許有不超過10%的5級以下的晶粒存在。”對最嚴重視場中的混晶晶粒所占面積有了明確與嚴格的要求。

在現行的熱處理質量控制標準 JB/T 2850—2007 《滾動軸承Cr4Mo4V高溫軸承鋼零件熱處理技術條件》中對該鋼淬、回火后的晶粒度同樣提出了明確要求，具體為“如組織晶粒度超過本標準第一級別圖中第4級的要求，應選其最嚴重視場，按GB/T 6394—2002中5.1a的規定，放大100倍進行觀察，5級以下晶粒度的晶粒超過該視場面積的15%為不合格”。這與YB 4105—2000標準的規定趨勢相一致，只是混晶所占的面積有所不同。

由此可見， 在現行最新的材料標準和熱處理質量控制標準中，Cr4Mo4V鋼的混晶組織或晶粒度的均勻性成為一項必須控制和檢驗的項目。

4 混晶組織消除及性能檢測對比實例

某公司采用Φ8 mm鋼絲沖壓制造的Φ9.5 mm Cr4Mo4V鋼球若干粒，熱處理淬、回火檢驗發現存在較為嚴重的混晶組織，為不合格產品。為減少損失，進行了大量的工藝探索試驗，最終成功消除了混晶組織。

4.1 鋼球用料的材質

按YB 688—1976標準進行檢驗與評定，Cr4Mo4V鋼化學成分檢測結果(質量分數)見表1，冶金質量見表2。

表1 Cr4Mo4V鋼化學成分 w,%

表2 Cr4Mo4V鋼冶金質量

由表可知，鋼球材料的化學成分和冶金質量均符合標準要求。

4.2 常見淬、回火處理

采用常規工藝在真空爐中加熱淬回、火，結果發現絕大多數鋼球均產生有混晶組織(11粒中有10粒存在混晶組織)，如圖3所示。存在混晶組織鋼球熱處理后的硬度及壓碎載荷檢驗結果見表3(本應與正常組織對比，但無法挑出同批次沒有混晶的完整鋼球作壓碎載荷對比試驗，故只能與消除混晶組織后的鋼球作對比)。

圖3 淬、回火后的鋼球混晶組織

表3 初次淬回火后硬度及壓碎載荷

4.3 返修處理

(1)返修前預處理。在真空爐中重新進行完全退火。

(2) 淬、回火處理。經過重新退火后的鋼球，在真空爐中淬火加熱，溫度較常規工藝低10～20 ℃，按常規工藝進行回火。檢驗發現混晶組織已基本消除，馬氏體組織正常且均勻，按標準檢驗為2～3級。圖4所示為退火后重新淬、回火的鋼球組織，硬度和壓碎載荷見表4。

圖4 退火后重新淬、回火的鋼球組織

表4 硬度及壓碎載荷

以上結果表明，返修后鋼球的金相組織、硬度和壓碎載荷均符合標準要求。與混晶組織試驗結果相比，鋼球的壓碎載荷值也明顯高于有混晶組織的壓碎載荷值。

5 結論

通過試驗獲得的混晶組織消除方法為：預處理(完全退火)+較低溫度淬火(比常規淬火低10～20 ℃)+常規回火。檢測結果表明,消除混晶組織后鋼球的壓碎載荷明顯提高;其他熱處理質量指標均符合現行標準的要求。