8Cr4Mo4Ni4V航空軸承鋼高溫奧氏體晶粒長大的數學模型

蔡 欣，孫明月，王 衛，康秀紅，李殿中

(中國科學院金屬研究所 沈陽材料科學國家(聯合)實驗室,沈陽 110016)

8Cr4Mo4Ni4V軸承鋼主要應用于航空發動機關鍵零件，其力學性能直接關系到航空發動機的工作穩定性和可靠性。目前，國內外學者廣泛研究了熱處理工藝對8Cr4Mo4Ni4V軸承鋼顯微組織和材料力學行為的影響，重點關注了碳化物的析出行為對高溫疲勞性能的影響規律并進行了磨損、腐蝕等性能方面的評價，對其失效機理進行了深入探討。如王燕等研究了熱處理工藝對Cr4Mo4V軸承鋼組織的影響，發現高溫軸承鋼中殘留的分布不均勻的大顆粒碳化物將顯著影響性能，經過熱變形進行組織和晶粒的均質化可以改善碳化物的分布與大小[1]。Mukhopadhyay等對M50軸承鋼的磨損性能進行了研究，結果發現可以通過動態再結晶來提高其耐磨性[2]。Sun等研究了等溫壓縮下軸承鋼的高溫行為，結果表明奧氏體晶粒的動態再結晶將導致晶粒的細化，而微細碳化物的存在將抑制再結晶的發生[3]。然而，目前工程上因粗晶、混晶導致軸承鋼早期失效的案例屢見不鮮，這主要是由于軸承環等鍛件在熱加工過程必須經歷多火次鍛造、軋制等工序，加熱制度對最終的晶粒度具有決定性的作用。而前人也研究了晶粒尺寸對材料性能的影響[4-5]，結果表明，對于鋼來說，細小的奧氏體晶粒對提高鋼的綜合力學性能具有促進作用。但是對8Cr4Mo4Ni4V軸承鋼的晶粒長大研究卻鮮有報道；因此，迫切需要對該鋼種的高溫晶粒長大規律開展研究。對于普通碳鋼和常見低合金鋼，國內外學者根據不同的鋼種建立了不同的晶粒長大模型[6-8]，然而這些模型大多未考慮碳化物對晶粒長大的影響，因此難以直接預測8Cr4Mo4Ni4V鋼的高溫晶粒演化過程。本工作運用熱膨脹儀進行不同溫度下的奧氏體等溫保溫實驗并在經典的奧氏體晶粒長大規律模型基礎上，通過線性回歸分析建立8Cr4Mo4Ni4V軸承鋼在不同加熱溫度和保溫時間下的晶粒長大模型，旨為企業生產8Cr4Mo4Ni4V軸承鋼提供鍛造與熱處理過程的加熱制度指導。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為鍛態8Cr4Mo4Ni4V軸承鋼，其化學成分如表1所示。

表1 實驗用鋼的化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical compositions of the experimental steels (mass fraction/%)

1.2 實驗方法

實驗鋼初始組織為鍛態，將實驗鋼加工成尺寸為φ3mm×10mm的熱膨脹試樣。利用L78 RITA熱膨脹儀將試樣以10℃/s的速率分別加熱到1000,1050,1100,1200,1250℃，并各自保溫15,30min,1,2,4h后再以10℃/s的速率冷卻到室溫，之后對試樣進行粗磨、粗拋和細拋，用過飽和苦味酸水溶液在65℃水浴鍋中煮30s，以顯示奧氏體晶界。在金相顯微鏡下進行組織觀察，并利用Sisc IAS8金相分析軟件，采用截點法測定奧氏體平均晶粒尺寸。

2 實驗結果與分析

2.1 加熱溫度對奧氏體晶粒尺寸的影響

8Cr4Mo4Ni4V軸承鋼在不同加熱溫度和保溫時間下的奧氏體平均晶粒尺寸如表2所示，其中不同加熱溫度與奧氏體晶粒平均尺寸的關系曲線如圖1所示。

從圖1可以看出：在相同的保溫時間下，隨著加熱溫度的上升，晶粒長大速率不斷增加，當溫度低于1100℃時，晶粒長大速率較小，基本呈線性關系；當溫度高于1100℃時，晶粒長大速率急劇加快，呈拋物線關系。

圖2為8Cr4Mo4Ni4V鋼在不同的加熱溫度下保溫60min的奧氏體晶粒形貌。從圖2可以看出：1000℃和1050℃時晶粒較細小，晶界彎曲，且晶界形貌幾乎不隨加熱溫度變化；1100℃時相對于低溫來說部分晶粒開始長大，但并不明顯。加熱到1150℃時晶粒迅速長大，此時晶界已經趨于平直，除局部還存在少量相對較小的晶粒外，絕大部分晶粒開始粗化；繼續升高加熱溫度到1200℃，晶界最終基本平直且相鄰夾角基本成120°，晶粒完全粗化。從奧氏體晶粒長大的熱力學和動力學分析可知，晶粒的長大與晶界遷移的難易程度有關[9-10]，在一定的外部條件下，驅動力是晶界遷移的主要原因，而該驅動力與第二相粒子的晶界釘扎效應及原子的活動能力有關。加熱溫度升高時，一方面，金屬原子的活動能力增加，即驅動力增加，晶界遷移速率加快，進而促進奧氏體晶粒長大;另一方面，隨著加熱溫度的升高，第二相粒子不斷溶解，釘扎作用逐漸減弱。對8Cr4Mo4Ni4V軸承鋼來說，添加的大量合金元素Cr,Mo,V等在鋼中可形成碳化物，氮化物和碳氮化物，并作為第二相粒子彌散均勻分布在基體中[11]。圖3和圖4分別為掃描電鏡下觀察到的晶界形貌與能譜分析結果，當溫度低于1100℃時，大量細小的第二相粒子和少量大塊碳化物粒子在晶界與晶內析出，其中細小的粒子主要是M23C6型的碳化物，大尺寸粒子主要是一次碳化物，這些析出粒子對晶界的遷移具有強烈的釘扎作用，晶粒長大非常緩慢。隨著溫度升高，M23C6型的碳化物最先溶解，細小的第二相粒子數量不斷減少，Cr，V 碳化物可以相對穩定地存在于基體中，根據文獻報道[12-13]鋼中碳化物在不同溫度下的吉布斯自由能如表3所示。當加熱到1050℃時，晶內和晶界處的第二相粒子已經很少，此時對晶界的釘扎效應減弱，晶粒有長大的趨勢，如圖3(b)所示。當加熱溫度升高到1150℃，Mo2C,MoC型碳化物大量溶解在基體中，此時晶內和晶界處主要為大塊的一次碳化物，在鋼的加熱過程中不易溶解[14]，由于其尺寸較大，對晶界的釘扎作用較弱，此時晶粒開始迅速長大，如圖2(d)所示，當加熱到1200℃以上時，第二相粒子基本全部溶解，只有少量一次碳化物仍殘留在晶界，對奧氏體晶界長大的釘扎效應幾乎消失，晶粒粗化嚴重，如圖2(e),(f)所示。

表2 8Cr4Mo4Ni4V鋼不同加熱溫度和保溫時間下奧氏體平均晶粒尺寸(μm)Table 2 Average grain size (μm) of 8Cr4Mo4Ni4V steel at different heating temperatures and holding time

圖1 加熱溫度對8Cr4Mo4Ni4V 鋼奧氏體晶粒平均尺寸的影響Fig.1 Effect of heating temperatures on austenitic average grain size of 8Cr4Mo4Ni4V steel

圖2 8Cr4Mo4Ni4V鋼在不同溫度下保溫60min后的奧氏體晶粒形貌(a)1000℃;(b)1050℃;(c)1100℃;(d)1150℃;(e)1200℃;(f)1250℃Fig.2 Original austenite grain morphologies of 8Cr4Mo4Ni4V steel at different temperatures for 60min(a)1000℃;(b)1050℃;(c)1100℃;(d)1150℃;(e)1200℃;(f)1250℃

2.2 保溫時間對奧氏體晶粒尺寸的影響

圖5為在一定加熱溫度下，不同保溫時間與奧氏體晶粒平均尺寸的關系曲線。可以看出，當加熱溫度較低時，保溫時間對奧氏體晶粒的長大幾乎沒有影響；當溫度高于1150℃時，奧氏體晶粒尺寸隨保溫時間的延長而迅速增大。

圖6為加熱溫度為1100℃時，保溫不同時間獲得的8Cr4Mo4Ni4V鋼奧氏體晶粒形貌圖。可以看出，實驗鋼在保溫15～120min時，晶粒細小且晶界彎曲，奧氏體晶粒尺寸變化不大；當保溫240min時，晶粒尺寸迅速增大，且晶界變得平直。一般來說，保溫時間越長，合金元素擴散得越充分晶粒長大越明顯。在低溫區，延長保溫時間，一方面金屬原子活動能力影響不明顯，晶粒長大所需的驅動力增加也不明顯；另一方面，第二相粒子在低溫區的釘扎效果仍占主導地位，并不隨保溫時間的延長而明顯降低，如圖6(a)～(d)所示。只有在長時間保溫的情況下，才能表現出明顯的晶界遷移。當溫度升高時，在奧氏體晶粒急劇長大的溫度條件下，保溫時間對晶粒長大的影響不可忽視，此時原子的活動能力大幅提高，隨保溫時間的延長，驅動力增幅加大，晶界在這種驅動力下遷移率不斷上升，同時第二相粒子不斷溶解，釘扎效應不斷減弱，表現為奧氏體晶粒尺寸隨保溫時間的延長而顯著增大。

圖3 8Cr4Mo4Ni4V鋼在不同溫度下保溫60min后的SEM形貌(a)1000℃;(b)1050℃;(c)1100℃;(d)1150℃;(e)1200℃;(f)1250℃Fig.3 SEM morphologies of 8Cr4Mo4Ni4V steel at different temperatures for 60min(a)1000℃;(b)1050℃;(c)1100℃;(d)1150℃;(e)1200℃;(f)1250℃

圖4 8Cr4Mo4Ni4V鋼在不同溫度下保溫60min后的碳化物能譜分析(a)A點，1000℃；(b)B點，1000℃；(c)C點，1050℃；(d)D點，1050℃；(e)E點，1100℃；(f)F點，1100℃；(g)G點，1150℃；(h)H點，1200℃；(i)I點，1250℃Fig.4 Energy spectra of carbides of 8Cr4Mo4Ni4V steel at different temperatures for 60min (a)point A,1000℃;(b)point B,1000℃;(c)point C,1050℃;(d)point D,1050℃;(e)point E,1100℃;(f)point F,1100℃;(g)point G,1150℃;(h)point H,1200℃;(i)point I,1250℃

Type of carbidesGibbs free energy/(kJ·mol-1)Temperature/℃960100010401080Cr23C6ΔG0=-98300-9.21T-109.700-110.000-110.400-110.800Cr7C3ΔG0=-45100-4.43T-50.560-50.740-50.920-51.100Cr3C2ΔG0=-21500-4.11T-26.570-26.730-26.900-27.070VCΔG0=-24100+1.5T-22.250-22.190-22.130-22.070Mo2CΔG0=15800-26.0T-16.260-17.300-18.340-19.380MoCΔG0=9700-14.01T-7.576-8.137-8.697-9.258WCΔG0=-9000+0.4T-8.507-8.491-8.475-8.459

圖5 不同溫度下保溫時間對奧氏體晶粒平均尺寸的影響Fig.5 Effect of holding time on average grain size at different temperatures

2.3 晶粒長大模型的建立

晶粒尺寸是熱加工過程中重要的控制因素，對后續性能的提高有著至關重要的作用，因此有必要建立奧氏體晶粒長大模型。從熱力學和動力學方面分析，采用以下模型形式[15]進行描述：

(1)

式中：D為晶粒平均尺寸，μm;t為保溫時間,s；Q為晶粒長大激活能，J/mol；R為氣體常數，數值為8.314J/mol；T為熱力學溫度，K;A和n分別為與材料有關的常數。對式(1)兩邊取對數后可得到式(2)。

圖6 8Cr4Mo4Ni4V鋼1100℃時保溫不同時間的奧氏體晶粒形貌 (a)15min;(b)30min;(c)60min;(d)120min;(e)240minFig.6 Original austenite grain morphologies of 8Cr4Mo4Ni4V steel at 1100℃ for different time(a)15min;(b)30min;(c)60min;(d)120min;(e)240min

(2)

將實驗所得的數據代入上述方程進行線性回歸處理，得到lnD-lnt與lnD-1/T的關系曲線，如圖7所示。由圖7可見：線性回歸后的高溫擬合曲線整體上偏離較大，說明若用同一個模型數據建立保溫時間和加熱溫度之間的關系準確性不高。根據上述分析，為提高模型預測精度，綜合考慮，將加熱溫度分為低溫區和高溫區，保溫時間分為15～120min和120～240min兩個時間區間，以此來建立模型，求出模型參數。由此獲得的lnD-lnt與lnD-1/T關系曲線如圖8所示。該模型曲線能夠很好地反映加熱溫度和保溫時間與晶粒尺寸之間的關系。從該關系曲線中可以看出，8Cr4Mo4Ni4V鋼的粗化溫度為1150℃，粗化時間為120min。

圖7 奧氏體晶粒尺寸與加熱溫度和保溫時間之間的關系 (a)lnD-lnt;(b)lnD-1/TFig.7 Relationships between austenite grain size and heating temperature,holding time(a)lnD-lnt;(b)lnD-1/T

圖8 修正后的奧氏體晶粒尺寸與加熱溫度和保溫時間之間的關系 (a)lnD-lnt;(b)lnD-1/TFig.8 Relationships between austenite grain size and heating temperature,holding time after modification(a)lnD-lnt;(b)lnD-1/T

即當T<1100℃時，經線性回歸得n=0.12，A=137，Q=38353J/mol。所得的模型為

(3)

當T≥1100℃時，根據不同的保溫時間，得到的模型參數也不同，當t≤120min時，根據與上述線性回歸求n,A,Q值的方法求得n=0.26，A=8.24×109，Q=257390J/mol。

(4)

同理：當t>120min時，n=1.49，A=2.3×109，Q=373281J/mol。

(5)

2.4 晶粒長大模型的計算和工程驗證

將計算模型得到的計算值和實驗過程中得到的實測值進行比較，結果如圖9所示，可以看出計算值和實測值基本吻合，說明該模型對預測8Cr4Mo4Ni4V鋼奧氏體晶粒長大規律具有較高的準確性。

圖9 8Cr4Mo4Ni4V鋼奧氏體晶粒尺寸計算值和實測值對比Fig.9 Comparison of the calculation with the experimental austenite grain size in 8Cr4Mo4Ni4V steel

3 結論

(1)溫度較低時，晶粒尺寸變化不大，加熱到一定溫度時，晶粒尺寸急劇長大，得出8Cr4Mo4Ni4V軸承鋼的粗化溫度為1150℃。

(2)在低溫區，奧氏體晶粒尺寸隨保溫時間的延長變化不大，在高溫區，晶粒尺寸隨保溫時間的延長急劇增大，得出8Cr4Mo4Ni4V軸承鋼的粗化時間為120min。

(3)建立了8Cr4Mo4Ni4V軸承鋼的晶粒長大模型，當溫度低于1100℃時，晶粒長大動力學指數n值為0.12，當溫度高于1100℃時，n值隨保溫時間的延長而增大。該模型能較準確地預測鍛造過程中奧氏體晶粒的長大行為。