熱處理工藝參數(shù)對G13Cr4Mo4Ni4V鋼晶粒度及性能的影響

杜姣婧，劉曉宇，付中元，童銳，張保魯

(中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

隨著國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)M50鋼在一些特殊工況下已無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對軸承韌性和抗沖擊等性能的要求。為適應(yīng)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的使用工況而新研制的G13Cr4Mo4Ni4V鋼具有較好的塑性、韌性以及優(yōu)良的化學(xué)熱處理性能，回火后使用溫度高達(dá)316 ℃，可在某些工況下取代M50鋼[1]。表面滲碳或滲氮后,G13Cr4Mo4Ni4V鋼表面壓應(yīng)力顯著升高，有利于提高工件表面的耐磨性及接觸疲勞壽命[2-3]。

晶粒度是材料的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，目前國內(nèi)對G13Cr4Mo4Ni4V鋼晶粒度評(píng)價(jià)與國外標(biāo)準(zhǔn)要求相近，心部晶粒度要求均為5級(jí)或更細(xì)。熱處理是改善鋼晶粒度和強(qiáng)韌化性能的重要工藝手段,而加熱速度、溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度等都是影響晶粒度及性能的參數(shù)[4-5]。鑒于G13Cr4Mo4Ni4V鋼材料熱處理性能對航空軸承使用壽命的影響，現(xiàn)研究不同的熱處理工藝參數(shù)對G13Cr4Mo4Ni4V鋼晶粒度、硬度和沖擊性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣及制備

材料的主要化學(xué)成分見表1。將棒料加工成15 mm×15 mm×20 mm的金相試樣40件，加工成10 mm×10 mm×55 mm的U形缺口沖擊試樣60件。

表1 G13Cr4Mo4Ni4V鋼原材料化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of raw materials of G13Cr4Mo4Ni4V steel

1.2 試驗(yàn)過程

采用BMI小型真空氣淬爐，升溫速率8 ℃/min，淬火前預(yù)熱溫度850 ℃，保溫40 min；淬火溫度分別為1 060，1 070，1 080，1 090，1 100 ℃，在每個(gè)淬火溫度分別保溫15，25，35，45 min；545 ℃×2 h進(jìn)行3次回火，每個(gè)工藝下的晶粒度及硬度試樣各1件/爐，沖擊試樣為3件/爐。采用金相顯微鏡、洛氏硬度計(jì)、沖擊試驗(yàn)機(jī)對熱處理后的試樣進(jìn)行晶粒度、硬度、沖擊功等檢測。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相組織及晶粒度

由于在相同溫度，不同保溫時(shí)間下，晶粒度隨淬火溫度的變化趨勢相同，且在晶粒度相近的情況下組織狀態(tài)相近，因此,只選擇不同淬火溫度，保溫時(shí)間為25 min試樣的晶粒度及組織狀態(tài)。由圖1可知：組織為低碳板條馬氏體，各金相照片中晶粒的晶界清晰可見；淬火保溫時(shí)間為25 min時(shí)，晶粒度由1 060 ℃時(shí)的7.0級(jí)逐漸降為1 100 ℃時(shí)的4.0級(jí)，在相同保溫時(shí)間下，隨著淬火溫度的升高，晶粒有明顯長大的趨勢。從熱處理組織變化機(jī)理上說，一般鋼在奧氏體化時(shí)，保溫時(shí)間短，鋼的碳化物來不及溶解，可為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變提供成分起伏，有利于晶粒細(xì)化，但奧氏體晶粒大小不均勻; 保溫時(shí)間長，奧氏體晶粒大小均勻，但晶粒相對粗大。

圖1 不同淬火溫度下試樣的金相組織Fig.1 Metallographic structure of samples under different quenching temperatures

不同淬火溫度下晶粒度隨保溫時(shí)間的變化和不同保溫時(shí)間下晶粒度隨淬火溫度的變化分別如圖2和圖3所示，由圖可知：隨著淬火溫度的升高，晶粒度級(jí)別降低，由1 060 ℃×15 min，1 060 ℃×25 min和1 070 ℃×15 min下的7.0級(jí)降為1 100 ℃×35 min和1 100 ℃×45 min下的3.5級(jí)；同一淬火溫度下隨著保溫時(shí)間的延長，晶粒度級(jí)別降低。

圖2 不同淬火溫度下晶粒度隨保溫時(shí)間的變化Fig.2 Changes of grain size with holding time under different quenching temperatures

圖3 不同保溫時(shí)間下晶粒度隨淬火溫度的變化Fig.3 Changes of grain size with quenching temperature under different holding times

2.2 硬度

不同淬火溫度下硬度隨保溫時(shí)間的變化和不同保溫時(shí)間下硬度隨淬火溫度的變化分別如圖4和圖5所示,由圖可知：同一淬火溫度下，隨著保溫時(shí)間的延長，硬度值變化不大，整體上看有降低趨勢；同一保溫時(shí)間下，隨著淬火溫度的升高，硬度呈上升趨勢，由最低的43.0 HRC(1 080 ℃×15 min)升為最高的47.0 HRC(1 100 ℃×35 min)。

圖4 不同淬火溫度下硬度隨保溫時(shí)間的變化Fig.4 Changes of hardness with holding time under different quenching temperatures

圖5 不同保溫時(shí)間下硬度隨淬火溫度的變化Fig.5 Changes of hardness with quenching temperature under different holding times

2.3 沖擊功

不同淬火溫度下沖擊功隨保溫時(shí)間的變化和不同保溫時(shí)間下沖擊功隨淬火溫度的變化分別如圖6和圖7所示，由圖可知：同一淬火溫度下，隨著保溫時(shí)間的延長，沖擊功整體呈現(xiàn)降低趨勢；同一保溫時(shí)間下，隨著淬火溫度的升高，沖擊功有明顯降低的趨勢，由1 080 ℃×15 min的55 J降為1 100 ℃×35 min的45 J。

圖6 不同淬火溫度下沖擊功隨保溫時(shí)間的變化Fig.6 Changes of impact energy with holding time under different quenching temperatures

圖7 不同保溫時(shí)間下沖擊功隨淬火溫度的變化Fig.7 Changes of impact energy with quenching temperature under different holding times

3 機(jī)理分析

試樣保溫時(shí)間短，奧氏體晶界沒有充分時(shí)間遷移，因而奧氏體晶粒大小不均勻；而隨著保溫時(shí)間的延長，奧氏體晶粒充分長大，在隨后的相變過程中得到相對均勻但較為粗大的組織[7-8];因此，在奧氏體化過程中選擇合適的保溫時(shí)間，可得到相對細(xì)化且均勻的組織。一般來講，隨著晶粒尺寸的減小，沖擊功有升高的趨勢。

馬氏體是一種不穩(wěn)定的過飽和固溶體，由于碳的存在,馬氏體晶格畸變大，同時(shí)在淬火過程中產(chǎn)生很多位錯(cuò)，使馬氏體的硬度保持在較高水平，而韌性和塑性卻非常差。馬氏體需通過回火改善其性能，改善程度由回火的參數(shù)和化學(xué)成分共同決定。淬火溫度升高，伴隨著殘余應(yīng)力的升高，回火后雖然可使鋼的淬火殘余應(yīng)力得到釋放并消除淬火造成的大量位錯(cuò)，但整體變化趨勢不會(huì)改變，因此沖擊功隨著淬火溫度的升高而呈現(xiàn)降低趨勢[9]。回火后，碳化物從馬氏體基體中析出，馬氏體中碳含量降低，其晶格畸變減小，對位錯(cuò)的阻礙作用變?nèi)酰矊?dǎo)致鋼變軟。硬度升高會(huì)導(dǎo)致塑性變形能力降低，在沖擊過程中，導(dǎo)致塑性變形吸收的能量減少。就整體試驗(yàn)結(jié)果看來，晶粒度和硬度等因素相互影響，導(dǎo)致沖擊功有一定的波動(dòng)。

4 結(jié)論

采用文中的熱處理工藝對G13Cr4Mo4Ni4V鋼進(jìn)行處理，得到以下結(jié)論：

1)隨著淬火溫度的升高和保溫時(shí)間的延長，晶粒度的級(jí)別有降低的趨勢。

2)隨著淬火溫度的升高和保溫時(shí)間的延長，硬度值有所升高，而沖擊功有降低趨勢。