熱處理工藝參數對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

(中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

隨著國內航空發動機研制技術的發展，傳統M50鋼在一些特殊工況下已無法滿足發動機對軸承韌性和抗沖擊等性能的要求。為適應航空渦輪發動機的使用工況而新研制的G13Cr4Mo4Ni4V鋼具有較好的塑性、韌性以及優良的化學熱處理性能，回火后使用溫度高達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價指標，目前國內對G13Cr4Mo4Ni4V鋼晶粒度評價與國外標準要求相近，心部晶粒度要求均為5級或更細。熱處理是改善鋼晶粒度和強韌化性能的重要工藝手段,而加熱速度、溫度、保溫時間和冷卻速度等都是影響晶粒度及性能的參數[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，現研究不同的熱處理工藝參數對G13Cr4Mo4Ni4V鋼晶粒度、硬度和沖擊性能的影響。

1 試驗

1.1 試樣及制備

材料的主要化學成分見表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鋼原材料化學成分Tab.1 Chemical composition of raw materials of G13Cr4Mo4Ni4V steel

1.2 試驗過程

采用BMI小型真空氣淬爐，升溫速率8 ℃/min，淬火前預熱溫度850 ℃，保溫40 min；淬火溫度分別為1 060，1 070，1 080，1 090，1 100 ℃，在每個淬火溫度分別保溫15，25，35，45 min；545 ℃×2 h進行3次回火，每個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、沖擊試驗機對熱處理后的試樣進行晶粒度、硬度、沖擊功等檢測。

2 試驗結果

2.1 金相組織及晶粒度

由于在相同溫度，不同保溫時間下，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相近，因此,只選擇不同淬火溫度，保溫時間為25 min試樣的晶粒度及組織狀態。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；淬火保溫時間為25 min時，晶粒度由1 060 ℃時的7.0級逐漸降為1 100 ℃時的4.0級，在相同保溫時間下，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理上說，一般鋼在奧氏體化時，保溫時間短，鋼的碳化物來不及溶解，可為過冷奧氏體轉變提供成分起伏，有利于晶粒細化，但奧氏體晶粒大小不均勻; 保溫時間長，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間的變化和不同保溫時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，晶粒度級別降低，由1 060 ℃×15 min，1 060 ℃×25 min和1 070 ℃×15 min下的7.0級降為1 100 ℃×35 min和1 100 ℃×45 min下的3.5級；同一淬火溫度下隨著保溫時間的延長，晶粒度級別降低。

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

圖3 不同保溫時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間的變化和不同保溫時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間的變化Fig.4 Changes of hardness with holding time under different quenching temperatures

圖5 不同保溫時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間的變化和不同保溫時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，隨著保溫時間的延長，沖擊功整體呈現降低趨勢；同一保溫時間下，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間的變化Fig.6 Changes of impact energy with holding time under different quenching temperatures

圖7 不同保溫時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 機理分析

試樣保溫時間短，奧氏體晶界沒有充分時間遷移，因而奧氏體晶粒大小不均勻；而隨著保溫時間的延長，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間，可得到相對細化且均勻的組織。一般來講，隨著晶粒尺寸的減小，沖擊功有升高的趨勢。

馬氏體是一種不穩定的過飽和固溶體，由于碳的存在,馬氏體晶格畸變大，同時在淬火過程中產生很多位錯，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和化學成分共同決定。淬火溫度升高，伴隨著殘余應力的升高，回火后雖然可使鋼的淬火殘余應力得到釋放并消除淬火造成的大量位錯，但整體變化趨勢不會改變，因此沖擊功隨著淬火溫度的升高而呈現降低趨勢[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，對位錯的阻礙作用變弱，也導致鋼變軟。硬度升高會導致塑性變形能力降低，在沖擊過程中，導致塑性變形吸收的能量減少。就整體試驗結果看來，晶粒度和硬度等因素相互影響，導致沖擊功有一定的波動。

4 結論

采用文中的熱處理工藝對G13Cr4Mo4Ni4V鋼進行處理，得到以下結論：

1)隨著淬火溫度的升高和保溫時間的延長，晶粒度的級別有降低的趨勢。

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