軸承用8Cr4Mo4V鋼穩定熱處理期間相轉變分析

夏云志 ，于興福 ，楊文武 ，劉 璐 ，魏英華 ，蘇 勇

（1.中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150500；2．沈陽工業大學機械工程學院，沈陽 110870；3.沈陽化工大學機械與動力工程學院，沈陽 110142）

0 引言

8Cr4Mo4V 鋼具有較高的疲勞強度和疲勞壽命，在高溫條件下的硬度、強度和韌性等力學性能指標優異[1]，具有良好的綜合力學性能[2-3]，可應用于工作溫度為150~300 ℃的航空發動機、燃氣輪機的主軸軸承制造。隨著航空器的飛行速度不斷提高，發動機的推重比越來越大，軸承工作載荷增高，轉速增大，軸承服役溫度也越來越高。軸承在加工、存放和服役期間因亞穩相轉變、殘余應力釋放導致軸承零件尺寸發生變化，降低了軸承的加工尺寸精度和精度等級，嚴重時甚至會導致軸承服役壽命縮短，成為制約中國航空發動機性能提升的主要瓶頸之一[4]。

航空發動機軸承工作服役條件惡劣，要求軸承表面有高的硬度和耐磨性，因此軸承熱處理后主要為具有高的硬度和耐磨性的馬氏體或貝氏體組織，才能夠滿足軸承的使用要求。龔建勛等[2]采用真空氣體淬火的方式對8Cr4Mo4V 軸承鋼進行熱處理，淬火后獲得的主要組織為馬氏體，為了使軸承鋼具有高硬度及高韌性，對8Cr4Mo4V 鋼進行高溫回火，通過二次碳化物在回火期間的析出使軸承鋼韌化和強化；王松等[5-6]研究發現，經淬、回火處理后，在8Cr4Mo4V 鋼中仍然存在不穩定的殘余奧氏體相，在后續的加工、存放和零件服役期間，殘余奧氏體會向馬氏體轉變，引起尺寸變化，奧氏體轉變成的馬氏體組織發生回火轉變，析出碳化物，同樣會引起尺寸的變化；Hunkel[7]發現殘余奧氏體的轉變僅受奧氏體穩定化的影響；王順興等[8]發現軸承在存放和工作服役期間，軸承鋼內發生的相變會引起尺寸的變化，導致軸承在使用時早期失效，從而降低軸承的使用安全性和使用壽命；李愛民等[9]研究發現，軸承零件在存放及服役期間的尺寸穩定性成為影響其能否正常使用以及服役壽命長短的1 個主要因素；王金玲等[10]研究認為，如果采用的熱處理工藝不當或熱處理工藝參數不合理，都會導致8Cr4Mo4V 鋼軸承在存放和工作期間因發生相變而引起尺寸變化[11-12]，需要對軸承加工過程進行穩定處理使鋼中的殘余奧氏體含量減少，淬火應力降低[13-14]，使軸承的尺寸變化率降低[15]，保證軸承的精度。但穩定處理期間軸承鋼內的相變特征及其對軸承尺寸變化的影響，仍需要深入探討和分析。

本文采用差熱掃描量熱儀（DSC）模擬8Cr4Mo4V軸承鋼的穩定熱處理，測定穩定處理期間因發生相變而導致的熱流變化，以確定8Cr4Mo4V 鋼在穩定處理期間的相變特征。

1 試驗材料與方法

樣品初始狀態為退火態的8Cr4Mo4V 鋼，采用真空淬火爐對其進行熱處理，淬火后的試樣再進行高溫回火處理。將經過淬火和回火的樣品加工成Φ5×20的試樣，采用熱膨脹儀測定由室溫升溫至600 ℃期間的尺寸變化，用以分析確定回火轉變期間各相變發生的溫度區間。在淬火+回火處理的樣品上切取尺寸為Φ3×1 的試片，采用差熱掃描量熱儀（Differential Scanning Calorimeter，DSC）測定由室溫至600 ℃升溫期間的熱流變化特征，從而確定回火處理后，鋼中仍然存在的相變及溫度范圍。DSC 具備精確控溫進行熱處理和冷處理能力，通過測定熱流變化確定相變特征。為了分析連續穩定處理條件下鋼中相的轉變特征，采用DSC進行穩定處理，其升溫、降溫條件與常規穩定熱處理一致。8Cr4Mo4V鋼的熱處理工藝流程如圖1 所示。經熱處理后，取部分試樣進行穩定化處理。將經過穩定處理后的試樣，采用熱膨脹儀測量升溫期間的相變特征，用以確定穩定處理效果。采用S-3400N 型掃描電鏡觀察鋼中的組織狀態，組織觀察用腐蝕劑的配比為：C?H?OH 100 ml+（NO2）3C6H2OH 2.5g+HCl 5 ml。

圖1 熱處理工藝流程

2 試驗分析

2.1 8Cr4Mo4V鋼的相變區間及其尺寸變化特征

采用熱膨脹儀測定淬火處理后8Cr4Mo4V 鋼，回火期間的熱膨脹系數如圖2 所示。將熱膨脹曲線的尺寸變化特征和加熱期間DSC 曲線中所反映的相變期間的熱晗變化特征[5]相結合，可以精確確定鋼中相變發生的溫度范圍。綜合分析后，確定淬火后的8Cr4Mo4V 鋼在升溫過程中主要存在3 個相變區間，其中，區間I 起始溫度為132 ℃左右，結束溫度為243 ℃左右，為馬氏體中析出碳化物，即馬氏體發生回火轉變形成回火馬氏體的過程，馬氏體由正方晶格轉變為立方晶格[16]，比容降低，尺寸減小；當溫度超過215 ℃時，為第II相變區間，鋼中的殘余奧氏體將轉變為馬氏體組織，從而引起體積的增大，從圖中可見，I區間，即馬氏體的回火轉變區間，與第II相變區間，即殘余奧氏體的轉變區間存在搭接區。第II 區間的起始溫度為215 ℃左右，結束溫度為303 ℃左右，區間II為殘余奧氏體轉變為馬氏體，比容增大，尺寸增大。而第III區間為馬氏體分解為鐵素體+碳化物，區間III的起始溫度為278 ℃，結束溫度為420 ℃左右，比容減小，尺寸降低，區間II與區間III之間也存在搭接區。

圖2 回火期間8Cr4Mo4V鋼的熱膨脹系數

2.2 8Cr4Mo4V鋼穩定處理后相變溫度及相變特征

2.2.1 升溫過程中相變溫度

8Cr4Mo4V 鋼經淬火+3 次高溫回火后，相變引起的尺寸變化特別微小，采用熱膨脹儀已經難以測定出明顯的相變溫度及相變區間特征，因此需要采用具有更高精度的差熱分析儀來測定。采用DSC1型差熱分析儀，測定出經3 次高溫回火后的8Cr4Mo4V 鋼由室溫升高至600 ℃期間的相變特征，如圖3所示。

圖3 經3次高溫回火后8Cr4Mo4V鋼升溫期間的相變特征

區間I 為馬氏體回火轉變，在曲線上能夠看到明顯的熱流變化，區間II為殘余奧氏體轉變為馬氏體轉變，由于鋼中殘余奧氏體含量較少（≤3%），因此試樣中殘余奧氏體轉變未在熱流曲線上有明顯的熱流變化特征，而區間III 為馬氏體分解為鐵素體+碳化物，存在明顯的熱流變化特征，轉變的峰值溫度為377 ℃。

2.2.2 穩定處理對相變的影響

通過對圖3 熱流變化曲線的分析，可以確定8Cr4Mo4V鋼穩定處理加熱溫度應該在377 ℃以上，由于DSC設備能力的限制，冷處理選用的溫度為-20 ℃。采用差熱分析儀模擬回火后的8Cr4Mo4V 鋼穩定熱處理過程，其熱流變化曲線如圖4（a）所示。

圖4 穩定處理期間的熱流變化情況

模擬穩定處理期間，第1 次穩定處理升溫過程和第2 次穩定處理升溫過程數據單獨取出后進行比較，如圖4（b）所示。

首次升溫過程中，在202、255、315 和386 ℃存在相變反應峰，其中386 ℃峰位相變轉變結束溫度為396 ℃。對應的相變區間分別為馬氏體回火轉變區間、殘余奧氏體轉變區間和馬氏體分解為鐵素體+碳化物區間。而第2 次升溫期間，各溫度相變產生的熱流峰值降低，甚至消失，只有在386 ℃附近存在1個明顯的相變峰，且相變溫度與第1 次升溫相比有所降低，說明在第2次穩定處理期間第III區間的相變仍然有發生。在第1 次穩定處理階段保溫期間各個區間的熱流曲線逐漸上升，說明有相變在連續的進行，而在溫度處理的第2 階段，曲線上升幅度減小，說明相變的轉變量較小。

采用差熱掃描量熱儀對經過淬火+高溫回火的8Cr4Mo4V軸承鋼進行穩定處理，穩定處理不同次數。穩定熱處理后再升溫期間的熱流變化特征如圖5所示。

按照回火后升溫確定的各個相變區間，對其相變特征進行分析?；鼗鸷蟮?Cr4Mo4V 鋼的相變區間仍然位于相對應的區間段內。經1 次穩定處理后，8Cr4Mo4V 鋼仍然發生馬氏體回火轉變，但是轉變溫度與回火后相比，溫度升高，其發生的溫度范圍已經進入第II 區間范圍。而第III 區間發生的馬氏體轉變為鐵素體+碳化物的溫度提高至400 ℃以上。經2 次穩定處理后，仍然存在馬氏體回火轉變，但是轉變溫度升高，轉變發生在了第III 區間范圍內。而原在第III 階段發生的馬氏體轉變為鐵素體+碳化物的溫度提高至450 ℃以上。經3 次穩定處理后，馬氏體回火轉變已經非常的少，看不到明顯的峰值存在，而原在第III 階段發生的馬氏體轉變為鐵素體+碳化物的相變，也已經看不到尖銳的轉變峰值特征，但是仍然存在轉變特征。

3 討論

3.1 穩定處理對8Cr4Mo4V鋼微觀組織的影響

8Cr4Mo4V鋼經不同次數穩定處理后的微觀組織形貌如圖6 所示。從圖中可見，隨著穩定次數的增加，鋼中析出的顆粒狀碳化物數量增加。這主要是由于馬氏體回火及馬氏體分解形成顆粒狀碳化物，隨著穩定次數的增加，顆粒狀碳化物數量增多。

圖6 穩定處理不同次數的組織形貌

在穩定處理期間，首先發生的是馬氏體回火轉變，馬氏體分解出ε 碳化物，該碳化物的主要成分為Fe2.4C，由于溫度低，合金元素難于擴散因此還不能形成合金碳化物（Fe，Cr，Mo，V）3C。隨著穩定化處理溫度的提高，當溫度高于300 ℃以上時，發生馬氏體轉變為鐵素體+合金滲碳體的轉變，由馬氏體基體中析出合金滲碳體（Fe，Cr，Mo，V）3C，此時基體中碳含量降低，析出α-Fe組織，即分解為鐵素體+合金滲碳體，隨著溫度的進一步提高，合金滲碳體將再次析出（Mo，V）C顆粒狀碳化物，因此隨著穩定次數的增加，合金中析出的碳化物數量也會增多。

3.2 穩定處理對相穩定性的影響因素分析

從圖5 中可見，鋼中相變溫度逐漸升高，表明鋼中相的穩定性增強。鋼在穩定處理期間，主要發生的是馬氏體回火轉變、殘余奧氏體向馬氏體的轉變，以及馬氏體分解為鐵素體和碳化物的過程。第1 次穩定處理期間，會有部分馬氏體轉變為回火馬氏體，體積減小，因此會導致微觀局部內應力由壓應力向著拉應力的轉變，應力大小和應力狀態的轉變，有利于奧氏體向馬氏體的轉變，因此隨著溫度升高，殘余奧氏體將轉變為馬氏體，另外隨著溫度升高馬氏體將進一步分解為鐵素體+碳化物。在1 次穩定處理期間，由殘余奧氏體新形成的馬氏體，將在2 次穩定處理中發生回火及分解轉變。而在2 次穩定處理期間，由于新形成的馬氏體數量相比于第1 次穩定處理數量減少，且馬氏體的穩定性與上一次穩定階段獲得的馬氏體相比更高，因此其分解溫度將比1 次穩定處理要高，同時因為基體鋼中碳元素含量的降低及碳化物再次形成合金碳化物需要長程擴散才能完成碳化物的析出，因此需要更高的溫度來滿足碳元素的長程擴散，導致了碳化物的析出溫度提高。因此，隨著穩定處理次數的增高，鋼中的馬氏體回火溫度、碳化物析出溫度均將有所提高。當穩定處理進行，3 次以后，殘余奧氏體數量降低，導致轉變成馬氏體數量減少，因此能夠發生馬氏體分解的相數量很少，幾乎觀察不到相變特征，而合金碳化物的析出受合金元素擴散控制，因此在3 次穩定熱處理后仍然會析出，但是其析出溫度已經高于500 ℃。

4 結論

（1）8Cr4Mo4V 鋼經淬火處理后升溫時馬氏體回火相變溫度區間為132~243 ℃，殘余奧氏體轉變溫度區間為215~303 ℃，馬氏體分解為鐵素體+碳化物的溫度區間為278~420 ℃；

（2）采用穩定處理時，隨著穩定處理次數的增加，鋼中的馬氏體回火溫度及馬氏體分解為鐵素體+碳化物的溫度逐漸升高，隨著穩定次數的增加鋼中相的穩定性增加，進行3 次穩定處理后，鋼中相變溫度達到400 ℃以上；

（3）微觀組織觀察表明，隨著穩定次數的增加，鋼中析出的碳化物數量增多。