G115Cr14Mo4V和8Cr4Mo4V淬回火工藝及性能研究

王鑫，單瓊飛，葉健熠，薛文方

（1. 洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2. 河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，河南 洛陽 471039；3. 滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039）

作為軸承鋼的一類，高溫軸承鋼相對普通軸承鋼不僅材質(zhì)上有明顯的優(yōu)勢, 除具有一般軸承鋼的特性外，最主要的特點(diǎn)是在高溫工作環(huán)境下仍然具有較高的硬度、尺寸穩(wěn)定性和接觸疲勞性能[1]。目前最常使用的高溫軸承鋼為8Cr4Mo4V，因其廣泛用于工作溫度在 320 ℃ 以下、DN 值在 2.4×106mm·r/min 左右的航空發(fā)動機(jī)主軸軸承[2]，且具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、抗氧化性及抗熱疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)[3]，還常應(yīng)用于制造航空發(fā)動機(jī)軸承、矢輪、凸輪、促進(jìn)器、活塞等零部件。隨著國家航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，為其配套的軸承工作環(huán)境要求更為嚴(yán)苛，部分工況下軸承使用溫度已達(dá)400 ℃ 以上，并且還需要具有一定的防銹蝕能力，高溫不銹軸承鋼G115Cr14Mo4V 應(yīng)運(yùn)而生。G115Cr14Mo4V 鋼為一種高碳馬氏體不銹鋼，其兼具了 8Cr4Mo4V 鋼的高溫硬度及 G102Cr18Mo鋼的耐蝕性能[4]，以滿足使用工況要求。

本文以 G115Cr14Mo4V 鋼和 8Cr4Mo4V 鋼為研究對象，熱處理后對比分析兩者的金相組織、硬度及性能，為該材料的實(shí)際生產(chǎn)及應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及試樣尺寸

試驗材料選用φ55 mm 的退火態(tài)棒料。兩種材料的化學(xué)成分見表1，原始硬度及冶金質(zhì)量見表2。

將φ55 mm 的 G115Cr14Mo4V 高溫不銹軸承鋼和 8Cr4Mo4V 高溫軸承鋼棒料分別加工成四種試樣，具體名稱和尺寸如下：（1）硬度、組織檢驗試樣，尺寸為φ15 mm×8 mm ；（2）無缺口型沖擊試樣，尺寸為 10 mm×10 mm×55 mm；（3）高溫硬度檢測試樣，尺寸為φ10 mm×10 mm；（4）接觸疲勞壽命試樣，尺寸為φ52 mm×φ30 mm×8 mm。

表 1 材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 試驗設(shè)備及試驗方法

在 WZC-45 真空油淬爐內(nèi)進(jìn)行淬火工藝試驗，在 HLT-80 冷處理設(shè)備中進(jìn)行冷處理，在 UBE-600 空氣介質(zhì)回火爐中進(jìn)行回火。用HR-150A 型洛氏硬度計檢測試樣硬度，用日本OLYMPUS 倒置式金相顯微鏡觀察試樣顯微組織，采用 XRD 法測定兩種試樣淬回火后的殘余奧氏體含量，XRD 測量采用鈷靶，掃描速度為1°/min，每種材料制做試樣 6 個。熱處理后分別對硬度、組織、殘余奧氏體含量進(jìn)行檢驗和檢測。高溫硬度試驗是在 HRN/T150A 高溫硬度計上進(jìn)行的，試驗負(fù)荷選用 150 kg·N。試樣在高溫硬度計實(shí)驗臺上保護(hù)氣氛狀態(tài)下進(jìn)行加熱，試驗溫度分別選取常溫、150 ℃、200 ℃、300℃、400 ℃、500 ℃ 六種，均勻加熱到試驗溫度，保溫 10 分鐘后直接測定試樣的洛氏硬度，每組試樣 5 個，實(shí)驗完成后對其取平均值。沖擊實(shí)驗在 SUNS 三思縱橫 PTM-2100 沖擊試驗機(jī)上完成，實(shí)驗根據(jù) GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》執(zhí)行，每組試樣 5 個，實(shí)驗完成后對其取平均值。接觸疲勞壽命試驗在 TLP滾動接觸疲勞試驗機(jī)上完成，按照 JB/T 10510—2005《滾動軸承零件接觸疲勞試驗方法》制備成表面粗糙度Ra≤ 0.2 μm 的接觸疲勞試樣，試驗載荷選用 4 508 MPa，試驗機(jī)轉(zhuǎn)速為 2 040 r/min，潤滑介質(zhì)為 N32 機(jī) 油，冷卻油溫小于 55 ℃，試驗方法采用完全失效法，試樣數(shù)量為 12 個。

1.3 熱處理方法

兩種材料試樣的熱處理工藝曲線如圖1所示。G115Cr14Mo4V 試樣在 850 ℃ 預(yù)熱 15 min，然后加熱到 1 120 ℃，保溫 25 min，快速入油冷卻 15 min，第一次回火溫度選用 150 ℃，保溫 2 h，第二次和第三次回火溫度選用 525 ℃，均保溫 2 h。8Cr4Mo4V 試樣在 850 ℃ 預(yù)熱 15 min， 然后加熱到 1 095 ℃，保溫 25 min，快速入油冷卻15 min，三次回火溫度均選用 535 ℃，保溫 2 h。兩種試樣的冷處理溫度均選用 -78 ℃，保溫 1 h。

圖1 淬火、冷處理及回火工藝曲線

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 顯微組織對比分析

淬火后的晶粒度如圖2 所示，按照GB/T 6394—2017 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定，G115Cr14Mo4V 試樣經(jīng)淬火后晶粒度為 8.5 級，8Cr4Mo4V 試樣的淬火晶粒度為 8 級。淬回火后的顯微組織見圖3。淬回火后，兩者的顯微組織均由馬氏體＋二次碳化物＋共晶碳化物＋少量的殘余奧氏體組成。

圖2 G115Cr14Mo4V 試樣及8Cr4Mo4V 試樣的淬火晶粒度

圖3 G115Cr14Mo4V 試樣及8Cr4Mo4V 試樣的回火后顯微組織

資料顯示，兩種材料在二次硬化峰值時析出高度彌散的碳化物，XRD 物相分析碳化物主要是MxCy[4-5]。由于 G115Cr14Mo4V 鋼合金含量高達(dá)19% 以上，大量合金元素與碳形成結(jié)晶偏析，在后續(xù)變形時延伸而成帶狀碳化物，后續(xù)熱處理很難消除，回火后的碳化物的尺寸和數(shù)量明顯比8Cr4Mo4V 鋼的多。

2.2 性能對比分析

2.2.1 硬度及殘余奧氏體含量

按照圖1 所示的熱處理工藝進(jìn)行熱處理淬回火試驗，淬火后硬度及回火后硬度見表3。真空淬火后，G115Cr14Mo4V 試樣的硬度平均值為 61.2 HRC，8Cr4Mo4V 試樣硬度平均值為 63.8 HRC。G115Cr14Mo4V 試樣的淬火硬度明顯低于 8Cr4Mo4V 試樣的淬火硬度，這是因為鉻元素會導(dǎo)致鋼中殘余奧氏體數(shù)量的增加，G115Cr14Mo4V 試樣淬火后含有較多的殘余奧氏體。高溫軸承鋼中鉻合金化的理論實(shí)踐已經(jīng)證明，隨著鉻含量的增加，淬火后鋼中的殘余奧氏體量隨之增加，當(dāng)鉻含量達(dá)到某一值后，淬火后鋼中殘留的奧氏體數(shù)量會大幅度增加[6]。 經(jīng)回火后， G115Cr14Mo4V 試樣的硬度平均值為 63.2 HRC, 殘余奧氏體含量為 1.2%，8Cr4Mo4V 試樣的硬度平均值為 62.5 HRC, 殘余奧氏體含量為 1.0%，殘余奧氏體含量均低于3%， G115Cr14Mo4V 的硬度稍高于 8Cr4Mo4V鋼。由于較多的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，G115Cr14Mo4V 試樣的硬度比淬火后提高了 2 HRC。

表3 兩種試樣的淬、回火后的硬度

2.2.2 高溫硬度

經(jīng)真空淬火、冷處理回火后，測定G115Cr14Mo4V 鋼和 8Cr4Mo4V 鋼的高溫硬度，試驗結(jié)果見圖4。由圖4 可知，兩種鋼的高溫硬度隨著試驗溫度的升高呈現(xiàn)下降趨勢，整體上G115Cr14Mo4V 鋼的高溫硬度稍好于 8Cr4Mo4V鋼的高溫硬度。這是由于 G115Cr14Mo4V 鋼的合金含量高于 8Cr4Mo4V 鋼，經(jīng)淬回火后形成大量的穩(wěn)定碳化物，這些碳化物相較于基體具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，可以顯著提高其紅硬性。

圖4 兩種鋼的高溫硬度值

2.2.3 沖擊性能

經(jīng)真空淬火、冷處理回火后，測定G115Cr14Mo4V 鋼和 8Cr4Mo4V 鋼室溫下的沖擊功，具體數(shù)值見表4 所示。G115Cr14Mo4V 鋼的沖擊功均值為 26.50 J，而 8Cr4Mo4V 鋼的沖擊功均值為 47.81 J，這是因為相比于 8Cr4Mo4V鋼，G115Cr14Mo4V 鋼中含有大量的鉻元素，此元素雖然可以提高鋼的淬透性、耐摩擦磨損性能以及耐蝕性等性能，但由于產(chǎn)生大量的大塊狀共晶碳化物，導(dǎo)致鋼的塑性和韌性降低[7-8]。

表 4 兩種試樣的沖擊性能 J

2.2.4 滾動接觸疲勞壽命

滾動接觸疲勞試驗采用推力式接觸，其工作原理與推力球軸承相似，僅將推力球軸承的座圈以環(huán)形平面試樣所代替。推力球軸承（51206）的軸圈固定在主軸的下端，環(huán)形試樣固定在支承座內(nèi)，將推力球軸承（51206）的鋼球保持架組件放置在軸圈與環(huán)形試樣之間，施加試驗力。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動時，通過摩擦力驅(qū)動保持架中的鋼球進(jìn)行自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，在環(huán)形試樣上形成一條應(yīng)力循環(huán)帶，直到循環(huán)帶上出現(xiàn)疲勞剝落坑為止。試驗原理圖見圖5。試樣經(jīng)真空淬火、冷處理回火后，測定 G115Cr14Mo4V 鋼和 8Cr4Mo4V 鋼的滾動接觸疲勞壽命，測試結(jié)果見圖6 和表5。

圖5 推力片試驗原理圖

圖6 滾動接觸疲勞壽命P-N 曲線

G115Cr14Mo4V 鋼的滾動接觸疲勞額定壽命L10優(yōu)于 8Cr4Mo4V 鋼的滾動接觸疲勞額定壽命。大量合金元素與碳形成碳化物，這些碳化物位于材料表面時，也使材料具備了優(yōu)異的干摩擦性能，G115Cr14Mo4V 鋼的碳化物邊緣均呈現(xiàn)“圓滑”狀態(tài)，相較于 8Cr4Mo4V 鋼中的塊狀 M2C，對疲勞壽命影響較小[4]。另外，硬度也是決定滾動接觸疲勞額定壽命L10的一個重要因素，根據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)，淬回火后 G115Cr14Mo4V 鋼的硬度稍高于 8Cr4Mo4V 鋼的硬度。

表 5 接觸疲勞壽命P-N 曲線參數(shù)計算結(jié)果

3 結(jié)論

（1）G115Cr14Mo4V 試樣經(jīng)淬火后晶粒度為 8.5 級，8Cr4Mo4V 試樣的淬火晶粒度為 8級。淬回火后，兩者的顯微組織均由馬氏體＋二次碳化物＋共晶碳化物＋少量的殘余奧氏體組成。

（2）真空淬火后 G115Cr14Mo4V 試樣的淬火硬度明顯低于 8Cr4Mo4V 試樣的淬火硬度，經(jīng)冷處理回火后，G115Cr14Mo4V 的硬度稍高于8Cr4Mo4V 鋼。

（3）兩種鋼的高溫硬度隨著試驗溫度的升高呈現(xiàn)下降趨勢，整體上 G115Cr14Mo4V 鋼的高溫硬度稍好于 8Cr4Mo4V 鋼的高溫硬度。

（4）8 C r 4 M o 4 V 鋼的沖擊性能優(yōu)于G115Cr14Mo4V 鋼的沖擊性能。

（5）G115Cr14Mo4V 鋼的滾動接觸疲勞額定壽命L10優(yōu)于 8Cr4Mo4V 鋼的滾動接觸疲勞額定壽命。