Cr4Mo4V鋼球淬火產(chǎn)生混晶組織的原因與消除措施

高元安，葉健熠，王智勇，王鑫

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

Cr4Mo4V鋼是制造高溫軸承的主要鋼種之一。但在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題是：Cr4Mo4V鋼球在淬火時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生混晶組織，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整批報(bào)廢，這不僅給廠家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更因?yàn)榻回浧谘娱L(zhǎng)，給客戶造成了不好的影響。下文對(duì)Cr4Mo4V鋼球淬火產(chǎn)生混晶組織的原因及影響進(jìn)行分析，并通過(guò)試驗(yàn)給出了消除混晶組織的熱處理工藝。

1 混晶組織概念及產(chǎn)生原因

混晶組織是指材料的奧氏體晶粒有明顯的多種區(qū)域尺寸，每個(gè)區(qū)域尺寸的含量都較大且不可忽略。通俗點(diǎn)說(shuō)就是混晶組織是金相組織中粗晶粒和細(xì)晶粒混雜的現(xiàn)象。在Cr4Mo4V鋼中，1～4級(jí)粗晶粒和5級(jí)以上細(xì)晶粒同時(shí)存在于金相視場(chǎng)中，可判定為混晶組織，如圖1和圖2所示。

圖1 混晶晶粒分布

圖2 混晶馬氏體組織

鋼材在熱加工過(guò)程中出現(xiàn)混晶組織對(duì)材料的力學(xué)性能、工藝性能及進(jìn)一步的熱處理都有很大影響。尤其對(duì)于組織遺傳傾向比較大的鋼種(有資料認(rèn)為混晶組織是由于組織遺傳造成的)，在鍛造或軋制后冷卻溫度和速度控制不好，如冷卻速度非常緩慢，就容易發(fā)生奧氏體再結(jié)晶，已經(jīng)在鍛造中被細(xì)化的晶粒會(huì)發(fā)生異常長(zhǎng)大形成混晶組織。

Cr4Mo4V高溫軸承鋼屬于高碳、高合金元素含量的鋼種，在冶金過(guò)程中易形成粗大的一次碳化物，從而造成碳化物分布不均勻。在加熱淬火時(shí)，二次碳化物稀少的部位，碳化物釘扎晶粒長(zhǎng)大的作用變?nèi)酰沟脢W氏體晶粒容易快速長(zhǎng)大；二次碳化物相對(duì)密集的部位和一次碳化物帶上的晶粒長(zhǎng)大比較緩慢，這就容易使Cr4Mo4V鋼產(chǎn)生混晶組織。由此可知，Cr4Mo4V鋼混晶組織產(chǎn)生原因主要是受一次碳化物不均勻的影響，在淬火后表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果。

2 混晶組織對(duì)性能的影響及其消除方法

Cr4Mo4V鋼的混晶組織主要影響其接觸疲勞壽命和沖擊韌性。其原因推斷為混晶組織中的馬氏體組織不均勻，在原粗大晶粒奧氏體內(nèi)的馬氏體針粗大，往往超過(guò)熱處理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的馬氏體組織要求。受載時(shí)，變形不協(xié)調(diào)，粗、細(xì)晶粒交界入或粗晶粒內(nèi)首先形成裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展導(dǎo)致整體性能下降。

無(wú)論Cr4Mo4V鋼的混晶組織是否由于組織遺傳或者碳化物分布不均勻所致，只要阻斷組織遺傳并使其中的二次碳化物分布進(jìn)一步均勻化，就有可能消除其混晶組織。因此，在淬火后一旦發(fā)現(xiàn)Cr4Mo4V鋼出現(xiàn)了混晶組織，采取完全退火的方法就可以大大改善或基本消除其混晶組織。其原理是：(1)淬火后再次退火處理，使材料化學(xué)成分和碳化物的分布進(jìn)一步均勻化；(2)經(jīng)過(guò)相變重結(jié)晶的平衡組組織可破壞組織遺傳的可能性，為獲得良好的無(wú)混晶組織奠定基礎(chǔ)。

3 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該鋼混晶組織的要求

Cr4Mo4V鋼現(xiàn)行的材料標(biāo)準(zhǔn)有2個(gè)：(1)YB 688—1976《高溫軸承鋼Cr4Mo4V技術(shù)條件》，以該標(biāo)準(zhǔn)交付的Cr4Mo4V鋼材的冶煉方法為電渣重熔冶煉。由于該標(biāo)準(zhǔn)提出的年代較早，對(duì)該鋼的混晶組織的認(rèn)識(shí)還不夠，故標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)混晶組織沒(méi)有明確的條文要求；(2)YB 4105—2000《航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫軸承鋼》，以該標(biāo)準(zhǔn)交付的Cr4Mo4V鋼材的冶煉方法為雙真空冶煉。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其晶粒度的均勻性提出了明確要求，即“鋼材的晶粒度為7級(jí)或更細(xì)，允許有不超過(guò)10%的5級(jí)以下的晶粒存在?！睂?duì)最嚴(yán)重視場(chǎng)中的混晶晶粒所占面積有了明確與嚴(yán)格的要求。

在現(xiàn)行的熱處理質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn) JB/T 2850—2007 《滾動(dòng)軸承Cr4Mo4V高溫軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》中對(duì)該鋼淬、回火后的晶粒度同樣提出了明確要求，具體為“如組織晶粒度超過(guò)本標(biāo)準(zhǔn)第一級(jí)別圖中第4級(jí)的要求，應(yīng)選其最嚴(yán)重視場(chǎng)，按GB/T 6394—2002中5.1a的規(guī)定，放大100倍進(jìn)行觀察，5級(jí)以下晶粒度的晶粒超過(guò)該視場(chǎng)面積的15%為不合格”。這與YB 4105—2000標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定趨勢(shì)相一致，只是混晶所占的面積有所不同。

由此可見(jiàn)， 在現(xiàn)行最新的材料標(biāo)準(zhǔn)和熱處理質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)中，Cr4Mo4V鋼的混晶組織或晶粒度的均勻性成為一項(xiàng)必須控制和檢驗(yàn)的項(xiàng)目。

4 混晶組織消除及性能檢測(cè)對(duì)比實(shí)例

某公司采用Φ8 mm鋼絲沖壓制造的Φ9.5 mm Cr4Mo4V鋼球若干粒，熱處理淬、回火檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在較為嚴(yán)重的混晶組織，為不合格產(chǎn)品。為減少損失，進(jìn)行了大量的工藝探索試驗(yàn)，最終成功消除了混晶組織。

4.1 鋼球用料的材質(zhì)

按YB 688—1976標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)與評(píng)定，Cr4Mo4V鋼化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見(jiàn)表1，冶金質(zhì)量見(jiàn)表2。

表1 Cr4Mo4V鋼化學(xué)成分 w,%

表2 Cr4Mo4V鋼冶金質(zhì)量

由表可知，鋼球材料的化學(xué)成分和冶金質(zhì)量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 常見(jiàn)淬、回火處理

采用常規(guī)工藝在真空爐中加熱淬回、火，結(jié)果發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)鋼球均產(chǎn)生有混晶組織(11粒中有10粒存在混晶組織)，如圖3所示。存在混晶組織鋼球熱處理后的硬度及壓碎載荷檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3(本應(yīng)與正常組織對(duì)比，但無(wú)法挑出同批次沒(méi)有混晶的完整鋼球作壓碎載荷對(duì)比試驗(yàn)，故只能與消除混晶組織后的鋼球作對(duì)比)。

圖3 淬、回火后的鋼球混晶組織

表3 初次淬回火后硬度及壓碎載荷

4.3 返修處理

(1)返修前預(yù)處理。在真空爐中重新進(jìn)行完全退火。

(2) 淬、回火處理。經(jīng)過(guò)重新退火后的鋼球，在真空爐中淬火加熱，溫度較常規(guī)工藝低10～20 ℃，按常規(guī)工藝進(jìn)行回火。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混晶組織已基本消除，馬氏體組織正常且均勻，按標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)為2～3級(jí)。圖4所示為退火后重新淬、回火的鋼球組織，硬度和壓碎載荷見(jiàn)表4。

圖4 退火后重新淬、回火的鋼球組織

表4 硬度及壓碎載荷

以上結(jié)果表明，返修后鋼球的金相組織、硬度和壓碎載荷均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。與混晶組織試驗(yàn)結(jié)果相比，鋼球的壓碎載荷值也明顯高于有混晶組織的壓碎載荷值。

5 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)獲得的混晶組織消除方法為：預(yù)處理(完全退火)+較低溫度淬火(比常規(guī)淬火低10～20 ℃)+常規(guī)回火。檢測(cè)結(jié)果表明,消除混晶組織后鋼球的壓碎載荷明顯提高;其他熱處理質(zhì)量指標(biāo)均符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求。