熱處理工藝對Cr4Mo4V鋼顯微組織及斷裂韌性的影響

龔建勛，雷建中

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039;3.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；4.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

Cr4Mo4V鋼具有優異的綜合力學性能和冷熱加工工藝性能[1]，在400 ℃時其硬度仍能保持在58 HRC以上，因而廣泛用于工作溫度在320 ℃以下、dn值在2.4×106mm·r/min左右的航空發動機主軸軸承。當工作溫度大于200 ℃時，鋼中殘余奧氏體分解并引起尺寸變化，影響零件的正常使用[2]。Cr4Mo4V鋼在正常加熱規范下淬火，殘余奧氏體含量較高，所以淬火后必須經多次回火處理，使殘余奧氏體含量降到最低值。因此，應選用合適的熱處理工藝[3-4]，控制Cr4Mo4V鋼的顯微組織及殘余奧氏體含量，降低其在使用過程中尺寸變化率和磨削應力[5]，保證軸承的高精度、長壽命和高可靠性。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用料為Cr4Mo4V耐熱軸承鋼，采用真空感應+真空自耗(VIM+VAR)的“雙真空”冶煉工藝制備，在VOQ2-65型雙室真空淬火爐中進行淬火處理，淬火劑選用真空淬火油。共制備了16個試樣(每種工藝4個)，分別用于對顯微組織、硬度、殘余奧氏體和斷裂韌性試驗。

1.2 試驗方法

1)在Quanta600掃描電子顯微鏡和Philips CM200透射電鏡上觀察顯微組織。

2)采用CrKα射線法分別測定馬氏體(211)、(200)及奧氏體(220)、(200)衍射峰，4峰兩兩組合得到4個殘余奧氏體含量值，取其均值，測試參數：電壓30 kV；電流6.7 mA。

3)在MTS 810-100 kN電液伺服材料試驗機上進行斷裂韌性(KIC)測試，預制疲勞裂紋參數：最后階段最大應力強度因子Kfmax=9.50 MPa·m1/2；試驗頻率f=10 Hz；最后階段應力強度因子幅ΔK=8.55 MPa·m1/2；試驗波形為正弦波；循環次數N=140 000～200 000。載荷-位移曲線及各試樣裂紋長度的測量及計算均參照GB/T 4161—2007《金屬材料 平面應變斷裂韌度KIC試驗方法》。

2 試驗結果與分析

2.1 熱處理工藝對顯微組織的影響

為考察淬火溫度對Cr4Mo4V鋼中顯微組織的影響，選取淬火加熱溫度范圍為1 070 ℃～1 100 ℃。由于該鋼的導熱性較差，因此應以較小的加熱速度進行加熱，并進行兩段保溫預熱，以減少熱應力和縮短淬火溫度下的保溫時間，從而防止熱裂產生。具體熱處理工藝見表1，其顯微組織和TEM形貌分別如圖1和圖2所示。

表1 Cr4Mo4V鋼熱處理工藝及硬度

圖1 不同熱處理后Cr4Mo4V鋼的顯微組織(5 000×)

圖2 不同熱處理后Cr4Mo4V鋼的TEM微觀形貌

由圖1可知，經不同熱處理工藝處理后，Cr4Mo4V鋼的顯微組織均為回火馬氏體+碳化物(一次碳化物、剩余碳化物及析出碳化物)+少量殘余奧氏體，淬火溫度越高，馬氏體越粗大。

由圖2可知，1#試樣中有一些短桿狀碳化物，3#試樣中淬回火后組織為孿晶馬氏體和板條馬氏體的混合組織，這是由于1#試樣的淬火溫度(1 070 ℃)低于3#試樣(1 090 ℃)，導致存在較多未溶碳化物。

2.2 熱處理工藝對殘余奧氏體含量的影響

為研究不同熱處理工藝對Cr4Mo4V鋼中殘余奧氏體影響，對Cr4Mo4V鋼淬火后增加冷處理工序，不同熱處理工藝后Cr4Mo4V鋼中殘余奧氏體含量測試值見表2。Cr4Mo4V鋼試樣熱處理后奧氏體(220)和(200)X射線衍射圖如圖3所示。

表2 Cr4Mo4V鋼中殘余奧氏體含量測試值

由表2和圖3可以看出，隨淬火溫度升高，Cr4Mo4V鋼中殘余奧氏體含量增加。由于該軸承鋼在高溫使用過程中殘余奧氏體易發生轉變，導致體積變化，影響鋼的尺寸，因此，降低殘余奧氏體含量，可保證其制品尺寸穩定性，提高零件使用壽命和可靠性。

圖3 不同熱處理后CrMo4V鋼中奧氏體(220,上)和(200，下)的X射線衍射圖

2.3 熱處理工藝對斷裂韌性的影響

不同熱處理工藝后Cr4Mo4V鋼的斷裂韌性(KIC)測試結果見表3。

由表3可知，試樣的KIC值隨淬火溫度升高而減小。由于淬火溫度升高，馬氏體中固溶碳量增加，馬氏體較粗大，亞結構中孿晶數量增加，脆性增大。4#試樣的淬火溫度最高，但其斷裂韌性值并非最小，這是因為其顯微組織中存在更多殘余奧氏體，使其脆性有所降低[6]。4種熱處理工藝后試樣的KIC均較低，其脆性特征較明顯。

表3 斷裂韌性(KIC)測試結果

3 結論

1)Cr4Mo4V鋼經不同熱處理工藝處理后，其顯微組織均為回火馬氏體+碳化物(一次碳化物、剩余碳化物及析出碳化物)+少量殘余奧氏體，淬火溫度越高，馬氏體越粗大。

2)Cr4Mo4V鋼中殘余奧氏體含量隨淬火溫度的升高而增加；淬火溫度相同時，在回火前增加冷處理工序，可有效降低殘余奧氏體含量，以提高尺寸穩定性。

3)Cr4Mo4V鋼斷裂韌性KIC值隨淬火溫度的升高而降低；但淬火溫度在1 100 ℃時，由于殘余奧氏體數量增多，其脆性又有所減小。

4)Cr4Mo4V鋼較優的熱處理工藝為660 ℃×30 min→850 ℃×40 min→1 070 ℃×55 min+540 ℃×120 min(3次)。