尺寸穩定處理時8Cr4Mo4V軸承鋼的相變及其對尺寸變化的影響

王松，夏云志，于興福，趙開禮，馬欣新

(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 材料科學與工程學院，沈陽 110870；3．哈爾濱工業大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001)

8Cr4Mo4V軸承鋼是一種綜合性能極佳的高合金鋼[1-2]，具有高疲勞壽命、高溫硬度、高強度和高韌性等優點，400 ℃時的高溫硬度能保持58 HRC[3]，廣泛用于工作溫度316 ℃以下，dm·n值2.4×106mm·r/min以下的航空發動機主軸軸承。隨著航空技術的發展，航空器的飛行速度不斷提高，發動機的推重比越來越高，發動機軸承工作載荷越來越大，轉速和環境溫度越來越高,軸承服役壽命不足[4]已成為制約我國航空發動機性能進一步提升的瓶頸。由于發動機服役條件的苛刻限制，對高溫軸承材料的性能提出更高要求，即軸承零件滾動接觸表面要有高硬度和耐磨性。

8Cr4Mo4V軸承鋼熱處理淬火后獲得的組織主要是馬氏體[3]，為獲得高溫硬度和高韌性，還需進行高溫回火，通過二次碳化物的析出提高基體強度和韌性。零件中的馬氏體在高溫回火熱處理和服役期間會發生回火轉變，導致零件尺寸變化，另外殘余奧氏體也會不斷轉變為馬氏體，引起尺寸變化。

軸承是一種精密機械基礎件，內、外圈尺寸精度直接影響軸承的安裝質量和使用性能。如果8Cr4Mo4V軸承鋼的熱處理工藝不當或熱處理工藝參數不合理，會導致軸承在存放和工作期間發生相變，從而引起尺寸變化，造成軸承在使用時出現早期失效[5-9]，所以需進行穩定處理。穩定處理可使鋼中殘余奧氏體含量和淬火應力降低[10-11]，使軸承在存放和使用期間尺寸變化程度降低，保證軸承精度[12]。為此，通過對8Cr4Mo4V軸承鋼進行穩定處理，分析穩定處理期間的相變特征，并測量尺寸變化，了解穩定處理對8Cr4Mo4V軸承鋼的相變及零件尺寸的影響。

1 試驗方法

試驗材料為8Cr4Mo4V軸承鋼，初始狀態為退火態。

8Cr4Mo4V軸承鋼經淬火后，未經回火直接加工成φ5 mm×20 mm的試樣，用熱膨脹儀測定室溫至600 ℃的熱膨脹系數，分析相變對尺寸的影響。用差示掃描量熱儀(DSC)測試加熱期間的熱流變化，輔助分析相變規律，試樣尺寸為φ3 mm×1 mm。采用X射線衍射儀測量不同階段熱處理后鋼中殘余奧氏體的體積分數。

8Cr4Mo4V軸承鋼經淬火和回火后加工成6個φ30 mm×20 mm的圓柱體試樣，端面研磨后在端面標注尺寸測量點，然后進行穩定處理，并測量試樣尺寸。每次穩定處理包括冷處理和熱處理2個階段(圖1)。在穩定處理的不同階段采用分度值為0.2 μm的扭簧測微儀測量標記處端面的尺寸。采用S-3400N型掃描電鏡觀察腐蝕后的組織形貌，腐蝕劑配比為乙醇100 mL+苦味酸2.5 g+鹽酸5 mL。

圖1 8Cr4Mo4V軸承鋼穩定處理工藝曲線

2 結果與分析

2.1 熱處理后及穩定處理后的微觀組織

真空氣淬前退火態8Cr4Mo4V軸承鋼的組織形貌如圖2a所示，鋼中的碳化物主要為球形，最大直徑約1 μm，在基體中均勻分布。真空氣淬后的組織形貌如圖2b所示，晶粒尺寸均勻，最大晶粒尺寸小于20 μm。三次回火后獲得索氏體組織，同時有少量未溶碳化物和微量殘余奧氏體存在，組織形貌如圖2c所示。

圖2 不同熱處理狀態8Cr4Mo4V軸承鋼中的顯微組織形貌

經三次穩定處理后8Cr4Mo4V軸承鋼的微觀組織形貌如圖3所示。由圖可知，基體中存在白色細條狀組織，為回火過程中析出的二次碳化物，在析出碳化物的附近也存在一些殘余奧氏體組織，其顏色為淺灰色，亮度略低于白色析出碳化物。當進行一次穩定處理后，殘余奧氏體含量減少，在基體中析出了細小的點狀碳化物相，隨穩定處理次數的增加，點狀碳化物數量逐漸增多。

圖3 穩定處理前后8Cr4Mo4V軸承鋼的微觀組織

2.2 熱處理不同階段鋼中殘余奧氏體的含量

熱處理不同階段8Cr4Mo4V軸承鋼中殘余奧氏體的體積分數見表1。淬火后鋼中殘余奧氏體的體積分數為18.5%，經過550 ℃×2.5 h三次回火后，鋼中殘余奧氏體的體積分數為2.61%，然后經過穩定處理。由表1可以看出，隨著穩定處理次數的增加，8Cr4Mo4V軸承鋼中殘余奧氏體的體積分數減少。

表1 不同熱處理條件下8Cr4Mo4V軸承鋼中的殘余奧氏體含量

2.3 回火期間相轉變及對尺寸的影響

淬火后未經回火的8Cr4Mo4V軸承鋼由室溫至600 ℃升溫期間熱膨脹系數的變化規律如圖4所示。為確保試驗結果的準確性，測定2個試樣，曲線1和2均為淬火后的升溫曲線。由圖可知，試樣在升溫期間尺寸變化規律相同，主要存在3個區間。區間Ⅰ為馬氏體中析出碳化物，即形成回火馬氏體過程，試樣尺寸和比容減小；區間Ⅱ為殘余奧氏體轉變為馬氏體，試樣尺寸和比容增大；區間Ⅲ為馬氏體分解為鐵素體+滲碳體，試樣尺寸和比容減小。

圖4 淬火后8Cr4Mo4V軸承鋼升溫期間的熱膨脹系數變化

2.4 回火期間的相變溫度區間

淬火和回火狀態下8Cr4Mo4V軸承鋼升溫期間的熱流變化曲線如圖5所示。圖中虛線為淬火+三次回火鋼的曲線，實線為淬火鋼的曲線。區間Ⅰ的溫度為100～228 ℃，區間Ⅱ的溫度為228～328 ℃，區間Ⅲ的溫度為328～450 ℃。

圖5 加熱期間8Cr4Mo4V軸承鋼DSC曲線

綜合分析熱膨脹系數變化曲線和DSC熱流變化曲線，標定出回火期間各相變發生的溫度區間，如圖6所示。各相變區間存在重合，區間Ⅰ為馬氏體中析出碳化物，形成回火馬氏體的過程，馬氏體回火除了在該溫度區間發生外，在更高的溫度仍然可能發生。區間Ⅱ為殘余奧氏體轉變為馬氏體，試樣尺寸和比容均增大，區間Ⅱ與區間Ⅲ存在一定的重合區域。區間Ⅲ為馬氏體分解為鐵素體+滲碳體，試樣尺寸和比容均減小。

圖6 8Cr4Mo4V軸承鋼回火期間相變區間

2.5 穩定處理對尺寸的影響

穩定處理不同次數φ30 mm×20 mm的圓柱體尺寸變化平均值及尺寸變化率的分布分別如圖7、圖8所示。

圖7 8Cr4Mo4V軸承鋼穩定處理次數的尺寸變化平均值

圖8 8Cr4Mo4V軸承鋼穩定處理次數的尺寸變化率

由圖7可知，經一次穩定處理后，試樣尺寸縮小了8×10-5mm，說明在一次穩定熱處理期間，區間Ⅰ和區間Ⅲ的相變數量比例較大，體積減小，而體積增大的區間Ⅱ相變比例較小。二次穩定處理后，試樣尺寸增大了18×10-5mm，說明二次穩定處理中，區間Ⅱ相變比例較大，體積增大，而區間Ⅰ和區間Ⅲ的相變比例較小。經一次穩定處理后，8Cr4Mo4V軸承鋼中的多數馬氏體已經發生轉變，而二次穩定處理時鋼中殘余奧氏體轉變已經成為影響尺寸變化的主要因素。三次穩定處理后，試樣尺寸增大了1.5×10-5mm，說明鋼中的殘余奧氏體含量較少，在三次穩定處理中相變所引起的尺寸變化較小。

由圖8可知，經三次穩定處理后，鋼的尺寸變化相對量在±5×10-5mm范圍內，達到設計尺寸變化的要求。

3 結論

通過對8Cr4Mo4V軸承鋼穩定處理期間尺寸的測定和相轉變分析，得到以下結論：

1)穩定處理期間，馬氏體回火使8Cr4Mo4V軸承鋼尺寸減小，殘余奧氏體轉變使鋼尺寸增大，馬氏體分解成鐵素體+滲碳體使鋼尺寸減小。

2)8Cr4Mo4V軸承鋼熱處理后的一次穩定處理中，鋼中馬氏體回火及馬氏體分解比例較大，尺寸減小，高為20 mm圓柱試樣尺寸減小了8×10-5mm。二次穩定處理中，殘余奧氏體轉變比例較大，試樣尺寸增大18×10-5mm，經三次穩定處理后，試樣尺寸增大1.5×10-5mm，尺寸變化量較小，能夠滿足設計要求。