穩定處理對8Cr4Mo4V鋼及M50鋼力學性能的影響

于興福，鄭冬月，王慧敏，夏云志，蘇勇

(1.沈陽工業大學 a.機械工程學院；b.材料科學與工程學院，沈陽 110870；2.中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025；3.沈陽化工大學 機械與動力工程學院，沈陽 110142)

軸承鋼的質量對軸承的性能、壽命和可靠性有直接的影響。航空軸承在高速、高溫、大載荷、環境苛刻的條件下工作，對軸承鋼提出了高硬度,高韌性,良好的尺寸穩定性，優良的耐腐蝕,抗氫脆,耐摩擦磨損性能,高制造精度等要求[1-2]。

國外M50鋼(國內牌號8Cr4Mo4V)是一種全硬化馬氏體軸承鋼，在400 ℃以上仍可保持優異的耐磨性、尺寸穩定性和高硬度，主要用于噴氣發動機和其他高溫應用場合[3-4]。8Cr4Mo4V 鋼主要成分與M50鋼相當，是一種綜合性能極佳的高溫軸承鋼，具有優良的高溫強度、熱穩定性、抗氧化性及抗熱疲勞性能等優點[5-6], 且在氧化和燃氣條件下能承受復雜應力, 同時又具有較小的線膨脹系數，作為M50鋼的替代產品廣泛用于航空、航天及船舶工業的零件加工[7]。

熱處理是可以影響和改變軸承性能的重要因素，好的熱處理工藝與軸承鋼的結合，能夠使軸承零件獲得高硬度、高強度、高耐磨性、高疲勞強度和良好的機加工性能以及尺寸穩定性。目前8Cr4Mo4V鋼和M50鋼在相同熱處理工藝條件下獲得的綜合性能仍然存在差異，特別是力學性能和尺寸穩定性的差異明顯，原因為經幾十年的發展，熱處理工藝與M50鋼成分不斷的完善和改進，達到了良好的匹配，而8Cr4Mo4V 鋼在熱處理工藝上仍未達到最佳，因此生產出的軸承在綜合性能及使用壽命上仍低于M50鋼制軸承。前期的研究表明，對8Cr4Mo4V鋼和M50鋼進行穩定處理能夠提高軸承的尺寸穩定性[8]，但是其對軸承力學性能的影響，以及兩種鋼在尺寸穩定處理期間的力學性能變化特征仍然未知。因此，本研究對比分析穩定熱處理對M50鋼與8Cr4Mo4V鋼的主要性能差異，擬通過穩定處理工藝的應用提高國產8Cr4Mo4V鋼的力學性能。

1 試驗及方法

1.1 試樣材料及尺寸

材料為國產8Cr4Mo4V-YB4105鋼和國外M50鋼，具體成分見表1。

表1 M50鋼與8Cr4Mo4V鋼化學成分的質量分數

表面硬度測量試樣尺寸為φ12 mm×10 mm，測量點為兩側端面。拉伸性能測試采用兩端帶有M14螺紋，標距段尺寸為φ5 mm×23 mm的試樣，先車削加工并留有一定的余量，完成熱處理后再進行標距段的磨削加工。沖擊試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，采用U2形缺口，缺口在完成熱處理后加工。旋轉彎曲疲勞試驗的試樣需加工出毛料后進行熱處理，再加工至最終尺寸，試樣尺寸如圖1所示。組織觀察用試樣為15 mm×15 mm×15 mm。

圖1 旋轉彎曲疲勞性能試樣尺寸

1.2 熱處理工藝過程

首先對8Cr4Mo4V鋼和M50鋼試樣采用相同的加熱溫度、保溫時間、氣淬壓力進行淬火，然后采用相同的回火溫度和保溫時間進行回火，如圖2所示。對回火后試樣再進行穩定處理，穩定處理采用冷處理和熱處理相結合的方法進行，冷處理工藝為-60 ℃×5 h，熱處理工藝為500 ℃×5 h，采用的工藝方法與文獻[8]相同。

圖2 8Cr4Mo4V鋼和M50鋼的熱處理工藝曲線

1.3 測試方法

采用洛氏硬度計測量試樣的表面硬度；采用萬能試驗機測定試樣的拉伸性能；采用擺錘式沖擊試驗機測量試樣的沖擊功；采用QBWP-10000型旋轉彎曲疲勞試驗機測定試樣旋轉彎曲疲勞極限強度，測量方法采用階梯法，轉速為5 000 r/min；采用S-3400N型鎢燈絲和ZEISS熱場掃描電子顯微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；采用XRD法測定20 mm×20 mm×10 mm的鋼試樣中殘余奧氏體的含量，測量采用鈷靶，掃描速度為1°/min。

2 試驗結果及分析

2.1 硬度

經真空淬火+回火處理后，試樣在不同狀態下的硬度見表2。8Cr4Mo4V鋼的硬度平均值為60.28 HRC，M50鋼的硬度平均值為61.86 HRC，均滿足不小于60 HRC的軸承使用標準。經穩定處理后，8Cr4Mo4V鋼的硬度為61.60 HRC，提高了1.32 HRC，而M50鋼的硬度為61.76 HRC，硬度變化不大。經穩定處理后，8Cr4Mo4V鋼與M50鋼的硬度相當。

表2 8Cr4Mo4V鋼和M50鋼的硬度

2.2 拉伸性能

試樣的拉伸性能見表3：經真空淬火+回火處理后，8Cr4Mo4V鋼的屈服強度Rp0.2為2 261 MPa，抗拉強度Rm為2 452 MPa，延伸率δ為4.11%；而M50鋼的屈服強度和抗拉強度均高于8Cr4Mo4V鋼，其屈服強度為2 297 MPa，抗拉強度為2 618 MPa，但延伸率與8Cr4Mo4V鋼相比有所降低，為2.85%；穩定處理后8Cr4Mo4V鋼的屈服強度為2 257 MPa，抗拉強度為2 451 MPa，延伸率為4.79%，與淬火+回火態相當，變化幅度較小，而穩定處理后M50鋼的屈服強度和抗拉強度均有所提高，M50鋼的屈服強度為2 391 MPa，提高了約100 MPa，抗拉強度為2 640 MPa，提高了約20 MPa,延伸率為2.50%。

表3 8Cr4Mo4V鋼和M50鋼的拉伸性能

2.3 沖擊性能

試樣的沖擊功見表4，真空淬火+回火處理后8Cr4Mo4V鋼的沖擊功可達到13.13 J，而M50鋼的沖擊功為8.75 J。穩定處理后8Cr4Mo4V鋼的沖擊功為13.65 J，與穩定處理前相比變化不大，而M50鋼的沖擊功為9.75 J，與真空淬火+回火態相比提高了1.0 J。

表4 8Cr4Mo4V鋼和M50鋼的沖擊性能

2.4 旋轉彎曲疲勞極限強度

試樣的旋轉彎曲疲勞極限強度見表5：真空淬火+回火處理后8Cr4Mo4V鋼的旋轉彎曲疲勞極限強度為740 MPa，而M50鋼的為790 MPa；穩定處理后8Cr4Mo4V鋼的旋轉彎曲疲勞極限強度提高至1 060 MPa，提高幅度為43.2%，而M50鋼的旋轉彎曲疲勞極限強度提高至970 MPa，提高幅度為22.7%。

表5 8Cr4Mo4V鋼和M50鋼的旋轉彎曲疲勞極限強度

2.5 微觀組織

試樣經真空淬火+回火處理后的微觀組織如圖3所示，2種鋼的化學成分相似，經相同的淬火+回火處理后出現性能差異，主要原因是碳化物析出的差異，8Cr4Mo4V鋼中碳化物析出數量少于M50鋼，M50鋼中碳化物析出尺寸大，數量多，排列規則。8Cr4Mo4V鋼若想達到與M50鋼性能相當，需要調整熱處理后鋼中碳化物析出量和析出方式。

圖3 8Cr4Mo4V鋼和M50鋼經真空淬火+回火后的微觀組織

8Cr4Mo4V鋼和M50鋼經穩定處理后的微觀組織如圖4所示：穩定處理后8Cr4Mo4V鋼中的碳化物析出量與真空淬火+回火相比有所增多，而M50鋼中的碳化物析出量與真空淬火+回火相比稍有減少，碳化物長度尺寸稍有減小。穩定處理后M50鋼的碳化物數量減少，主要是由于在穩定處理期間碳化物發生偏聚，使單個碳化物直徑增大，發生了類似球化轉變所致。經穩定處理后，8Cr4Mo4V鋼和M50鋼中碳化物數量相當，性能差距減小。

圖4 8Cr4Mo4V鋼和M50鋼經穩定處理后的微觀組織

奧氏體是一種不穩定相，有向馬氏體組織轉變的趨勢。當鋼中的殘余奧氏體組織轉變為馬氏體組織時，由于馬氏體的比容比奧氏體大，會導致軸承鋼尺寸變化，最終造成軸承尺寸穩定性降低[9]。

對穩定處理前后試樣的殘余奧氏體含量(體積分數)進行檢測，結果見表6。由于采用X衍射儀法測量的殘余奧氏體精度僅能達到3%，因此測量得到的小于3%含量僅作為8Cr4Mo4V鋼和M50鋼穩定熱處理后殘余奧氏體變化趨勢的比較，并不能代表鋼中實際殘余奧氏體含量。當鋼中的殘余奧氏體含量降低至3%以下時，對試樣的尺寸變化才不會產生明顯影響。經穩定處理后，8Cr4Mo4V鋼和M50鋼中殘余奧氏體含量均降低，轉變為馬氏體，因此材料硬度會有小幅度升高，尺寸穩定性也同時提高，零件尺寸因殘余奧氏體轉變所引起的尺寸變化減小。

表6 8Cr4Mo4V鋼和M50鋼的殘余奧氏體含量

3 結束語

對國產8Cr4Mo4V鋼和國外M50鋼組織及力學性能的對比表明，真空淬火+回火處理后8Cr4Mo4V鋼的力學性能低于M50鋼，而經穩定工藝處理后，8Cr4Mo4V鋼的力學性能與M50鋼基本持平，甚至疲勞性能高于M50鋼。材料的力學性能由其微觀組織決定，2種鋼性能差異的主要原因是碳化物的析出及其分布特征。穩定處理后8Cr4Mo4V鋼中的碳化物析出量增加，同時殘余奧氏體含量降低，這使8Cr4Mo4V鋼的硬度和旋轉彎曲疲勞性能明顯升高，同時拉伸性能和沖擊性能沒有明顯降低。因此，采用穩定處理工藝可提高8Cr4Mo4V鋼的綜合力學性能和尺寸穩定性。