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重點實驗室，河南 洛陽 471039；3. 滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，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上有明顯的優勢, 除具有一般軸承鋼的特性外，最主要的特點是在高溫工作環境下仍然具有較高的硬度、尺寸穩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 左右的航空發動機主軸軸承[2]，且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[3]，還常應用于制造航空發動機軸承、矢輪、凸輪、促進器、活塞等零部件。隨著國家航空航天工業的快速發展，為其配套的軸承工作環境要求更為嚴苛，部分工況下軸承使用溫度已達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 應運而生。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，為該材料的實際生產及應用提供參考依據。

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 的退火態棒料。兩種材料的化學成分見表1，原始硬度及冶金質量見表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 材料化學成分（質量分數，%）

1.2 試驗設備及試驗方法

在 WZC-45 真空油淬爐內進行淬火工藝試驗，在 HLT-80 冷處理設備中進行冷處理，在 UBE-600 空氣介質回火爐中進行回火。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、殘余奧氏體含量進行檢驗和檢測。高溫硬度試驗是在 HRN/T150A 高溫硬度計上進行的，試驗負荷選用 150 kg·N。試樣在高溫硬度計實驗臺上保護氣氛狀態下進行加熱，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，實驗完成后對其取平均值。沖擊實驗在 SUNS 三思縱橫 PTM-2100 沖擊試驗機上完成，實驗根據 GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》執行，每組試樣 5 個，實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，試驗機轉速為 2 040 r/min，潤滑介質為 N32 機 油，冷卻油溫小于 55 ℃，試驗方法采用完全失效法，試樣數量為 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 標準進行評定，G115Cr14Mo4V 試樣經淬火后晶粒度為 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19% 以上，大量合金元素與碳形成結晶偏析，在后續變形時延伸而成帶狀碳化物，后續熱處理很難消除，回火后的碳化物的尺寸和數量明顯比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致鋼中殘余奧氏體數量的增加，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踐已經證明，隨著鉻含量的增加，淬火后鋼中的殘余奧氏體量隨之增加，當鉻含量達到某一值后，淬火后鋼中殘留的奧氏體數量會大幅度增加[6]。 經回火后， 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變為馬氏體，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，經淬回火后形成大量的穩定碳化物，這些碳化物相較于基體具有優異的高溫穩定性，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，但由于產生大量的大塊狀共晶碳化物，導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，環形試樣固定在支承座內，將推力球軸承（51206）的鋼球保持架組件放置在軸圈與環形試樣之間，施加試驗力。當主軸轉動時，通過摩擦力驅動保持架中的鋼球進行自轉和公轉，在環形試樣上形成一條應力循環帶，直到循環帶上出現疲勞剝落坑為止。試驗原理圖見圖5。試樣經真空淬火、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，也使材料具備了優異的干摩擦性能，G115Cr14Mo4V 鋼的碳化物邊緣均呈現“圓滑”狀態，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，根據試驗發現，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 曲線參數計算結果

3 結論

（1）G115Cr14Mo4V 試樣經淬火后晶粒度為 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 鋼的沖擊性能優于G115Cr14Mo4V 鋼的沖擊性能。

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