轴承用8Cr4Mo4V钢稳定热处理期间相转变分析_夏云志.pdf

收稿日期：2021-03-16基金项目：辽宁省教育厅项目（LJKM20220770）资助作者简介：夏云志（1985），男，工程师。引用格式：夏云志，于兴福，杨文武，等.轴承用8Cr4Mo4V钢稳定热处理期间相转变分析J.航空发动机，2023，49（3）：170-174.XIA Yunzhi，YUXingfu，YANG Wenwu，et al.Phase transformation analysis of 8Cr4Mo4V steel for bearing during stable heat treatmentJ.Aeroengine，2023，49（3）：170-174.轴承用8Cr4Mo4V钢稳定热处理期间相转变分析夏云志1，于兴福2，杨文武1，刘璐1，魏英华2，苏勇3（1.中国航发哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150500；2沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870；3.沈阳化工大学 机械与动力工程学院，沈阳110142）摘要：为了研究稳定热处理期间8Cr4Mo4V钢的组织转变及尺寸变化规律，采用热膨胀仪和差热分析仪测定经淬火和回火处理后的8Cr4Mo4V钢升温期间相变引起的尺寸及热流变化特征，分析了稳定热处理期间钢的相变特征，并采用扫描电镜观察了稳定处理后的微观组织。结果表明：在8Cr4Mo4V钢淬火后的回火升温期间，马氏体回火相变温度为132243，残余奥氏体转变温度为215303，马氏体分解为铁素体+碳化物的温度为278420。随着稳定处理次数的增加，8Cr4Mo4V钢中的马氏体发生回火转变的温度及马氏体分解为铁素体+碳化物的温度逐渐升高，钢中亚稳相的稳定性增加。当进行3次稳定处理后，未检测到钢中发生马氏体回火相变，而马氏体分解为铁素体+碳化物的相变仍然存在。微观组织观察表明，随着稳定次数的增加，钢中析出的碳化物数量增多。关键词：航空轴承钢；8Cr4Mo4V；尺寸稳定性；差热分析；热膨胀；航空发动机中图分类号：V252.1文献标识码：Adoi：10.13477/ki.aeroengine.2023.03.022Phase Transformation Analysis of 8Cr4Mo4V Steel for Bearing During Stable Heat TreatmentXIA Yun-zhi1，YU Xing-fu2，YANG Wen-wu1，LIU Lu1，WEI Ying-hua2，SU Yong3（1.AECC Harbin Bearing Co，Ltd，Harbin 150500，China；2.School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China；3.School of Mechanical and Power Engineering，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，China）Abstract：In order to study the microstructure transformation and dimensional change characteristics of 8Cr4Mo4V steel during stabilization heat treatment，the characteristics of dimension and heat flux changes caused by phase transformation during heating of 8Cr4Mo4Vsteel after quenching and tempering were measured by thermal dilatometer and differential thermal analyzer.The phase transformation characteristics of the steel during stabilization heat treatment were analyzed.The microstructure of the steel was observed by SEM.The resultsshow that after quenching of 8Cr4Mo4V steel，during the temperature rise period of tempering，the tempering transformation temperatureof martensite is 132-243，the transformation temperature of retained austenite is 215-303，and the decomposition temperature ofmartensite into ferrite and carbide is 278-420.As the number of stabilization treatments increases，the tempering transformation temperature of martensite and the decomposition temperature of martensite into ferrite and carbide gradually increase，and the stability of metastable phase increases.After three stabilization treatments，no tempering transformation of martensite was detected，while the transformationof martensite into ferrite and carbide still existed.The microstructure observation shows that the amount of carbide precipitate increaseswith the increase of stabilization treatment numbers.Key words：aviation bearing steel；8Cr4Mo4V；dimensional stability；differential thermal analysis；thermal expansion；aeroengine航空发动机Aeroengine0引言8Cr4Mo4V钢具有较高的疲劳强度和疲劳寿命，在高温条件下的硬度、强度和韧性等力学性能指标优异1，具有良好的综合力学性能2-3，可应用于工作温度为150300 的航空发动机、燃气轮机的主轴轴承制造。随着航空器的飞行速度不断提高，发动机的推重比越来越大，轴承工作载荷增高，转速增大，轴承服第 49 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.49 No.3Jun.2023夏云志等：轴承用8Cr4Mo4V钢稳定热处理期间相转变分析第 3 期役温度也越来越高。轴承在加工、存放和服役期间因亚稳相转变、残余应力释放导致轴承零件尺寸发生变化，降低了轴承的加工尺寸精度和精度等级，严重时甚至会导致轴承服役寿命缩短，成为制约中国航空发动机性能提升的主要瓶颈之一4。航空发动机轴承工作服役条件恶劣，要求轴承表面有高的硬度和耐磨性，因此轴承热处理后主要为具有高的硬度和耐磨性的马氏体或贝氏体组织，才能够满足轴承的使用要求。龚建勋等2采用真空气体淬火的方式对8Cr4Mo4V轴承钢进行热处理，淬火后获得的主要组织为马氏体，为了使轴承钢具有高硬度及高韧性，对 8Cr4Mo4V钢进行高温回火，通过二次碳化物在回火期间的析出使轴承钢韧化和强化；王松等5-6研究发现，经淬、回火处理后，在8Cr4Mo4V钢中仍然存在不稳定的残余奥氏体相，在后续的加工、存放和零件服役期间，残余奥氏体会向马氏体转变，引起尺寸变化，奥氏体转变成的马氏体组织发生回火转变，析出碳化物，同样会引起尺寸的变化；Hunkel7发现残余奥氏体的转变仅受奥氏体稳定化的影响；王顺兴等8发现轴承在存放和工作服役期间，轴承钢内发生的相变会引起尺寸的变化，导致轴承在使用时早期失效，从而降低轴承的使用安全性和使用寿命；李爱民等9研究发现，轴承零件在存放及服役期间的尺寸稳定性成为影响其能否正常使用以及服役寿命长短的1个主要因素；王金玲等10研究认为，如果采用的热处理工艺不当或热处理工艺参数不合理，都会导致 8Cr4Mo4V钢轴承在存放和工作期间因发生相变而引起尺寸变化11-12，需要对轴承加工过程进行稳定处理使钢中的残余奥氏体含量减少，淬火应力降低13-14，使轴承的尺寸变化率降低15，保证轴承的精度。但稳定处理期间轴承钢内的相变特征及其对轴承尺寸变化的影响，仍需要深入探讨和分析。本文采用差热扫描量热仪（DSC）模拟8Cr4Mo4V轴承钢的稳定热处理，测定稳定处理期间因发生相变而导致的热流变化，以确定8Cr4Mo4V钢在稳定处理期间的相变特征。1试验材料与方法样品初始状态为退火态的8Cr4Mo4V钢，采用真空淬火炉对其进行热处理，淬火后的试样再进行高温回火处理。将经过淬火和回火的样品加工成520的试样，采用热膨胀仪测定由室温升温至600 期间的尺寸变化，用以分析确定回火转变期间各相变发生的温度区间。在淬火+回火处理的样品上切取尺寸为 31 的试片，采用差热扫描量热仪（DifferentialScanning Calorimeter，DSC）测定由室温至600 升温期间的热流变化特征，从而确定回火处理后，钢中仍然存在的相变及温度范围。DSC具备精确控温进行热处理和冷处理能力，通过测定热流变化确定相变特征。为了分析连续稳定处理条件下钢中相的转变特征，采用DSC进行稳定处理，其升温、降温条件与常规稳定热处理一致。8Cr4Mo4V钢的热处理工艺流程如图 1 所示。经热处理后，取部分试样进行稳定化处理。将经过稳定处理后的试样，采用热膨胀仪测量升温期间的相变特征，用以确定稳定处理效果。采用S-3400N型扫描电镜观察钢中的组织状态，组织观察用腐蚀剂的配比为：CHOH 100 ml+（NO2）3C6H2OH2.5g+HCl 5 ml。2试验分析2.18Cr4Mo4V钢的相变区间及其尺寸变化特征采用热膨胀仪测定淬火处理后8Cr4Mo4V钢，回火期间的热膨胀系数如图2所示。将热膨胀曲线的尺寸变化特征和加热期间DSC曲线中所反映的相变期间的热晗变化特征5相结合，可以精确确定钢中相图1热处理工艺流程工序温度淬火预热终热预热温度终热温度t1t2t3t3t3冷却1次回火2次回火3次回火通入氮气冷却回火温度通入氮气冷却通入氮气冷却通入氮气冷却回火温度回火温度时间/min图2回火期间8Cr4Mo4V钢的热膨胀系数171航空发动机第 49 卷变发生的温度范围。综合分析后，确定淬火后的8Cr4Mo4V钢在升温过程中主要存在3个相变区间，其中，区间 I 起始温度为 132 左右，结束温度为243 左右，为马氏体中析出碳化物，即马氏体发生回火转变形成回火马氏体的过程，马氏体由正方晶格转变为立方晶格16，比容降低，尺寸减小；当温度超过215 时，为第II相变区间，钢中的残余奥氏体将转变为马氏体组织，从而引起体积的增大，从图中可见，I区间，即马氏体的回火转变区间，与第II相变区间，即残余奥氏体的转变区间存在搭接区。第II区间的起始温度为215 左右，结束温度为303 左右，区间II为残余奥氏体转变为马氏体，比容增大，尺寸增大。而第III区间为马氏体分解为铁素体+碳化物，区间III的起始温度为278，结束温度为420 左右，比容减小，尺寸降低，区间II与区间III之间也存在搭接区。2.28Cr4Mo4V钢稳定处理后相变温度及相变特征2.2.1升温过程中相变温度8Cr4Mo4V钢经淬火+3次高温回火后，相变引起的尺寸变化特别微小，采用热膨胀仪已经难以测定出明显的相变温度及相变区间特征，因此需要采用具有更高精度的差热分析仪来测定。采用DSC1型差热分析仪，测定出经3次高温回火后的8Cr4Mo4V钢由室温升高至600 期间的相变特征，如图3所示。区间I为马氏体回火转变，在曲线上能够看到明显的热流变化，区间II为残余奥氏体转变为马氏体转变，由于钢中残余奥氏体含量较少（3%），因此试样中残余奥氏体转变未在热流曲线上有明显的热流变化特征，而区间III为马氏体分解为铁素体+碳化物，存在明显的热流变化特征，转变的峰值温度为377。2.2.2稳定处理对相变的影响通过对图 3 热流变化曲线的分析，可以确定8Cr4Mo4V钢稳定处理加热温度应该在377 以上，由于DSC设备能力的限制，冷处理选用的温度为-20。采用差热分析仪模拟回火后的 8Cr4Mo4V钢稳定热处理过程，其热流变化曲线如图4（a）所示。模拟稳定处理期间，第1次稳定处理升温过程和第2次稳定处理升温过程数据单独取出后进行比较，如图4（b）所示。首次升温过程中，在202、255、315和386 存在相变反应峰，其中 386 峰位相变转变结束温度为396。对应的相变区间分别为马氏体回火转变区间、残余奥氏体转变区间和马氏体分解为铁素体+碳化物区间。而第2次升温期间，各温度相变产生的热流峰值降低，甚至消失，只有在386 附近存在1个明显的相变峰，且相变温度与第 1 次升温相比有所降低，说明在第2次稳定处理期间第III区间的相变仍然有发生。在第1次稳定处理阶段保温期间各个区间的热流曲线逐渐上升，说明有相变在连续的进行，而图3经3次高温回火后8Cr4Mo4V钢升温期间的相变特征（a）8Cr4Mo4V钢稳定处理模拟（b）2次升温热流变化对比图4稳定处理期间的热流变化情况172夏云志等：轴承用8Cr4Mo4V钢稳定热处理期间相转变分析第 3 期在温度处理的第2阶段，曲线上升幅度减小，说明相变的转变量较小。采用差热扫描量热仪对经过淬火+高温回火的8Cr4Mo4V轴承钢进行稳定处理，稳定处理不同次数。稳定热处理后再升温期间的热流变化特征如图5所示。按照回火后升温确定的各个相变区间，对其相变特征进行分析。回火后的 8Cr4Mo4V钢的相变区间仍然位于相对应的区间段内。经 1 次稳定处理后，8Cr4Mo4V钢仍然发生马氏体回火转变，但是转变温度与回火后相比，温度升高，其发生的温度范围已经进入第II区间范围。而第III区间发生的马氏体转变为铁素体+碳化物的温度提高至400 以上。经2次稳定处理后，仍然存在马氏体回火转变，但是转变温度升高，转变发生在了第III区间范围内。而原在第III阶段发生的马氏体转变为铁素体+碳化物的温度提高至450 以上。经3次稳定处理后，马氏体回火转变已经非常的少，看不到明显的峰值存在，而原在第III阶段发生的马氏体转变为铁素体+碳化物的相变，也已经看不到尖锐的转变峰值特征，但是仍然存在转变特征。3讨论3.1稳定处理对8Cr4Mo4V钢微观组织的影响8Cr4Mo4V钢经不同次数稳定处理后的微观组织形貌如图 6 所示。从图中可见，随着稳定次数的增加，钢中析出的颗粒状碳化物数量增加。这主要是由于马氏体回火及马氏体分解形成颗粒状碳化物，随着稳定次数的增加，颗粒状碳化物数量增多。在稳定处理期间，首先发生的是马氏体回火转变，马氏体分解出碳化物，该碳化物的主要成分为Fe2.4C，由于温度低，合金元素难于扩散因此还不能形成合金碳化物（Fe，Cr，Mo，V）3C。随着稳定化处理温度的提高，当温度高于300 以上时，发生马氏体转变为铁素体+合金渗碳体的转变，由马氏体基体中析出合金渗碳体（Fe，Cr，Mo，V）3C，此时基体中碳含量降低，析出-Fe组织，即分解为铁素体+合金渗碳体，随着温度的进一步提高，合金渗碳体将再次析出（Mo，V）C颗粒状碳化物，因此随着稳定次数的增加，合金中析出的碳化物数量也会增多。3.2稳定处理对相稳定性的影响因素分析从图5中可见，钢中相变温度逐渐升高，表明钢中相的稳定性增强。钢在稳定处理期间，主要发生的是马氏体回火转变、残余奥氏体向马氏体的转变，以及马氏体分解为铁素体和碳化物的过程。第1次稳定处理期间，会有部分马氏体转变为回火马氏体，体积减小，因此会导致微观局部内应力由压应力向着拉应力的转变，应力大小和应力状态的转变，有利于奥氏体向马氏体的转变，因此随着温度升高，残余奥氏体将转变为马氏体，另外随着温度升高马氏体将进一步分解为铁素体+碳化物。在1次稳定处理期间，由残余奥氏体新形成的马氏体，将在2次稳定处理中发生回火及分解转变。而在2次稳定处理期间，由于新形成的马氏体数量相比于第1次稳定处理数量减少，且马氏体的稳定性与上一次稳定阶段获得的马氏体相比更高，因此其分解温度将比1次稳定处理要高，同时因为基体钢中碳元素含量的降低及碳化物再次形成合金碳化物需要长程扩散才能完成碳化物的析出，因此需要更高的温度来满足碳元素的长程扩散，图5稳定热处理后再升温期间的热流变化特征图6稳定处理不同次数的组织形貌（a）淬+高温回火（b）1次稳定（c）2次稳定（d）3次稳定173航空发动机第 49 卷导致了碳化物的析出温度提高。因此，随着稳定处理次数的增高，钢中的马氏体回火温度、碳化物析出温度均将有所提高。当稳定处理进行，3次以后，残余奥氏体数量降低，导致转变成马氏体数量减少，因此能够发生马氏体分解的相数量很少，几乎观察不到相变特征，而合金碳化物的析出受合金元素扩散控制，因此在3次稳定热处理后仍然会析出，但是其析出温度已经高于500。4结论（1）8Cr4Mo4V钢经淬火处理后升温时马氏体回火相变温度区间为132243，残余奥氏体转变温度区间为215303，马氏体分解为铁素体+碳化物的温度区间为278420；（2）采用稳定处理时，随着稳定处理次数的增加，钢中的马氏体回火温度及马氏体分解为铁素体+碳化物的温度逐渐升高，随着稳定次数的增加钢中相的稳定性增加，进行3次稳定处理后，钢中相变温度达到400 以上；（3）微观组织观察表明，随着稳定次数的增加，钢中析出的碳化物数量增多。参考文献：1 龚建勋，雷建中.热处理工艺对Cr4Mo4V钢显微组织及断裂韧性的影响J.轴承，2015（9）：35-37.GONG Jianxun，LEI Jianzhong.Effect of heat treatment process onmicrostructures and fracture toughness of steel Cr4Mo4V J.Bearing，2015（9）：35-37.（in Chinese）2 孙立钧.M50 钢与 S8Cr4Mo4V 钢性能对比分析J.哈尔滨轴承，2012，33（2）：5-8.SUN Lijun.Comparison and analysis of steel performance betweenM50 and S8Cr4Mo4V J.Journal of Harbin Bearing，2012，33（2）：5-8.（in Chinese）3 Vincent L，Coquillet B，Guiraldenq P.Fatigue damage of ball bearingsteel：influence of phases dispersed in the martensitic matrix J.Metallurgical Transactions A，1980，11（6）：1001-1006.4 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