稳定处理对8Cr4Mo4V钢及M50钢力学性能的影响

于兴福，郑冬月，王慧敏，夏云志，苏勇

(1.沈阳工业大学 a.机械工程学院；b.材料科学与工程学院，沈阳 110870；2.中国航发哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150025；3.沈阳化工大学 机械与动力工程学院，沈阳 110142)

轴承钢的质量对轴承的性能、寿命和可靠性有直接的影响。航空轴承在高速、高温、大载荷、环境苛刻的条件下工作，对轴承钢提出了高硬度,高韧性,良好的尺寸稳定性，优良的耐腐蚀,抗氢脆,耐摩擦磨损性能,高制造精度等要求[1-2]。

国外M50钢(国内牌号8Cr4Mo4V)是一种全硬化马氏体轴承钢，在400 ℃以上仍可保持优异的耐磨性、尺寸稳定性和高硬度，主要用于喷气发动机和其他高温应用场合[3-4]。8Cr4Mo4V 钢主要成分与M50钢相当，是一种综合性能极佳的高温轴承钢，具有优良的高温强度、热稳定性、抗氧化性及抗热疲劳性能等优点[5-6], 且在氧化和燃气条件下能承受复杂应力, 同时又具有较小的线膨胀系数，作为M50钢的替代产品广泛用于航空、航天及船舶工业的零件加工[7]。

热处理是可以影响和改变轴承性能的重要因素，好的热处理工艺与轴承钢的结合，能够使轴承零件获得高硬度、高强度、高耐磨性、高疲劳强度和良好的机加工性能以及尺寸稳定性。目前8Cr4Mo4V钢和M50钢在相同热处理工艺条件下获得的综合性能仍然存在差异，特别是力学性能和尺寸稳定性的差异明显，原因为经几十年的发展，热处理工艺与M50钢成分不断的完善和改进，达到了良好的匹配，而8Cr4Mo4V 钢在热处理工艺上仍未达到最佳，因此生产出的轴承在综合性能及使用寿命上仍低于M50钢制轴承。前期的研究表明，对8Cr4Mo4V钢和M50钢进行稳定处理能够提高轴承的尺寸稳定性[8]，但是其对轴承力学性能的影响，以及两种钢在尺寸稳定处理期间的力学性能变化特征仍然未知。因此，本研究对比分析稳定热处理对M50钢与8Cr4Mo4V钢的主要性能差异，拟通过稳定处理工艺的应用提高国产8Cr4Mo4V钢的力学性能。

1 试验及方法

1.1 试样材料及尺寸

材料为国产8Cr4Mo4V-YB4105钢和国外M50钢，具体成分见表1。

表1 M50钢与8Cr4Mo4V钢化学成分的质量分数

表面硬度测量试样尺寸为φ12 mm×10 mm，测量点为两侧端面。拉伸性能测试采用两端带有M14螺纹，标距段尺寸为φ5 mm×23 mm的试样，先车削加工并留有一定的余量，完成热处理后再进行标距段的磨削加工。冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm，采用U2形缺口，缺口在完成热处理后加工。旋转弯曲疲劳试验的试样需加工出毛料后进行热处理，再加工至最终尺寸，试样尺寸如图1所示。组织观察用试样为15 mm×15 mm×15 mm。

图1 旋转弯曲疲劳性能试样尺寸

1.2 热处理工艺过程

首先对8Cr4Mo4V钢和M50钢试样采用相同的加热温度、保温时间、气淬压力进行淬火，然后采用相同的回火温度和保温时间进行回火，如图2所示。对回火后试样再进行稳定处理，稳定处理采用冷处理和热处理相结合的方法进行，冷处理工艺为-60 ℃×5 h，热处理工艺为500 ℃×5 h，采用的工艺方法与文献[8]相同。

图2 8Cr4Mo4V钢和M50钢的热处理工艺曲线

1.3 测试方法

采用洛氏硬度计测量试样的表面硬度；采用万能试验机测定试样的拉伸性能；采用摆锤式冲击试验机测量试样的冲击功；采用QBWP-10000型旋转弯曲疲劳试验机测定试样旋转弯曲疲劳极限强度，测量方法采用阶梯法，转速为5 000 r/min；采用S-3400N型钨灯丝和ZEISS热场扫描电子显微镜观察腐蚀后的组织形貌，腐蚀剂配比为乙醇100 mL+苦味酸2.5 g+盐酸5 mL；采用XRD法测定20 mm×20 mm×10 mm的钢试样中残余奥氏体的含量，测量采用钴靶，扫描速度为1°/min。

2 试验结果及分析

2.1 硬度

经真空淬火+回火处理后，试样在不同状态下的硬度见表2。8Cr4Mo4V钢的硬度平均值为60.28 HRC，M50钢的硬度平均值为61.86 HRC，均满足不小于60 HRC的轴承使用标准。经稳定处理后，8Cr4Mo4V钢的硬度为61.60 HRC，提高了1.32 HRC，而M50钢的硬度为61.76 HRC，硬度变化不大。经稳定处理后，8Cr4Mo4V钢与M50钢的硬度相当。

表2 8Cr4Mo4V钢和M50钢的硬度

2.2 拉伸性能

试样的拉伸性能见表3：经真空淬火+回火处理后，8Cr4Mo4V钢的屈服强度Rp0.2为2 261 MPa，抗拉强度Rm为2 452 MPa，延伸率δ为4.11%；而M50钢的屈服强度和抗拉强度均高于8Cr4Mo4V钢，其屈服强度为2 297 MPa，抗拉强度为2 618 MPa，但延伸率与8Cr4Mo4V钢相比有所降低，为2.85%；稳定处理后8Cr4Mo4V钢的屈服强度为2 257 MPa，抗拉强度为2 451 MPa，延伸率为4.79%，与淬火+回火态相当，变化幅度较小，而稳定处理后M50钢的屈服强度和抗拉强度均有所提高，M50钢的屈服强度为2 391 MPa，提高了约100 MPa，抗拉强度为2 640 MPa，提高了约20 MPa,延伸率为2.50%。

表3 8Cr4Mo4V钢和M50钢的拉伸性能

2.3 冲击性能

试样的冲击功见表4，真空淬火+回火处理后8Cr4Mo4V钢的冲击功可达到13.13 J，而M50钢的冲击功为8.75 J。稳定处理后8Cr4Mo4V钢的冲击功为13.65 J，与稳定处理前相比变化不大，而M50钢的冲击功为9.75 J，与真空淬火+回火态相比提高了1.0 J。

表4 8Cr4Mo4V钢和M50钢的冲击性能

2.4 旋转弯曲疲劳极限强度

试样的旋转弯曲疲劳极限强度见表5：真空淬火+回火处理后8Cr4Mo4V钢的旋转弯曲疲劳极限强度为740 MPa，而M50钢的为790 MPa；稳定处理后8Cr4Mo4V钢的旋转弯曲疲劳极限强度提高至1 060 MPa，提高幅度为43.2%，而M50钢的旋转弯曲疲劳极限强度提高至970 MPa，提高幅度为22.7%。

表5 8Cr4Mo4V钢和M50钢的旋转弯曲疲劳极限强度

2.5 微观组织

试样经真空淬火+回火处理后的微观组织如图3所示，2种钢的化学成分相似，经相同的淬火+回火处理后出现性能差异，主要原因是碳化物析出的差异，8Cr4Mo4V钢中碳化物析出数量少于M50钢，M50钢中碳化物析出尺寸大，数量多，排列规则。8Cr4Mo4V钢若想达到与M50钢性能相当，需要调整热处理后钢中碳化物析出量和析出方式。

图3 8Cr4Mo4V钢和M50钢经真空淬火+回火后的微观组织

8Cr4Mo4V钢和M50钢经稳定处理后的微观组织如图4所示：稳定处理后8Cr4Mo4V钢中的碳化物析出量与真空淬火+回火相比有所增多，而M50钢中的碳化物析出量与真空淬火+回火相比稍有减少，碳化物长度尺寸稍有减小。稳定处理后M50钢的碳化物数量减少，主要是由于在稳定处理期间碳化物发生偏聚，使单个碳化物直径增大，发生了类似球化转变所致。经稳定处理后，8Cr4Mo4V钢和M50钢中碳化物数量相当，性能差距减小。

图4 8Cr4Mo4V钢和M50钢经稳定处理后的微观组织

奥氏体是一种不稳定相，有向马氏体组织转变的趋势。当钢中的残余奥氏体组织转变为马氏体组织时，由于马氏体的比容比奥氏体大，会导致轴承钢尺寸变化，最终造成轴承尺寸稳定性降低[9]。

对稳定处理前后试样的残余奥氏体含量(体积分数)进行检测，结果见表6。由于采用X衍射仪法测量的残余奥氏体精度仅能达到3%，因此测量得到的小于3%含量仅作为8Cr4Mo4V钢和M50钢稳定热处理后残余奥氏体变化趋势的比较，并不能代表钢中实际残余奥氏体含量。当钢中的残余奥氏体含量降低至3%以下时，对试样的尺寸变化才不会产生明显影响。经稳定处理后，8Cr4Mo4V钢和M50钢中残余奥氏体含量均降低，转变为马氏体，因此材料硬度会有小幅度升高，尺寸稳定性也同时提高，零件尺寸因残余奥氏体转变所引起的尺寸变化减小。

表6 8Cr4Mo4V钢和M50钢的残余奥氏体含量

3 结束语

对国产8Cr4Mo4V钢和国外M50钢组织及力学性能的对比表明，真空淬火+回火处理后8Cr4Mo4V钢的力学性能低于M50钢，而经稳定工艺处理后，8Cr4Mo4V钢的力学性能与M50钢基本持平，甚至疲劳性能高于M50钢。材料的力学性能由其微观组织决定，2种钢性能差异的主要原因是碳化物的析出及其分布特征。稳定处理后8Cr4Mo4V钢中的碳化物析出量增加，同时残余奥氏体含量降低，这使8Cr4Mo4V钢的硬度和旋转弯曲疲劳性能明显升高，同时拉伸性能和冲击性能没有明显降低。因此，采用稳定处理工艺可提高8Cr4Mo4V钢的综合力学性能和尺寸稳定性。