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8Cr4Mo4V高溫軸承鋼熱處理及表面改性技術(shù)的研究進(jìn)展(一)

8Cr4Mo4V鋼是我國(guó)應(yīng)用較為廣泛的一種高溫軸承鋼,主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的制造。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的服役工況愈發(fā)惡劣,對(duì)材料性能的要求也越來(lái)越高,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量8Cr4Mo4V鋼性能提升的研究工作。作者介紹了8Cr4Mo4V鋼化學(xué)成分優(yōu)化的研究進(jìn)展;重點(diǎn)分析了8Cr4Mo4V鋼熱處理技術(shù)發(fā)展,包括傳統(tǒng)淬回火、貝氏體等溫淬火及尺寸穩(wěn)定化等熱處理工藝;介紹了8Cr4Mo4V鋼表面強(qiáng)化技術(shù)的研究進(jìn)展及相關(guān)成果,涉及表面合金化、涂層沉積、噴丸強(qiáng)化及復(fù)合強(qiáng)化技術(shù);最后,結(jié)合8Cr4Mo4V鋼服役需求及相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀對(duì)其后續(xù)研究方向進(jìn)行了展望。


軸承作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件,主要作用是減小發(fā)動(dòng)機(jī)各部件之間的摩擦力,傳輸載荷及保持各部件的準(zhǔn)確位置,航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承服役環(huán)境較為惡劣,其性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和使用壽命,故航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承材料的選擇尤為重要。


8Cr4Mo4V(Cr4Mo4V,G80Cr4Mo4V,M50)鋼是一種典型的鉬系高速鋼,其主要合金元素除Mo外還包括大量Cr及V。傳統(tǒng)工藝熱處理后8Cr4Mo4V鋼中存在大量的合金碳化物,保證了其高溫硬度及耐磨性?;?Cr4Mo4V鋼優(yōu)異的力學(xué)性能,20世紀(jì)80年代中期,美國(guó)宇航局開(kāi)始將其應(yīng)用于航空軸承。到目前為止,8Cr4Mo4V鋼依然是我國(guó)應(yīng)用較為廣泛的一種高溫(使用溫度不大于316 ℃)軸承鋼,主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的制造。


為進(jìn)一步提高8Cr4Mo4V鋼的性能,近些年國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。2020年最新報(bào)道顯示,國(guó)外學(xué)者為提高8Cr4Mo4V鋼的干摩擦性能,利用放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering,SPS)將固體潤(rùn)滑劑(SnS/ZnO)直接加到8Cr4Mo4V鋼基體中


1、8Cr4Mo4V鋼化學(xué)成分及優(yōu)化

傳統(tǒng)8Cr4Mo4V鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1,其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%~0.85%的C為材料提供了優(yōu)異的淬透性和硬度。Cr,Mo及V均是強(qiáng)碳化物形成元素,可顯著提高材料的耐磨性,其中Cr在8Cr4Mo4V鋼中通常以M23C6形式存在,而Mo及V元素主要以M2C和MC形式存在。

表1 8Cr4Mo4V鋼化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)   %

文獻(xiàn)[7]對(duì)8Cr4Mo4V鋼失效模式進(jìn)行了研究,指出其疲勞剝落通常起源于粗大、形狀不規(guī)則的碳化物。8Cr4Mo4V鋼中存在的大塊狀碳化物有2種:Mo為主的M2C和以無(wú)規(guī)則塊狀存在的部分MC。為消除無(wú)規(guī)則塊狀碳化物,文獻(xiàn)[9]通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算重新設(shè)計(jì)了8Cr4Mo4V鋼成分(表1中的改進(jìn)型)并進(jìn)行了試制,結(jié)果表明:通過(guò)適當(dāng)提高Cr含量,同時(shí)降低V含量,可使M2C型碳化物尺寸降至5.3 μm以下,球狀碳化物M23C6增多;經(jīng)淬回火處理后改進(jìn)型8Cr4Mo4V鋼的室溫硬度不低于64 HRC,400 ℃高溫下硬度不低于60 HRC,符合高溫軸承的服役要求。由于目前缺乏相關(guān)驗(yàn)證,未見(jiàn)到該成分8Cr4Mo4V鋼的實(shí)際工程應(yīng)用。


文獻(xiàn)[10]研究了Mg對(duì)8Cr4Mo4V鋼碳化物的影響,結(jié)果表明添加少量Mg可改善鋼的結(jié)晶組織,優(yōu)化鋼錠鑄態(tài)組織中的網(wǎng)狀碳化物。

2、8Cr4Mo4V鋼熱處理技術(shù)發(fā)展

熱處理是決定材料最終性能的關(guān)鍵步驟,為提高8Cr4Mo4V鋼性能,研究熱處理工藝的改進(jìn)技術(shù)具有重要意義。


2.1 傳統(tǒng)熱處理技術(shù)及其組織性能

國(guó)內(nèi)外8Cr4Mo4V鋼傳統(tǒng)熱處理工藝均為淬火加三次回火,如圖1所示,區(qū)別在于國(guó)外淬火升溫過(guò)程為一步預(yù)熱(圖1a紅線)或三步預(yù)熱(圖1a黑色虛線),而國(guó)內(nèi)基本采用一步預(yù)熱(圖1b);國(guó)外淬火冷卻過(guò)程采用分級(jí)淬火方式,主要目的是減小熱處理變形,而國(guó)內(nèi)采用吹N2連續(xù)冷卻。

圖1 8Cr4Mo4V鋼國(guó)內(nèi)外熱處理工藝

Fig.1 Domestic and international heat treatment process of 8Cr4Mo4V steel

淬回火工藝處理后8Cr4Mo4V鋼微觀組織及物相如圖2所示:淬火后8Cr4Mo4V鋼的晶粒較為均勻、細(xì)小,回火后8Cr4Mo4V鋼由回火馬氏體、少量殘余奧氏體(體積分?jǐn)?shù)不大于3%)及碳化物組成;回火后存在無(wú)規(guī)則塊狀和彌散分布小顆粒狀碳化物,其中塊狀碳化物為淬火未溶解碳化物和回火析出碳化物。

圖2 淬回火工藝處理后8Cr4Mo4V鋼微觀組織

Fig.2 Microstructure of 8Cr4Mo4V steel after quenching and tempering process

由文獻(xiàn)[8]可知,淬火未溶解碳化物的主要類型為M2C和MC,而回火析出碳化物主要類型為M23C6和M2C。通常,回火析出碳化物尺寸為納米級(jí),呈片狀或球狀,可起到二次硬化效果。然而,較早研究中受分析測(cè)試手段限制,只能從二維角度對(duì)8Cr4Mo4V鋼中碳化物進(jìn)行觀察分析,制樣以及觀察方式均可能導(dǎo)致對(duì)其真實(shí)形狀及尺寸存在誤判。隨著三維原子探針技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用,文獻(xiàn)[14]將其用于8Cr4Mo4V鋼中碳化物分析,結(jié)果如圖3所示,圖3b和圖3c為圖3a旋轉(zhuǎn)一定角度的局部放大,回火過(guò)程中析出的M2C三維形貌呈細(xì)柱狀,且連續(xù)彌散。

圖3 8Cr4Mo4V鋼中碳化物三維形貌特征.

Fig.3 Three - dimensional morphology characteristics of car-bides in 8Cr4Mo4V steel

傳統(tǒng)淬回火工藝處理后,8Cr4Mo4V鋼的微觀組織主要包括回火馬氏體、極少量殘余奧氏體和彌散分布的二次碳化物,室溫硬度為60~64 HRC,高溫(316 ℃ )硬度可以達(dá)到58 HRC,滿足大多數(shù)主軸軸承服役需求。


2.2 貝氏體等溫淬火強(qiáng)韌化工藝

當(dāng)dn值超過(guò)2.0x10mm.r/min時(shí),韌性不足成為限制8Cr4Mo4V鋼使用的主要原因。文獻(xiàn)[15-16]相繼開(kāi)展了強(qiáng)韌化技術(shù)在8Cr4Mo4V鋼熱處理工藝中的應(yīng)用,以達(dá)到提高其綜合性能和軸承壽命的目的。


金屬材料通過(guò)等溫淬火獲得的下貝氏體具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性,因此等溫淬火是目前較為常用的一種金屬增韌工藝。鑒于貝氏體優(yōu)異的力學(xué)性能,文獻(xiàn)[24-25]開(kāi)展了8Cr4Mo4V鋼貝氏體等溫淬火工藝研究,以進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)韌性。圖4a為貝氏體等溫淬火工藝處理后8Cr4Mo4V鋼的微觀組織,圖4b為貝氏體等溫淬火工藝與常規(guī)淬回火工藝的對(duì)比,貝氏體等溫淬火工藝可以顯著提高沖擊韌性,提高幅度可達(dá)20%~50%。

圖4 貝氏體等溫淬火后8Cr4Mo4V鋼微觀組織及性能

Fig.4 Microstructure and properties of 8Cr4Mo4V steel after bainitic austempering

2.3 尺寸穩(wěn)定化熱處理工藝

航空軸承除對(duì)力學(xué)性能具有較高要求外,還要求其具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。8Cr4Mo4V 鋼經(jīng)熱處理后盡管殘余奧氏體含量(體積分?jǐn)?shù),下同)已降至3%以下,但在存放和使用過(guò)程中依然可能進(jìn)一步向馬氏體轉(zhuǎn)變,從而引起尺寸變化;殘余應(yīng)力的釋放也會(huì)引起軸承尺寸變化。因此,文獻(xiàn)[26]開(kāi)展了尺寸穩(wěn)定化熱處理工藝對(duì)8Cr4Mo4V鋼微觀組織及尺寸變化的影響,即在軸承正常熱處理工序與最終冷加工工序之間增加一個(gè)穩(wěn)定化熱處理工序


8Cr4Mo4V鋼穩(wěn)定化熱處理工藝如圖5所示,可以看出該工藝包括3個(gè)循環(huán),每個(gè)循環(huán)由冷處理和中溫時(shí)效2個(gè)過(guò)程組成。


圖5 8Cr4Mo4V鋼尺寸穩(wěn)定化熱處理工藝

Fig.5 Dimensional stabilization heat treatment process of 8Cr4Mo4V steel


經(jīng)不同循環(huán)次數(shù)的穩(wěn)定化熱處理后,8Cr4Mo4V鋼( φ30 mm×20 mm)的殘余奧氏體含量及尺寸變化結(jié)果如圖6所示。由圖6a可知:正常熱處理后殘余奧氏體含量為2.61%,隨著尺寸穩(wěn)定化循環(huán)次數(shù)的增加,殘余奧氏體含量逐漸減少,經(jīng)3次循環(huán)后降低至0.76%。一次穩(wěn)定處理過(guò)程中馬氏體析出與殘余奧氏體轉(zhuǎn)變同時(shí)進(jìn)行,8Cr4Mo4V鋼尺寸整體呈收縮現(xiàn)象(圖6b),說(shuō)明起主要作用的因素為馬氏體析出;二次及三次穩(wěn)定處理時(shí),由于馬氏體析出反應(yīng)基本完成,殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變成為引起尺寸變化的主要因素,因此呈現(xiàn)膨脹現(xiàn)象,且隨著循環(huán)次數(shù)的增加,殘余奧氏體含量降低,尺寸膨脹量也隨之減小。由圖6b可知,經(jīng)三次循環(huán)處理后,8Cr4Mo4V鋼試樣長(zhǎng)度平均增加1.5X10-5 mm,變化率為7.5x10-7。

圖6 尺寸穩(wěn)定化熱處理循環(huán)次數(shù)對(duì)8Cr4Mo4V鋼

殘余奧氏體含量及長(zhǎng)度的影響

Fig.6 Influence of dimensional stabilization heat treatment cycles on content of residual austenite and length of 8Cr4Mo4V steel

目前,尺寸穩(wěn)定化熱處理缺乏對(duì)比試驗(yàn),后續(xù)需開(kāi)展該工藝對(duì)8Cr4Mo4V鋼軸承存放或使用過(guò)程中尺寸變化的影響研究,以驗(yàn)證該工藝的有效性。

(未完待續(xù))

來(lái)源:《軸承》2021年8期

引文格式:周麗娜,楊曉峰,劉明,等.8Cr4Mo4V高溫軸承鋼熱處理及表面改性技術(shù)的研究進(jìn)展[J].軸承,2021(8):1-10.




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