材料研究学报(中文版)  2018 , 32 (3): 200-208 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2017.605

研究论文

固溶温度对8Cr4Mo4V轴承钢的中温相转变和力学性能的影响

赵开礼1, 刘永宝1, 于兴福2, 周驰滨2, 马欣新3

1 中国航发哈尔滨轴承有限公司 哈尔滨 150500;
2 沈阳工业大学材料科学与工程学院 沈阳 110870;
3 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室 哈尔滨 150001;

Effect of Solid Solution- and Mesothermal Phase Transition- Treatment on Microstructure and Mechanical Property of Ball Bearing Steel 8Cr4Mo4V

ZHAO Kaili1, LIU Yongbao1, YU Xingfu2, ZHOU Chibin2, MA Xinxin3

1 AECC, Harbin Bearing Co. Ltd. Harbin 150500, China;
2 School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China;
3 State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;

中图分类号:  TG113

文章编号:  1005-3093(2018)03-0200-09

通讯作者:  通讯作者 于兴福,副教授,yuxingfu@sut.edu.cn,研究方向为耐热钢及高温合金

收稿日期: 2017-10-13

网络出版日期:  2018-03-25

版权声明:  2018 《材料研究学报》编辑部 《材料研究学报》编辑部

基金资助:  国家高技术研究发展计划(2015AA034303),黑龙江省应用技术研究与开发计划(GX16A004)

作者简介:

作者简介 赵开礼,男,1961年生

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摘要

在不同温度对8Cr4Mo4V钢固溶处理后在260℃盐浴中发生相转变而生成贝氏体组织,测定了钢的硬度和冲击韧性。使用扫描电镜、电子探针和光学显微镜等手段观察钢的微观组织,分析了合金元素扩散、贝氏体形核及贝氏体尺寸与固溶温度的关系,研究了固溶处理温度对力学性能的影响。结果表明,在1050℃和1065℃固溶处理后钢中的点状碳化物仍有剩余,阻碍了晶粒的长大;在1095℃和1110℃固溶处理后点状碳化物溶解,晶粒平均尺寸增大。固溶处理促使含Cr和V的碳化物溶解,但对含Mo碳化物的影响较小;高温固溶处理后Mo元素仍然存在于碳化物中,在基体中则较少。高温固溶处理使更多的Cr和V元素溶入基体中,降低了碳元素在基体中的扩散系数和贝氏体形核数目以及贝氏体的最终生成量,使贝氏体的组织粗化;随着固溶温度的提高,钢的硬度提高,而冲击韧性降低。

关键词: 金属材料 ; 8Cr4Mo4V ; 轴承钢 ; 贝氏体转变 ; 力学性能

Abstract

The ball bearing steel 8Cr4Mo4V was heat treated by a two step process,i.e. solid solution treatment at temperatures in the range of 1050~1100oC, and followed with a mesothermal phase transition treatment at 260℃. The microstructure and mechanical property such as hardness and impact toughness of the treated steel were characterized by means of optical microscope scanning electron microscopy and electron probe as well as harness tester and impact tester. Results show that after solution treatment at 1050℃ and 1065℃, certain amount of tinny dot-like carbides still remain in the steel, which hinders the growth of the grains of the steel. However, after solution treatment at 1095℃ and 1110℃, the tinny dot-like carbides all dissolve, thus the average grain size increases. It is noted that the solution treatment only facilitate the solution of the Cr- and V-containing crabide, but not the Mo-containing one. As a result of the high temperature solid solution treatment, the Cr- and V-content of the matrix increase to certain extent, which can reduce the diffusion coefficient of carbon in the matrix and the number of nucleus for bainite formation and the final amount of bainite phase, therewith leading to coarsening of bainite phase. With the increase of solid solution temperature, the hardness of the steel increases, while the impact toughness decreases.

Keywords: metallic materials ; 8Cr4Mo4V ; bearing steel ; bainitic transformation ; mechanical property

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赵开礼, 刘永宝, 于兴福, 周驰滨, 马欣新. 固溶温度对8Cr4Mo4V轴承钢的中温相转变和力学性能的影响[J]. 材料研究学报(中文版), 2018, 32(3): 200-208 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2017.605

ZHAO Kaili, LIU Yongbao, YU Xingfu, ZHOU Chibin, MA Xinxin. Effect of Solid Solution- and Mesothermal Phase Transition- Treatment on Microstructure and Mechanical Property of Ball Bearing Steel 8Cr4Mo4V[J]. Chinese Journal of Material Research, 2018, 32(3): 200-208 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2017.605

8Cr4Mo4V钢是一种综合性能极佳的高合金钢[1, 2],具有高疲劳寿命、高的高温硬度、高强度和高韧性等优点,400℃时的硬度仍保持58HRC[3]。目前,8Cr4Mo4V钢广泛用于制造工作温度低于316℃、DN值低于2.4×106的航空发动机主轴轴承。随着航空技术的发展航空器的飞行速度不断提高,需要推重比越来越高的发动机。由此,发动机轴承的工作载荷越来越大、转速越来越高,环境温度也越来越高。轴承服役的寿命问题[4],已成为提高我国航空发动机性能的瓶颈之一。

由于发动机服役条件的严苛,对高温轴承材料的性能提出了更高的要求,特别是在高温、高应力条件下还要具备一定的塑性和韧性。钢铁材料固溶处理后在随后的冷却过程中,存在高温相转变、中温相转变和低温相转变方式。高温相转变主要生成珠光体组织。轴承的表面应该具有较高的硬度和耐磨性,而珠光体的硬度不高,这制约了具有珠光体组织的钢作为轴承钢的应用。低温相转变主要是生成马氏体相变,这种组织有助于提高8Cr4Mo4V轴承钢的硬度和耐磨性[3]。为了使8Cr4Mo4V钢具有高温硬度和高韧性,还需对其进行高温回火,通过二次碳化物的析出强化基体。但是,马氏体相变组织的塑性和韧性偏低。随着航空发动机制造水平的提高对轴承提出了更加严苛的要求,在提高工作应力的同时对塑性、韧性和工作寿命也提出了更高的要求。而采用低温相转变生成马氏体,难以进一步提高塑性和韧性。而中温相变生成的下贝氏体组织[5,6,7,8,9,10],比马氏体组织具有更高的力学性能[11,12],特别是塑性和韧性[13,14]。本文在不同温度对8Cr4Mo4V轴承用钢进行固溶处理,然后进行等温盐浴处理使其发生中温相转变,研究固溶温度对中温相转变生成的下贝氏体的组织及其对力学性能的影响。

1 实验方法

试验用8Cr4Mo4V钢的原始状态为球化退火态。使用箱式电阻炉将8Cr4Mo4V钢分别加热至1050℃、1065℃、1080℃、1095℃和1110℃,保温时间均为1 h,使8Cr4Mo4V钢中充分发生奥氏体化,并使钢中的碳化物尽量多的溶入基体中,然后淬入260℃盐浴中等温处理8 h,然后取出空冷。

淬火后的8Cr4Mo4V钢冷却至室温后将表面盐渍清洗干净,用线切割切除氧化皮和脱碳层,经研磨和抛光后采用光学显微镜观察晶粒度,并用割线法测定晶粒平均尺寸,绘制出晶粒平均尺寸与固溶温度的关系。测定等温淬火后钢的硬度(HRC),每个温度的试样测定3个,在每个试样上取5个测点。用电子探针(EPMA)分析固溶后钢中元素的分布状态。采用真空热处理炉对淬火后的试样进行550℃×2.5 h回火,共3次。为了对比真空气淬和等温淬火,取一个试样在真空热处理炉中进行固溶处理,采用气冷方式淬火,淬火后进行三次回火,工艺参数与等温淬火相同。将等温淬火和真空淬火试样研磨和抛光后用S-3400N型扫描电镜(SEM)观察微观组织,以对比分析固溶温度对贝氏体组织的影响。观察组织用的腐蚀剂为:C2H5OH 100 ml+(NO2)3C6H2OH 2.5 g+HCl 5 ml。测定回火后8Cr4Mo4V钢的洛氏硬度及冲击韧性,用以研究固溶温度对贝氏体转变后力学性能的影响。

2 实验结果

2.1 固溶温度对晶粒尺寸的影响

图1给出了经不同温度固溶处理后8Cr4Mo4V钢中的晶粒形貌,在不同温度固溶后钢的平均晶粒尺寸如图2所示。

图1   在不同温度固溶后淬火钢的晶粒形貌

Fig.1   Grain morphologies of steel after quenching at various solution temperatures (a) 1050℃, (b) 1065℃, (c) 1080℃, (d) 1095℃, (e) 1110℃

图2   平均晶粒尺寸与固溶温度的关系

Fig.2   Relationship between average grain size and solution temperature

可以看出,当固溶处理温度为1050℃和1065℃时8Cr4Mo4V钢的平均晶粒大小为35 μm左右。由1050℃升温至1065℃进行固溶处理晶粒尺寸的变化不明显,未发生明显的晶粒长大。固溶处理温度为1080℃时钢的平均晶粒尺寸为40 μm左右,晶粒长大了。当固溶处理温度为1095℃时平均晶粒尺寸为45 μm左右,固溶处理温度为1110℃时平均晶粒尺寸为50 μm左右。固溶温度高于1080℃时平均晶粒尺寸加速增大,随固溶温度的提高平均晶粒尺寸明显增大。

在8Cr4Mo4V钢固溶处理后的晶粒上可观察到黑色点状相,且随着固溶温度的提高这种黑色点状相的尺寸减小,数量降低。这种黑色相主要为固溶后钢中未溶解的碳化物。随着固溶温度的提高碳化物溶解进入基体中的数量增大,因此剩余的碳化物尺寸减小,数量降低。

2.2 固溶温度对8Cr4Mo4V钢贝氏体微观组织的影响

在260℃等温盐浴中保温8 h期间,8Cr4Mo4V钢中的奥氏体发生中温相转变,主要是生成贝氏体组织。剩余的奥氏体将在随后的冷却期间发生马氏体转变,只有少量残余。260℃等温淬火获得的中温相转变组织主要为下贝氏体。将8Cr4Mo4V钢在1050℃、1065℃、1080℃、1095℃和1110℃固溶1 h,然后淬入260℃的等温盐浴中保温8 h,最后进行550℃×2.5 h三次回火,图3给出了获得的贝氏体组织。固溶温度为1050℃和1065℃时等温淬火获得的贝氏体细小,还存在未完全溶解的均匀分布的颗粒状M6C型碳化物[19]。当固溶温度提高至1080℃和1095℃后钢中贝氏体尺寸开始增大,且基体中未转变成贝氏体的数量增多。剩余的基体组织被贝氏体组织分割,呈三角形和块状分布。当固溶温度为1110℃时钢中贝氏体组织更加粗大,剩余的基体组织更多,被分割成较大的三角形和块状组织。

图3   在不同温度固溶回火后8Cr4Mo4V钢中的贝氏体组织

Fig.3   Bainite microstructure in 8Cr4Mo4V steel after solution tempering at various temperatures (a) 1050℃, (b) 1065℃, (c) 1080℃, (d) 1095℃, (e) 1110℃

2.3 固溶温度对8Cr4Mo4V钢硬度和冲击韧性的影响

8Cr4Mo4V钢在不同温度固溶后在260℃等温淬火生成贝氏体,随着固溶温度由1050℃提高至1110℃,8Cr4Mo4V钢的硬度值也由HRC 61.5升高至HRC 64.5。随着固溶处理温度的提高硬度逐渐增大,其变化趋势如图4所示。

图4   8Cr4Mo4V钢的硬度与固溶温度的关系

Fig.4   Relationship between hardness of 8Cr4Mo4V steel and solution temperature

回火后8Cr4Mo4V钢的冲击功,随固溶温度的提高而降低。图5给出了单位面积的冲击韧性与固溶温度的关系,随固溶温度的提高冲击韧性降低。

图5   8Cr4Mo4V 钢的冲击韧性与固溶温度的关系

Fig.5   Relationship between impact toughness and solid solution temperature of 8Cr4Mo4V steel

3 讨论

3.1 固溶处理对元素分布的影响

8Cr4Mo4V钢固溶处理的主要目的是使钢中铁素体(α-Fe)转变为奥氏体(γ-Fe)和钢中的合金元素更多的溶入基体实现均匀化。随着固溶处理温度的提高,钢中的碳和其它合金元素将更多的溶入基体中。

图6图7分别给出了8Cr4MoV钢在1050℃和1100℃固溶处理1 h水淬后元素分布的EPMA分析。在1050℃进行固溶处理时钢中的部分碳元素溶入基体,剩余的碳元素存在于碳化物中且多以点状形式存在,如图3a和图6a所示。图6c和图6d分别给出了8Cr4Mo4V钢中的V元素和Cr的分布状态。在1050℃扩散处理1 h后,在碳化物中和基体中均存在V和Cr。图6e给出了钢中Mo元素的分布。Mo既是固溶强化元素也是形成碳化物相元素。与钢中的V和Cr元素相比,固溶处理后,Mo元素多数存在于碳化物中,溶入基体中的比较少。图6f给出了Fe元素的分布,可见在圆形颗粒状碳化物中有一定数量的Fe,而块状碳化物中除边缘区域含有一定数量的Fe,中间区域没有Fe元素。在块状碳化物的内部,主要是Mo和Cr元素。

图6   在1050℃固溶处理1 h后8Cr4Mo4V钢的微观形貌和元素分布

Fig.6   Microstructure and element distribution of 8Cr4Mo4V steel after 1050℃ solid solution for 1 h (a) SEM, (b) C, (c) V, (d) Cr, (e) Mo, (f) Fe

图7   在1110℃固溶处理1 h后8Cr4Mo4V钢的微观形貌和元素分布

Fig.7   Microstructure and element distribution of 8Cr4Mo4V steel after 1110℃ solid solution for 1 h (a) SEM, (b) C, (c) V, (d) Cr, (e) Mo, (f) Fe

在1110℃固溶处理后更多的碳元素溶解进入基体,只剩余少量的碳化物,如图3e和图7a所示,圆点状碳化物已经溶解进入基体。钢中的V和Cr元素更多的进入了基体中,剩余碳化物中的V元素和Cr元素浓度降低。与在1050℃固溶相比,基体中的V元素和Cr元素含量提高,但是基体中Mo元素的含量变化较小,块状碳化物中的Mo元素仍然存在于碳化物中,如图7e所示。由此可见,在固溶处理期间,8Cr4Mo4V钢中的碳化物形成元素C、V和Cr部分溶解进入基体中起固溶强化作用。随着固溶温度的提高,溶解进入基体中的数量增多。随着碳化物的溶解,存在于圆形颗粒状碳化物中的元素Mo进入基体中,但是存在于块状碳化物中的Mo仍然以碳化物的形式稳定存在[19]

3.2 固溶处理温度对贝氏体转变的影响

8Cr4Mo4V钢固溶处理后在260℃等温淬火期间,钢中的奥氏体发生贝氏体转变。在260℃等温淬火期间贝氏体转变开始时间为20 min,终了时间为4 h[16]。因此,260℃等温8 h能保证钢中贝氏体完全转变。用扫描电镜观察回火后贝氏体中碳化物的分布,结果如图8a所示。图8b给出了采用真空热处理氩气冷却淬火、回火后的组织。可以看出,等温相变后形成的碳化物均为颗粒状或短棒状,且存在与铁素体呈55°~60°位向关系的碳化物,而真空淬火的碳化物组织主要为条状。等温淬火碳化物的析出具有下贝氏体的析出特征[17,10],因此可以确定8Cr4Mo4V钢固溶处理后在260℃中温转变的生成物为下贝氏体组织。

图8   8Cr4Mo4V钢在260℃等温淬火与真空气淬回火组织的比较

Fig.8   Comparison of microstructure after austempering at 260℃ (a) and vacuum quenching (b)

在中温贝氏体相变期间,由于温度较低钢中的Fe、Cr、Mo和V等合金元素不能扩散,只有C元素有扩散能力[18,19]。因此,相变过程与C元素的扩散速率密切相关[20]。贝氏体的形核和长大均受C元素扩散的影响[21],C元素的扩散系数满足以下公式

D=D0e-QRT

式中D0为频率因子,Q为扩散激活能,R为气体常数,T为温度。

8Cr4Mo4V钢在260℃等温转变期间,温度TR为固定值,DO为与材料相关因数,Q为影响碳元素扩散的扩散激活能。影响扩散激活能的因素都影响Q值,从而影响C元素的扩散。

在不同温度固溶处理后基体中溶入的元素含量不同,特别是固溶处理后基体中含有更多的C、Cr和V元素,如图7所示。随着固溶温度的提高钢中C、V和Cr元素的含量提高,且分布更加均匀。

贝氏体的形成主要受C元素扩散的控制,当在较低温度如1050℃和1065℃进行固溶处理时基体中部分碳化物不能溶解,基体中的V和Cr合金元素的含量也较低。同时,C元素在钢中的扩散系数D也较大,C元素扩散后易于在冷却期间形成Fe3C。贝氏体主要在晶界及碳化物处形核[22, 23],当固溶温度较低时晶粒尺寸小,晶界数量多,剩余的碳化物颗粒多,为贝氏体形核提供了位置,因此贝氏体形核的数量多。碳元素扩散系数高有利于贝氏体的迅速长大,大量的贝氏体同时生长。当贝氏体生长接触后将停止生长,剩余的碳化物颗粒也阻碍贝氏体的长大。因此得到组织细小、数量较多的贝氏体。在固溶温度较低的条件下贝氏体形核和长大过程,如示意图图9a所示。图中的黑色圆点为碳化物,条形黑色组织为贝氏体相变期间析出的碳化物。

图9   低温固溶和高温固溶贝氏体生长过程示意图

Fig.9   Diagram of bainite growth process (a) solid solution at low temperature, (b) solid solution at high temperature

在较高的温度进行固溶处理时钢的晶粒发生粗化,钢中的碳化物多数溶解进入了基体。碳化物中的V和Cr溶解进入基体,使V和Cr元素的含量提高。V和Cr为强碳化物形成元素,在基体中的存在大幅度降低C元素的活度,导致扩散系数中的D0降低,也可能使扩散激活能Q增大[24],从而导致扩散系数D降低,使C元素在更大的浓度梯度下才能扩散。晶粒粗化直接导致了贝氏体形核数量减少,而C元素扩散系数的降低又使C元素需要更高的浓度梯度才能扩散。因此,进入基体中的碳元素再析出数量降低,使形成贝氏体的碳化物数量降低。这导致8Cr4Mo4V钢经高温固溶处理后贝氏体形核数量降低,最终导致贝氏体的总量减少。在较高温度固溶贝氏体形核和长大示意图如图9b所示。

用扫描电镜观察较低温度和较高温度固溶后8Cr4Mo4V钢中的贝氏体组织形貌,如图10所示。图10a给出了1065℃固溶260℃等温淬火获得的贝氏体组织,图10b给出了1095℃固溶260℃等温淬火获得的贝氏体组织,形成的贝氏体主要为透镜片状。在1095℃固溶处理后钢中形成的贝氏体其长度达到10 μm以上,而经1065℃固溶后钢中由于贝氏体的形核数量多,贝氏体生长中相互接触,很难分辨出单个贝氏体的长度。

图10   经不同温度固溶和260℃等温淬火后贝氏体的形貌

Fig.10   Bainite morphology at 260℃ isothermal treatment (a) solution at 1065℃, (b) solution at 1095℃

钢中贝氏体的形核和长大均受碳元素扩散的控制。当钢中碳化物分布不均匀,更有利于达到贝氏体的形核所需要的成分起伏,缩短孕育期,同时也能缩短贝氏体相变时间,使贝氏体相变较快完成。另外,在高温固溶处理后钢中的合金元素溶解进入基体量增多,降低了碳元素的扩散系数,碳扩散所需要的浓度差增大。当贝氏体形核和部分长大后基体中的碳浓度降低,碳扩散所需的浓度差不能满足要求时碳元素扩散终止,贝氏体也停止长大。在高温固溶处理后钢基体中的碳浓度高于低温固溶基体中的碳浓度,而扩散系数低导致更多的碳元素被固定在基体中,因此降低了贝氏体的生成量。

另外,采用不同的温度进行固溶处理,在固溶时间相同的情况下,导致钢中晶粒大小不同,在1050℃和1065℃进行固溶处理时钢中未溶解的M6C型碳化物阻碍了晶粒的长大,因此晶粒尺寸较小。在高于1080℃的温度固溶处理后钢中的M6C型碳化物溶解[19],随着温度的提高晶粒平均尺寸增大。当8Cr4Mo4V钢中只存在少量碳化物时贝氏体的形核主要以晶界形核为主,平均晶粒尺寸大,使贝氏体形核数量减少。晶粒内适合贝氏体形核的条件少,使晶界上形成的贝氏核在晶粒内部长大,从而使贝氏体的组织粗大。

3.3 固溶温度对硬度及冲击韧性影响

8Cr4Mo4V钢中C、Cr和V元素在基体中的固溶量与固溶温度有密切关系。当固溶温度较低时,钢中碳化物溶解数量较少,基体中固溶的元素C,Cr和V元素与高温固溶后基体中的含量相比数量少。与大颗粒第二相强化相比,固溶强化对提高钢的硬度有更大的作用,因此低温固溶后钢的硬度低于高温固溶后钢的硬度。随着固溶温度的提高钢的硬度呈上升的趋势,如图4所示。

影响冲击韧性的主要因素是钢的组织。在较低的温度进行固溶处理时钢的晶粒细小,有利于提高钢的冲击韧性。同时,在较低的温度进行固溶处理,会得到细小、较多数量的贝氏体组织。贝氏体的组织细小且贝氏体中的碳化物以颗粒状及短棒状析出,以及较多的贝氏体数量,都有利于提高钢的冲击韧性。另外,与高温固溶相比,低温固溶后钢中溶入的C、Cr和V等合金元素数量较少,因此固溶强化作用降低。而较高的固溶强化作用在提高硬度和强度的同时也使塑性降低。因此,随着固溶温度的提高钢的冲击韧性降低,如图5所示。

4 结论

(1) 在1050℃和1065℃固溶处理后,8Cr4Mo4V钢中未溶解的圆点状碳化物阻碍晶粒的长大;在高于1080℃的温度固溶处理后圆点状碳化物完全溶解,平均晶粒尺寸增大,更多的C、Cr和V元素溶入基体增强了固溶强化作用,使8Cr4Mo4V钢的硬度提高;同时,使贝氏体组织粗化、贝氏体数量减少和钢的冲击韧性降低。

(2) 固溶处理使8Cr4Mo4V钢中含Cr和V的碳化物溶解进入基体,而含Mo的碳化物溶解较少。高温固溶使更多的Cr、V元素溶入基体中,降低了碳元素的扩散系数、贝氏体形核数量以及贝氏体的形成量,使贝氏体的组织粗化。

The authors have declared that no competing interests exist.


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