热处理工艺对Cr4Mo4V钢显微组织及断裂韧性的影响

龚建勋，雷建中

(1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039；2.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039;3.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；4.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039)

Cr4Mo4V钢具有优异的综合力学性能和冷热加工工艺性能[1]，在400 ℃时其硬度仍能保持在58 HRC以上，因而广泛用于工作温度在320 ℃以下、dn值在2.4×106mm·r/min左右的航空发动机主轴轴承。当工作温度大于200 ℃时，钢中残余奥氏体分解并引起尺寸变化，影响零件的正常使用[2]。Cr4Mo4V钢在正常加热规范下淬火，残余奥氏体含量较高，所以淬火后必须经多次回火处理，使残余奥氏体含量降到最低值。因此，应选用合适的热处理工艺[3-4]，控制Cr4Mo4V钢的显微组织及残余奥氏体含量，降低其在使用过程中尺寸变化率和磨削应力[5]，保证轴承的高精度、长寿命和高可靠性。

1 试验方法

1.1 试样制备

试验用料为Cr4Mo4V耐热轴承钢，采用真空感应+真空自耗(VIM+VAR)的“双真空”冶炼工艺制备，在VOQ2-65型双室真空淬火炉中进行淬火处理，淬火剂选用真空淬火油。共制备了16个试样(每种工艺4个)，分别用于对显微组织、硬度、残余奥氏体和断裂韧性试验。

1.2 试验方法

1)在Quanta600扫描电子显微镜和Philips CM200透射电镜上观察显微组织。

2)采用CrKα射线法分别测定马氏体(211)、(200)及奥氏体(220)、(200)衍射峰，4峰两两组合得到4个残余奥氏体含量值，取其均值，测试参数：电压30 kV；电流6.7 mA。

3)在MTS 810-100 kN电液伺服材料试验机上进行断裂韧性(KIC)测试，预制疲劳裂纹参数：最后阶段最大应力强度因子Kfmax=9.50 MPa·m1/2；试验频率f=10 Hz；最后阶段应力强度因子幅ΔK=8.55 MPa·m1/2；试验波形为正弦波；循环次数N=140 000～200 000。载荷-位移曲线及各试样裂纹长度的测量及计算均参照GB/T 4161—2007《金属材料 平面应变断裂韧度KIC试验方法》。

2 试验结果与分析

2.1 热处理工艺对显微组织的影响

为考察淬火温度对Cr4Mo4V钢中显微组织的影响，选取淬火加热温度范围为1 070 ℃～1 100 ℃。由于该钢的导热性较差，因此应以较小的加热速度进行加热，并进行两段保温预热，以减少热应力和缩短淬火温度下的保温时间，从而防止热裂产生。具体热处理工艺见表1，其显微组织和TEM形貌分别如图1和图2所示。

表1 Cr4Mo4V钢热处理工艺及硬度

图1 不同热处理后Cr4Mo4V钢的显微组织(5 000×)

图2 不同热处理后Cr4Mo4V钢的TEM微观形貌

由图1可知，经不同热处理工艺处理后，Cr4Mo4V钢的显微组织均为回火马氏体+碳化物(一次碳化物、剩余碳化物及析出碳化物)+少量残余奥氏体，淬火温度越高，马氏体越粗大。

由图2可知，1#试样中有一些短杆状碳化物，3#试样中淬回火后组织为孪晶马氏体和板条马氏体的混合组织，这是由于1#试样的淬火温度(1 070 ℃)低于3#试样(1 090 ℃)，导致存在较多未溶碳化物。

2.2 热处理工艺对残余奥氏体含量的影响

为研究不同热处理工艺对Cr4Mo4V钢中残余奥氏体影响，对Cr4Mo4V钢淬火后增加冷处理工序，不同热处理工艺后Cr4Mo4V钢中残余奥氏体含量测试值见表2。Cr4Mo4V钢试样热处理后奥氏体(220)和(200)X射线衍射图如图3所示。

表2 Cr4Mo4V钢中残余奥氏体含量测试值

由表2和图3可以看出，随淬火温度升高，Cr4Mo4V钢中残余奥氏体含量增加。由于该轴承钢在高温使用过程中残余奥氏体易发生转变，导致体积变化，影响钢的尺寸，因此，降低残余奥氏体含量，可保证其制品尺寸稳定性，提高零件使用寿命和可靠性。

图3 不同热处理后CrMo4V钢中奥氏体(220,上)和(200，下)的X射线衍射图

2.3 热处理工艺对断裂韧性的影响

不同热处理工艺后Cr4Mo4V钢的断裂韧性(KIC)测试结果见表3。

由表3可知，试样的KIC值随淬火温度升高而减小。由于淬火温度升高，马氏体中固溶碳量增加，马氏体较粗大，亚结构中孪晶数量增加，脆性增大。4#试样的淬火温度最高，但其断裂韧性值并非最小，这是因为其显微组织中存在更多残余奥氏体，使其脆性有所降低[6]。4种热处理工艺后试样的KIC均较低，其脆性特征较明显。

表3 断裂韧性(KIC)测试结果

3 结论

1)Cr4Mo4V钢经不同热处理工艺处理后，其显微组织均为回火马氏体+碳化物(一次碳化物、剩余碳化物及析出碳化物)+少量残余奥氏体，淬火温度越高，马氏体越粗大。

2)Cr4Mo4V钢中残余奥氏体含量随淬火温度的升高而增加；淬火温度相同时，在回火前增加冷处理工序，可有效降低残余奥氏体含量，以提高尺寸稳定性。

3)Cr4Mo4V钢断裂韧性KIC值随淬火温度的升高而降低；但淬火温度在1 100 ℃时，由于残余奥氏体数量增多，其脆性又有所减小。

4)Cr4Mo4V钢较优的热处理工艺为660 ℃×30 min→850 ℃×40 min→1 070 ℃×55 min+540 ℃×120 min(3次)。