热处理工艺参数对G13Cr4Mo4Ni4V钢晶粒度及性能的影响

杜姣婧，刘晓宇，付中元，童锐，张保鲁

(中国航发哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150025)

随着国内航空发动机研制技术的发展，传统M50钢在一些特殊工况下已无法满足发动机对轴承韧性和抗冲击等性能的要求。为适应航空涡轮发动机的使用工况而新研制的G13Cr4Mo4Ni4V钢具有较好的塑性、韧性以及优良的化学热处理性能，回火后使用温度高达316 ℃，可在某些工况下取代M50钢[1]。表面渗碳或渗氮后,G13Cr4Mo4Ni4V钢表面压应力显著升高，有利于提高工件表面的耐磨性及接触疲劳寿命[2-3]。

晶粒度是材料的重要评价指标，目前国内对G13Cr4Mo4Ni4V钢晶粒度评价与国外标准要求相近，心部晶粒度要求均为5级或更细。热处理是改善钢晶粒度和强韧化性能的重要工艺手段,而加热速度、温度、保温时间和冷却速度等都是影响晶粒度及性能的参数[4-5]。鉴于G13Cr4Mo4Ni4V钢材料热处理性能对航空轴承使用寿命的影响，现研究不同的热处理工艺参数对G13Cr4Mo4Ni4V钢晶粒度、硬度和冲击性能的影响。

1 试验

1.1 试样及制备

材料的主要化学成分见表1。将棒料加工成15 mm×15 mm×20 mm的金相试样40件，加工成10 mm×10 mm×55 mm的U形缺口冲击试样60件。

表1 G13Cr4Mo4Ni4V钢原材料化学成分Tab.1 Chemical composition of raw materials of G13Cr4Mo4Ni4V steel

1.2 试验过程

采用BMI小型真空气淬炉，升温速率8 ℃/min，淬火前预热温度850 ℃，保温40 min；淬火温度分别为1 060，1 070，1 080，1 090，1 100 ℃，在每个淬火温度分别保温15，25，35，45 min；545 ℃×2 h进行3次回火，每个工艺下的晶粒度及硬度试样各1件/炉，冲击试样为3件/炉。采用金相显微镜、洛氏硬度计、冲击试验机对热处理后的试样进行晶粒度、硬度、冲击功等检测。

2 试验结果

2.1 金相组织及晶粒度

由于在相同温度，不同保温时间下，晶粒度随淬火温度的变化趋势相同，且在晶粒度相近的情况下组织状态相近，因此,只选择不同淬火温度，保温时间为25 min试样的晶粒度及组织状态。由图1可知：组织为低碳板条马氏体，各金相照片中晶粒的晶界清晰可见；淬火保温时间为25 min时，晶粒度由1 060 ℃时的7.0级逐渐降为1 100 ℃时的4.0级，在相同保温时间下，随着淬火温度的升高，晶粒有明显长大的趋势。从热处理组织变化机理上说，一般钢在奥氏体化时，保温时间短，钢的碳化物来不及溶解，可为过冷奥氏体转变提供成分起伏，有利于晶粒细化，但奥氏体晶粒大小不均匀; 保温时间长，奥氏体晶粒大小均匀，但晶粒相对粗大。

图1 不同淬火温度下试样的金相组织Fig.1 Metallographic structure of samples under different quenching temperatures

不同淬火温度下晶粒度随保温时间的变化和不同保温时间下晶粒度随淬火温度的变化分别如图2和图3所示，由图可知：随着淬火温度的升高，晶粒度级别降低，由1 060 ℃×15 min，1 060 ℃×25 min和1 070 ℃×15 min下的7.0级降为1 100 ℃×35 min和1 100 ℃×45 min下的3.5级；同一淬火温度下随着保温时间的延长，晶粒度级别降低。

图2 不同淬火温度下晶粒度随保温时间的变化Fig.2 Changes of grain size with holding time under different quenching temperatures

图3 不同保温时间下晶粒度随淬火温度的变化Fig.3 Changes of grain size with quenching temperature under different holding times

2.2 硬度

不同淬火温度下硬度随保温时间的变化和不同保温时间下硬度随淬火温度的变化分别如图4和图5所示,由图可知：同一淬火温度下，随着保温时间的延长，硬度值变化不大，整体上看有降低趋势；同一保温时间下，随着淬火温度的升高，硬度呈上升趋势，由最低的43.0 HRC(1 080 ℃×15 min)升为最高的47.0 HRC(1 100 ℃×35 min)。

图4 不同淬火温度下硬度随保温时间的变化Fig.4 Changes of hardness with holding time under different quenching temperatures

图5 不同保温时间下硬度随淬火温度的变化Fig.5 Changes of hardness with quenching temperature under different holding times

2.3 冲击功

不同淬火温度下冲击功随保温时间的变化和不同保温时间下冲击功随淬火温度的变化分别如图6和图7所示，由图可知：同一淬火温度下，随着保温时间的延长，冲击功整体呈现降低趋势；同一保温时间下，随着淬火温度的升高，冲击功有明显降低的趋势，由1 080 ℃×15 min的55 J降为1 100 ℃×35 min的45 J。

图6 不同淬火温度下冲击功随保温时间的变化Fig.6 Changes of impact energy with holding time under different quenching temperatures

图7 不同保温时间下冲击功随淬火温度的变化Fig.7 Changes of impact energy with quenching temperature under different holding times

3 机理分析

试样保温时间短，奥氏体晶界没有充分时间迁移，因而奥氏体晶粒大小不均匀；而随着保温时间的延长，奥氏体晶粒充分长大，在随后的相变过程中得到相对均匀但较为粗大的组织[7-8];因此，在奥氏体化过程中选择合适的保温时间，可得到相对细化且均匀的组织。一般来讲，随着晶粒尺寸的减小，冲击功有升高的趋势。

马氏体是一种不稳定的过饱和固溶体，由于碳的存在,马氏体晶格畸变大，同时在淬火过程中产生很多位错，使马氏体的硬度保持在较高水平，而韧性和塑性却非常差。马氏体需通过回火改善其性能，改善程度由回火的参数和化学成分共同决定。淬火温度升高，伴随着残余应力的升高，回火后虽然可使钢的淬火残余应力得到释放并消除淬火造成的大量位错，但整体变化趋势不会改变，因此冲击功随着淬火温度的升高而呈现降低趋势[9]。回火后，碳化物从马氏体基体中析出，马氏体中碳含量降低，其晶格畸变减小，对位错的阻碍作用变弱，也导致钢变软。硬度升高会导致塑性变形能力降低，在冲击过程中，导致塑性变形吸收的能量减少。就整体试验结果看来，晶粒度和硬度等因素相互影响，导致冲击功有一定的波动。

4 结论

采用文中的热处理工艺对G13Cr4Mo4Ni4V钢进行处理，得到以下结论：

1)随着淬火温度的升高和保温时间的延长，晶粒度的级别有降低的趋势。

2)随着淬火温度的升高和保温时间的延长，硬度值有所升高，而冲击功有降低趋势。