冷处理对Cr4Mo4V钢尺寸和高温接触疲劳寿命的影响

冷处理对Cr4Mo4V钢尺寸和高温接触疲劳寿命的影响吴运榜樊志强叶健熠摘要Cr4Mo4V钢经过冷处理，不但可以使钢中残余奥氏体含量降低，更重要的是能改变钢的显微组织形态和亚结构。试验结果表明，钢的尺寸变化率，未冷处理钢是冷处理钢的1.82倍；高温接触疲劳额定寿命L10，冷处理钢较未冷处理提高37%。关键词Cr4Mo4V钢冷处理高温接触疲劳寿命EffectofColdTreatmentofSteelCr4Mo4VonDimensionandContactFatigueLifeatHighTemperatureWuYunbang,FanZhiqiangandYeJianyi(LuoyangBearingResearchInstitute,Luoyang471039)AbstractTheresidualausteniteinsteelCr4Mo4Vcanbereducedbycoldtreatment,anditismoreimportantthatbywhichthemorphologyofmicrostructureandsubstructureofsteelcanbeimproved.Thetestresultsshowedthatdimensionchangepercentofnon-cold-treatedsteelwas1.82timesasmuchasthatofcold-treated-steel,andthecontactfatigueratinglifeofcold-treatedsteelathightemperatureincreased37%ascomparedwiththatofnon-cold-treatedsteel.MaterialsIndexSteelCr4Mo4V,ColdTreatment,HighTemperature,ContactFatigueLifeCr4Mo4V钢属Mo系低合金工具钢类型，该钢具有优良的综合机械性能和冷热加工工艺性能，400℃时的高温硬度能保持58HRC。广泛用于工作温度在316℃以下，DN值在2.4×106左右的航空发动机主轴轴承。轴承工作温度大于200℃，如果热处理工艺不当，钢中残余奥氏体将会分解，并引起尺寸变化。冷处理可使钢中残余奥氏体含量降到最低程度，使尺寸变化率降至最小，轴承的高精度才可以得到保证。轴承材料的疲劳是表示轴承寿命的明显特性之一，疲劳现象通常以发生剥离作为初始特征，剥离的深度位于最大剪应力区域，产生剥离的原因在于滚动体在滚道上滚动时，在接近并平行于滚道面的套圈和滚动体内部，由于交变剪应力的振幅作用使得滚道下出现微裂纹，裂纹的进一步扩张而形成剥离，即产生疲劳破坏。经冷处理后Cr4Mo4V钢的显微组织形态和亚结构的变化，提高了钢的强韧性，从而提高了钢的接触疲劳寿命。1试验用材料试验用HCr4Mo4V钢采用真空感应+真空自耗(VIM+VAR)即“双真空”的冶炼工艺(抚顺特殊钢公司提供)。试验用材料的规格、原始硬度及其化学成分见表1。钢的冶金质量见表2。中心疏松、一般疏松和偏析的检验结果符合相应的标准规定。表1试验用料的化学成分Table1Chemicalcompositionsoftestingmaterial规格/mm原始硬度/HB化学成分/%CMnSiSPNiCrMoVCuCoWOΦ9.2Φ12.5229～217241～2290.790.800.310.320.160.190.00170.00170.0070.0060.110.124.104.134.344.271.070.990.070.070.030.030.060.030.00040.0006表2试验用钢HCr4Mo4V的冶金质量Table2MetallurgicalqualityoftestingsteelHCr4Mo4V规格/mm非金属夹杂物碳化物不均匀性脱碳层深度/mm晶粒度级别氧化物硫化物点状Φ12.50.5×100.5×100×101×51.5×42.0×10×57～57～5Φ9.20.5×100.5×100×101×81.5×20×40.2×17～58注：例0.5×5——0.5表示级别，5表示试样数。由表1、表2可知，试验用材料HCr4Mo4V钢的化学成分和冶金质量有关项目检验结果，符合航空发动机主轴轴承用HCr4Mo4V钢试制技术条件(YZ2-9)要求。2试验方法尺寸稳定性的试件尺寸为Φ10×100mm，试件两端面平行差≤0.005mm。试件由Φ12.5mmHCr4Mo4V冷拉条钢加工而成。用前民德产0～450mm万能测长仪测量尺寸变化。高温接触疲劳性能采用日本产五球滚动疲劳试验机。试件为G20级，1/2″钢球，是由Φ9.2mm冷拉HCr4Mo4V条钢加工而成。钢的显微组织形态、亚结构和相结构，采用制备金属薄膜，在日本产JEM-100cx透射电子显微镜上观察。钢中的残余奥氏体含量是在日本产3015型衍射仪上测量的。3试验结果3.1尺寸稳定性试验试验温度为200℃，时间为500h，试件浸泡于4010高温润滑油中，然后置于烘箱内，进行不同时间的尺寸变化率试验。表3列出两组编号C和D为未经冷处理和经冷处理试件的热处理工艺，并经200℃、不同时间时效后，3个试件的平均尺寸变化率。可以看出，C和D两组试件经1～3h时效后尺寸均缩小，3h时效后的尺寸均长大，8～168h时效尺寸胀幅都不大，但C组试件经268h时效，尺寸变化比较明显。经500h时效后C和D两组试件的尺寸变化率分别为0.0040%和0.0022%。即尺寸变化率未经冷处理是经冷处理组的1.82倍。所以冷处理能提高HCr4Mo4V钢的尺寸稳定性。表3HCr4Mo4V钢尺寸稳定性Table3DimensionstabilityofsteelHCr4Mo4V编号热处理工艺(真空炉淬火850℃预热，H-45炉回火)。硬度/HRC200℃不同时间(h)时效后，尺寸变化率/%1381868168268368500C1110℃×1h,气冷550℃×2h×3，回63.5～63.9-0.0002-0.00030.00080.00110.00130.00180.00300.00310.0040火D1110℃×1h,气冷-78℃×1h冷处理550℃×2h×2，回火62.5～62.7-0.0002-0.00020.00050.00050.00070.00070.00050.00180.00223.2高温接触疲劳性能试验试验机是模拟向心推力球轴承工况进行接触疲劳试验的，如图1所示。试验钢球(上球)由下面4个钢球所支承，试验钢球旋转时，靠磨擦力带动4个支承球沿支承圈的内表面自转和绕主轴公转。图1五球滚动疲劳试验机原理图Fig.1Principleschematicoffiveballrollingfatiguetestingmachine试验条件：试验机主轴转速104r/min，主轴转动一圈，试验球受5.6388次应力循环。陪试钢球的尺寸和精度要求与被试钢球相同，接触应力为4165MPa。试验温度为200℃。使用的润滑油为4010高温润滑油，每组试验20个试件。采用完全试验法试验，试验结果的数据处理采用两参数Weibull函数，其参数估计采用最佳线性不变估计(BLIE)方法。主要参数计算结果见表4。疲劳寿命韦布尔曲线见图2。图2HCr4Mo4V钢疲劳寿命韦布尔曲线Fig.2WeibullfatiguelifecurvesofsteelHCr4Mo4V由表4可知，HCr4Mo4V钢淬火后经冷处理再进行两次回火与未经冷处理直接进行3次回火工艺处理的额定寿命L10分别为1.97×106与2.70×106。即淬火后经冷处理的HCr4Mo4V钢的额定寿命L10较未经冷处理提高37%。冷处理钢较未冷处理钢的韦布尔斜率大，稳定性较好。表4HCr4Mo4V钢的高温接触疲劳性能Table4ContactfatiguepropertiesofsteelHCr4Mo4Vathightemperature编号热处理工艺(真空炉淬、回火)1/2″钢球硬度/HRC额定寿命L10/×106额定寿命相对比较系数中值寿命L50/×107特征寿命Vs/×107斜率A1110℃,50min气淬550℃×2h×3次回火62～62.41.9711.522.280.91B1110℃,50min气淬-60℃×1h550℃×2h×2次回火61.1～61.82.701.371.552.191.074电镜检验结果与分析由表1可知，试验用Cr4Mo4V钢的碳含量为0.79%～0.80%，所以淬回火后的组织形态为板条和孪晶混合型马氏体组织，图3～6为不同热处理状态下钢的显微组织形态和亚结构，板条马氏体内亚结构主要是位错，片状马氏体内亚结构主要是孪晶。冷处理与否亚结构有明显差别，由图3可见，冷处理后不仅能获得高密度位错的板条马氏体且马氏体板条细化(见图4)。图5为冷处理过程中形成的形变微孪晶，未冷处理的很少见。图6为马氏体基体中析出的碳化物，使Cr4Mo4V钢产生二次硬化现象，选区电子衍射结果表明，条状为M23C6，点状为V4C3。图3HCr4Mo4V钢高密度位错的板条马氏体×3800Fig.3HighdensitydislocationoflathmartensiteinsteelHCr4Mo4V×3800图4HCr4Mo4V钢冷处理后产生的细板条马氏体×2500Fig.4FinelathmartensiteinsteelHCr4Mo4Vcold-treated×2500图5HCr4Mo4V钢冷处理过程中产生的形变微孪晶×3800Fig.5DeformationtinytwininsteelHCr4Mo4Vduringcoldtreatment×3800图6HCr4Mo4V钢基体马氏体中析出的碳化物×2500Fig.6CarbidedepositedinmartensitematrixofsteelHCr4Mo4V×2500经测定冷处理两次回火和未经冷处理3次回火钢中的残余奥氏体含量分别为0.97%和2.03%，虽然数值相差不大，但未经冷处理钢电镜观察发现有残余奥氏体。经冷处理后的钢中，电镜观察残余奥氏体基本消失。淬火后回火，未经冷处理钢中，部分残余奥氏体继续转变，使之体积膨胀。而经冷处理能促使残余奥氏体充分转变成马氏体，因此，再经最终两次回火后尺寸能保持稳定，体积不发生变化。所以经200℃、500h时效后，未经冷处理较经冷处理后试样的尺寸变化率大1.82倍的原因即在于此。冷处理使马氏体低温下变形，此时滑移难以进行，只能以孪生方式变化，故形变微孪晶较多。深冷使马氏体转变的温度范围加宽，相变的核心数量就多，加之低温下残余奥氏体中碳化物不易扩散，就形成细板条。深冷使马氏体产生畸变，导致位错密度增加。总之，由于冷处理使马氏体板条细化、位错密度增加，形成形变微孪晶等原因，所以经冷处理后钢的强韧性高于未冷处理钢，从而提高了钢的高温接触疲劳性能。5结论(1)冷处理能显著提高HCr4Mo4V钢的尺寸稳定性。未经冷处理和经冷处理钢，经过200℃、500h时效后的尺寸变化率分别为0.0040%和0.0022%，即未冷处理钢的尺寸变化率是经冷处理钢尺寸变化率的1.82倍。(2)冷处理工艺能提高HCr4Mo4V钢的高温接触疲劳寿命，淬火后经冷处理再进行两次回火较未经冷处理直接进行3次回火的额定寿命L10提高37%。作者简介：吴运榜，男，59岁，高级工程师，1963年毕业于重庆大学。从事轴承材料及热处理工艺研究。曾先后获得部委级科技成果二等奖3项，三、四等奖各1项。作者单位：洛阳轴承研究所，洛阳471039