8Cr4Mo4V高溫軸承鋼熱處理及表面改性技術(shù)的研究進展（一）

8Cr4Mo4V鋼是我國應用較為廣泛的一種高溫軸承鋼，主要用于航空發(fā)動機主軸軸承的制造。隨著發(fā)動機主軸軸承的服役工況愈發(fā)惡劣，對材料性能的要求也越來越高，國內(nèi)外學者開展了大量8Cr4Mo4V鋼性能提升的研究工作。作者介紹了8Cr4Mo4V鋼化學成分優(yōu)化的研究進展；重點分析了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鋼表面強化技術(shù)的研究進展及相關(guān)成果，涉及表面合金化、涂層沉積、噴丸強化及復合強化技術(shù)；最后，結(jié)合8Cr4Mo4V鋼服役需求及相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀對其后續(xù)研究方向進行了展望。

軸承作為航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件，主要作用是減小發(fā)動機各部件之間的摩擦力，傳輸載荷及保持各部件的準確位置，航空發(fā)動機主軸軸承服役環(huán)境較為惡劣，其性能直接影響發(fā)動機的運行和使用壽命，故航空發(fā)動機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)異的力學性能，20世紀80年代中期，美國宇航局開始將其應用于航空軸承。到目前為止，8Cr4Mo4V鋼依然是我國應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)動機主軸軸承的制造。

為進一步提高8Cr4Mo4V鋼的性能，近些年國內(nèi)外學者進行了大量的研究。2020年最新報道顯示，國外學者為提高8Cr4Mo4V鋼的干摩擦性能，利用放電等離子燒結(jié)（Spark Plasma Sintering，SPS）將固體潤滑劑（SnS/ZnO）直接加到8Cr4Mo4V鋼基體中。

1、8Cr4Mo4V鋼化學成分及優(yōu)化

傳統(tǒng)8Cr4Mo4V鋼的化學成分見表1，其中質(zhì)量分數(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鋼化學成分的質(zhì)量分數(shù) %

文獻[7]對8Cr4Mo4V鋼失效模式進行了研究，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和以無規(guī)則塊狀存在的部分MC。為消除無規(guī)則塊狀碳化物，文獻[9]通過熱力學計算重新設計了8Cr4Mo4V鋼成分（表1中的改進型）并進行了試制，結(jié)果表明：通過適當提高Cr含量，同時降低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)驗證，未見到該成分8Cr4Mo4V鋼的實際工程應用。

文獻[10]研究了Mg對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)別在于國外淬火升溫過程為一步預熱（圖1a紅線）或三步預熱（圖1a黑色虛線），而國內(nèi)基本采用一步預熱（圖1b）；國外淬火冷卻過程采用分級淬火方式，主要目的是減小熱處理變形，而國內(nèi)采用吹N2連續(xù)冷卻。

圖1 8Cr4Mo4V鋼國內(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、細小，回火后8Cr4Mo4V鋼由回火馬氏體、少量殘余奧氏體(體積分數(shù)不大于3%)及碳化物組成；回火后存在無規(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[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，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試手段限制，只能從二維角度對8Cr4Mo4V鋼中碳化物進行觀察分析，制樣以及觀察方式均可能導致對其真實形狀及尺寸存在誤判。隨著三維原子探針技術(shù)的開發(fā)及應用，文獻[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，回火過程中析出的M2C三維形貌呈細柱狀，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 貝氏體等溫淬火強韌化工藝

當dn值超過2.0x10⁶mm.r/min時，韌性不足成為限制8Cr4Mo4V鋼使用的主要原因。文獻[15-16]相繼開展了強韌化技術(shù)在8Cr4Mo4V鋼熱處理工藝中的應用，以達到提高其綜合性能和軸承壽命的目的。

金屬材料通過等溫淬火獲得的下貝氏體具有優(yōu)異的強度和韌性，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)異的力學性能，文獻[24-25]開展了8Cr4Mo4V鋼貝氏體等溫淬火工藝研究，以進一步提高材料的強韌性。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

航空軸承除對力學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(體積分數(shù)，下同)已降至3%以下，但在存放和使用過程中依然可能進一步向馬氏體轉(zhuǎn)變，從而引起尺寸變化；殘余應力的釋放也會引起軸承尺寸變化。因此，文獻[26]開展了尺寸穩(wěn)定化熱處理工藝對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個循環(huán)，每個循環(huán)由冷處理和中溫時效2個過程組成。

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)定處理過程中馬氏體析出與殘余奧氏體轉(zhuǎn)變同時進行，8Cr4Mo4V鋼尺寸整體呈收縮現(xiàn)象（圖6b），說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，由于馬氏體析出反應基本完成，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鋼試樣長度平均增加1.5X10^-5mm，變化率為7.5x10^-7。