Cr4Mo4V钢球淬火产生混晶组织的原因与消除措施

高元安，叶健熠，王智勇，王鑫

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

Cr4Mo4V钢是制造高温轴承的主要钢种之一。但在实际生产中经常遇到的问题是：Cr4Mo4V钢球在淬火时通常会产生混晶组织，严重时会导致整批报废，这不仅给厂家造成了巨大的经济损失，更因为交货期延长，给客户造成了不好的影响。下文对Cr4Mo4V钢球淬火产生混晶组织的原因及影响进行分析，并通过试验给出了消除混晶组织的热处理工艺。

1 混晶组织概念及产生原因

混晶组织是指材料的奥氏体晶粒有明显的多种区域尺寸，每个区域尺寸的含量都较大且不可忽略。通俗点说就是混晶组织是金相组织中粗晶粒和细晶粒混杂的现象。在Cr4Mo4V钢中，1～4级粗晶粒和5级以上细晶粒同时存在于金相视场中，可判定为混晶组织，如图1和图2所示。

图1 混晶晶粒分布

图2 混晶马氏体组织

钢材在热加工过程中出现混晶组织对材料的力学性能、工艺性能及进一步的热处理都有很大影响。尤其对于组织遗传倾向比较大的钢种(有资料认为混晶组织是由于组织遗传造成的)，在锻造或轧制后冷却温度和速度控制不好，如冷却速度非常缓慢，就容易发生奥氏体再结晶，已经在锻造中被细化的晶粒会发生异常长大形成混晶组织。

Cr4Mo4V高温轴承钢属于高碳、高合金元素含量的钢种，在冶金过程中易形成粗大的一次碳化物，从而造成碳化物分布不均匀。在加热淬火时，二次碳化物稀少的部位，碳化物钉扎晶粒长大的作用变弱，使得奥氏体晶粒容易快速长大；二次碳化物相对密集的部位和一次碳化物带上的晶粒长大比较缓慢，这就容易使Cr4Mo4V钢产生混晶组织。由此可知，Cr4Mo4V钢混晶组织产生原因主要是受一次碳化物不均匀的影响，在淬火后表现出来的结果。

2 混晶组织对性能的影响及其消除方法

Cr4Mo4V钢的混晶组织主要影响其接触疲劳寿命和冲击韧性。其原因推断为混晶组织中的马氏体组织不均匀，在原粗大晶粒奥氏体内的马氏体针粗大，往往超过热处理标准规定的马氏体组织要求。受载时，变形不协调，粗、细晶粒交界入或粗晶粒内首先形成裂纹，进而扩展导致整体性能下降。

无论Cr4Mo4V钢的混晶组织是否由于组织遗传或者碳化物分布不均匀所致，只要阻断组织遗传并使其中的二次碳化物分布进一步均匀化，就有可能消除其混晶组织。因此，在淬火后一旦发现Cr4Mo4V钢出现了混晶组织，采取完全退火的方法就可以大大改善或基本消除其混晶组织。其原理是：(1)淬火后再次退火处理，使材料化学成分和碳化物的分布进一步均匀化；(2)经过相变重结晶的平衡组组织可破坏组织遗传的可能性，为获得良好的无混晶组织奠定基础。

3 现行标准对该钢混晶组织的要求

Cr4Mo4V钢现行的材料标准有2个：(1)YB 688—1976《高温轴承钢Cr4Mo4V技术条件》，以该标准交付的Cr4Mo4V钢材的冶炼方法为电渣重熔冶炼。由于该标准提出的年代较早，对该钢的混晶组织的认识还不够，故标准中对混晶组织没有明确的条文要求；(2)YB 4105—2000《航空发动机用高温轴承钢》，以该标准交付的Cr4Mo4V钢材的冶炼方法为双真空冶炼。该标准对其晶粒度的均匀性提出了明确要求，即“钢材的晶粒度为7级或更细，允许有不超过10%的5级以下的晶粒存在。”对最严重视场中的混晶晶粒所占面积有了明确与严格的要求。

在现行的热处理质量控制标准 JB/T 2850—2007 《滚动轴承Cr4Mo4V高温轴承钢零件热处理技术条件》中对该钢淬、回火后的晶粒度同样提出了明确要求，具体为“如组织晶粒度超过本标准第一级别图中第4级的要求，应选其最严重视场，按GB/T 6394—2002中5.1a的规定，放大100倍进行观察，5级以下晶粒度的晶粒超过该视场面积的15%为不合格”。这与YB 4105—2000标准的规定趋势相一致，只是混晶所占的面积有所不同。

由此可见， 在现行最新的材料标准和热处理质量控制标准中，Cr4Mo4V钢的混晶组织或晶粒度的均匀性成为一项必须控制和检验的项目。

4 混晶组织消除及性能检测对比实例

某公司采用Φ8 mm钢丝冲压制造的Φ9.5 mm Cr4Mo4V钢球若干粒，热处理淬、回火检验发现存在较为严重的混晶组织，为不合格产品。为减少损失，进行了大量的工艺探索试验，最终成功消除了混晶组织。

4.1 钢球用料的材质

按YB 688—1976标准进行检验与评定，Cr4Mo4V钢化学成分检测结果(质量分数)见表1，冶金质量见表2。

表1 Cr4Mo4V钢化学成分 w,%

表2 Cr4Mo4V钢冶金质量

由表可知，钢球材料的化学成分和冶金质量均符合标准要求。

4.2 常见淬、回火处理

采用常规工艺在真空炉中加热淬回、火，结果发现绝大多数钢球均产生有混晶组织(11粒中有10粒存在混晶组织)，如图3所示。存在混晶组织钢球热处理后的硬度及压碎载荷检验结果见表3(本应与正常组织对比，但无法挑出同批次没有混晶的完整钢球作压碎载荷对比试验，故只能与消除混晶组织后的钢球作对比)。

图3 淬、回火后的钢球混晶组织

表3 初次淬回火后硬度及压碎载荷

4.3 返修处理

(1)返修前预处理。在真空炉中重新进行完全退火。

(2) 淬、回火处理。经过重新退火后的钢球，在真空炉中淬火加热，温度较常规工艺低10～20 ℃，按常规工艺进行回火。检验发现混晶组织已基本消除，马氏体组织正常且均匀，按标准检验为2～3级。图4所示为退火后重新淬、回火的钢球组织，硬度和压碎载荷见表4。

图4 退火后重新淬、回火的钢球组织

表4 硬度及压碎载荷

以上结果表明，返修后钢球的金相组织、硬度和压碎载荷均符合标准要求。与混晶组织试验结果相比，钢球的压碎载荷值也明显高于有混晶组织的压碎载荷值。

5 结论

通过试验获得的混晶组织消除方法为：预处理(完全退火)+较低温度淬火(比常规淬火低10～20 ℃)+常规回火。检测结果表明,消除混晶组织后钢球的压碎载荷明显提高;其他热处理质量指标均符合现行标准的要求。