一种获得8Cr4Mo4V钢优化淬火工艺的方法与流程

技术领域：

本发明属于特种钢热处理研究领域，涉及一种有效改善8cr4mo4v钢组织的淬火技术及获取8cr4mo4v钢优化淬火工艺的方法。

背景技术：
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8cr4mo4v钢是重要的高温轴承用钢，广泛用于制造航空发动机、燃气轮机等高温轴承部件。近年来，一些学者对8cr4mo4v钢的热处理技术进行了广泛研究，探索出一系列相关的热处理规程。随着工业技术和生产水平的不断发展，对8cr4mo4v钢的性能要求越来越高，原有的热处理制度已无法满足时代发展的需要。进一步细化量化钢组织，并探索出与之相应的热处理制度的创新成为当务之急。

8cr4mo4v钢的强化离不开热处理，其中，淬火处理是热处理的关键。8cr4mo4v系钢的淬火形式主要包括：油冷(介质)淬火、等温淬火、真空气淬等。其中，油冷淬火和等温淬火应用较多，但对细化组织的热处理研究较为缺乏。目前，为了使钢的晶粒和组织得到细化，人们投入了大量的精力。申请号为cn201810015019.1的专利指出，通过对钢进行充分奥氏体化后在高温区快速冷却能够获得大量弥散分布的纳米级碳化物组织，但这种方法无法保证奥氏体晶粒细化及基体组织控制，而奥氏体晶粒尺寸是决定钢性能的主要因素之一。专利号为cn201510150917.4的专利本质是通过对将中高碳钢构件进行预备(淬火)热处理实现钢的晶粒细化，但这种方法不适合8cr4mo4v钢。目前尚未见到有关较为精确控制8cr4mo4v钢组织的报道及专利。

8cr4mo4v钢油冷(介质)淬火得到的组织基本为片状马氏体、残余奥氏体及残留碳化物。回火后得到回火回火屈氏体(或回火索氏体)、残留碳化物以及析出沉淀碳化物，其硬度高，韧性相对较差，综合性能较低。等温淬火得到的组织为低温贝氏体、残余奥氏体及残留碳化物。回火后得到贝氏体、回火屈氏体(或回火索氏体)、残留碳化物以及析出沉淀碳化物，其强度高，韧性好，综合性能优良，但硬度较低，耐磨性不尽人意。另外，单一淬火处理无法有效控制钢组织。而决定钢性能的最重要因素是钢的晶粒状态、组织状态、微观结构及各组成相间的匹配。

技术实现要素：
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发明目的：

本发明公开一种获得8cr4mo4v钢优化淬火工艺的方法，目的是从根本上实现对8cr4mo4v钢的组织控制，有效提高钢的性能。

技术方案：

一种获得8cr4mo4v钢优化淬火工艺的方法，步骤如下：

(1)确定加热固溶工艺：取w个球化退火钢试样在1050～1140℃温度范围内分别保温不同时间进行加热固溶处理，得到w个第一批加热试样，第一批加热试样保温时间的范围为8～90min，以8min或者90min为端点在8～90min范围内取任意公差的等差数列作为第一批加热试样的不同保温时间点，w个第一批加热试样分别保温不同时间后得到w个第一批加热试样，然后将w个第一批加热试样直接油淬或空冷到10～30℃得到第一批淬火试样；在显微晶粒度级别7.6级～10级之间选取显微晶粒度级别最高的淬火试样对应的保温温度和保温时间为加热固溶工艺的保温温度与保温时间；

(2)确定等温淬火最高硬度时间点：在步骤(1)得出的加热固溶工艺的保温温度与保温时间的条件下，对另外m个球化退火钢试样进行加热固溶处理，得到第二批加热试样；将第二批加热试样置入160～280℃温度范围内的任意温度中分别保温不同时间进行等温淬火，第二批加热试样保温时间的范围为20min～10h，在该范围内任一点取任意公差的等差数列作为第二批等温淬火试样的不同保温时间点，m个第二批加热试样分别保温不同时间后得到m个第二批等温淬火试样，将m个第二批等温淬火试样分别取出后，空冷至0～30℃，测定不同保温时间对应的每一个第二批等温淬火试样的硬度，硬度最大的第二批等温淬火试样对应的保温时间为保温时间点tm；

(3)在步骤(2)基础上进行复合淬火处理：在步骤(1)得出的加热固溶工艺的保温温度与保温时间的条件下，对另外n个球化退火钢试样进行加热固溶处理，得到第三批加热试样；将第三批加热试样置入步骤(2)得到的保温温度中分别保温不同时间进行等温淬火，第三批加热试样保温时间范围为0.1×tm～0.75×tm，以0.1×tm或者0.75×tm为端点在0.1×tm～0.75×tm范围内取任意公差的等差数列作为第三批等温淬火试样的不同保温时间点，n个第三批加热试样分别保温不同时间后得到n个第三批等温淬火试样，将n个第三批等温淬火试样分别取出后，直接用油、水、气或者水溶性介质淬火，得到n个复合淬火试样；

(4)选择优化复合淬火工艺试样：利用扫描电镜观察由步骤(3)得到的复合淬火试样组织，在基体组织由马氏体、低温贝氏体、残余奥氏体组成，且80％以上马氏体长度不超过5μm，80％贝氏体长度不超过6μm的复合淬火试样中，选取组织最细的试样作为优化复合淬火工艺试样；

(5)对由步骤(4)得到的优化复合淬火工艺试样采用510～550℃、1.8～2.5h，3至4次回火处理，得到最终优化热处理后的8cr4mo4v钢。

步骤(1)中w≥3。

步骤(2)中m≥5。

步骤(3)中n≥3，tm为0～120min，选择3-5个时间点；tm大于120min，则可以选择5～10个时间点。

优点及效果：

(1)本发明突破了以往单一淬火工艺，将合理的等温淬火工艺与介质淬火工艺进行科学组合，通过试验操作即可获得优化复合淬火工艺。本发明具有科学性、可行性，操作简单，效果显著，提升了8cr4mo4v钢性能的空间。

(2)本发明由于等温淬火后进行油冷(介质)淬火，淬火温度低，符合环保需要。

(3)本发明为以后进一步量化钢组织热处理提供参考。

附图说明：

图1为实施例1中动态摩擦磨损曲线；

图2为实施例1中8cr4mo4v钢经过1095℃保温20min固溶，200℃保温50min等温淬火+油淬，540℃保温120min四次回火后的组织形貌；

图3为实施例1中不同工艺淬火钢的组织对比；

图4为实施例2中不同工艺淬火钢的组织对比；

图5为实施例3中不同工艺淬火钢的组织对比；

图6为实施例4中不同工艺淬火钢的组织对比。

具体实施方式：

本发明的主要思路是基于等温淬火过程中低温贝氏体转变主要依赖碳等元素的扩散，转变速率较慢，而马氏体转变是切变相变，转变速率快的考虑，在一定的固溶条件下，将等温淬火置于油冷(介质)淬火之前，使之发生部分低温贝氏体转变。由于等温时间有限，贝氏体没有充分长大，因而贝氏体组织得到细化；余下的过冷奥氏体比例减少，同时被贝氏体分割，因此，在接下来的油冷(介质)淬火过程中转变的马氏体尺寸受到控制，使马氏体组织也得到明显细化。同时，控制等温淬火保温时间可以控制低温贝氏体和马氏体的相对含量，从根本上实现对钢组织的控制，显著提高钢的性能。通过组织观察对比，确定获得晶粒细，具有细小马氏体和细小低温贝氏体以及残留碳化物组织的复合淬火工艺为优化淬火工艺。

一种获得8cr4mo4v钢优化淬火工艺的方法的实施过程如下：

(1)确定加热固溶工艺：取w个球化退火钢试样在1050～1140℃温度范围内的任意温度下、分别保温不同时间进行加热固溶处理，得到w个第一批加热试样，第一批加热试样保温时间的范围为8～90min，以8min或者90min为端点在8～90min范围内取任意公差的等差数列作为第一批加热试样的不同保温时间点，w个第一批加热试样分别保温不同时间后得到w个第一批加热试样，然后将w个第一批加热试样直接油淬或空冷到10-30℃得到第一批淬火试样；在符合国家标准gb/t6394-2017显微晶粒度级别7.6级～10级之间选取显微晶粒度级别最高的淬火试样对应的保温温度和保温时间为加热固溶工艺的保温温度与保温时间；

(2)确定等温淬火最高硬度时间点：对另外m个球化退火钢试样在步骤(1)确定的加热固溶工艺条件下进行加热固溶处理，得到第二批加热试样；将第二批加热试样置入160～280℃温度范围内的任意温度的等温炉中分别保温不同时间进行等温淬火，第二批加热试样保温时间的范围为20min～10h，在该范围内任一点取任意公差的等差数列作为第二批等温淬火试样的不同保温时间点，m个第二批加热试样分别保温不同时间后得到m个第二批等温淬火试样，将m个第二批等温淬火试样分别取出后，空冷至0～30℃，测定不同保温时间对应的每一个第二批等温淬火试样的硬度，硬度最大的第二批等温淬火试样对应的保温时间为保温时间点tm；

(3)在步骤(2)基础上进行复合淬火处理：对另外n个球化退火钢试样在步骤(1)确定的加热固溶工艺条件下进行加热固溶处理，得到第三批加热试样，将第三批加热试样置入如步骤(2)所述的等温淬火炉中分别保温不同时间进行等温淬火，第三批加热试样保温时间范围为0.1×tm～0.75×tm，以0.1×tm或者0.75×tm为端点在0.1×tm～0.75×tm范围内取任意公差的等差数列作为第三批等温淬火试样的不同保温时间点，n个第三批加热试样分别保温不同时间后得到n个第三批等温淬火试样，将n个第三批等温淬火试样分别取出后，直接用油、水、气或者水溶性介质淬火，得到n个复合淬火试样；

(4)选择优化复合淬火工艺试样：利用扫描电镜观察由步骤(3)得到的复合淬火试样组织，在基体组织由马氏体、低温贝氏体、残余奥氏体组成，且80％以上马氏体长度不超过5μm，80％贝氏体长度不超过6μm的复合淬火试样中，选取组织最细的试样作为优化复合淬火工艺试样；

(5)对由步骤(4)得到的优化复合淬火工艺试样采用510～550℃、1.8-～2.5h，3至4次回火处理，得到最终优化热处理后的8cr4mo4v钢。

要求：步骤(1)中w≥3；步骤(2)中m≥5；步骤(3)中n≥3，tm为0～120min，选择3～5个时间点；tm大于120min，则可以选择5～10个时间点。

实施例1：

首先，确定8cr4mo4v钢加热固溶工艺：取3个球化退火钢试样在1095℃温度下分别保温20min、30min、40min进行加热固溶处理，然后油淬，得到第一批淬火试样；经检测发现，其中温度为1095℃、保温20min试样的显微晶粒度级别最高，为9.0级，确定1095℃、20min分别为加热固溶工艺的保温温度与保温时间；同时，经过一系列试验和组织观察确定等温淬火温度约为200℃。在此基础上按照以下步骤进行热处理：

(1)在1095℃下保温20min对7个球化退火钢试样进行加热固溶处理；

(2)将步骤(1)的加热试样置入200℃炉中分别保温60min、90min、120min、150min、180min、210min、240min进行等温淬火，得到第二批等温淬火试样，取出第二批等温淬火试样空冷至20℃。测定第二批等温淬火试样的平均硬度与等温淬火保温时间的关系，如表1所示，确定最大硬度的保温时间tm为150min。

表1等温淬火8cr4mo4v钢硬度与淬火保温时间的关系

(3)另取3个球化退火试样在1095℃下保温20min固溶处理，取出该加热试样置入200℃炉中分别保温15min、65min、115min进行等温淬火，得到第三批等温淬火试样。取出第三批等温淬火试样直接油淬，得到复合淬火试样。

(4)通过扫描电镜观察由步骤(3)得到的复合淬火试样组织，可以看到：保温65min淬火试样在基体组织由马氏体、低温贝氏体、残余奥氏体组成，且80％以上马氏体长度不超过5μm，80％贝氏体长度不超过6μm的复合淬火试样中组织最细，确定1095℃保温20min为加热固溶工艺，200℃保温65min为等温淬火+水淬为优化淬火工艺。

(5)对经过优化淬火工艺得到的试样进行四次540℃等温2h回火处理。测定回火钢的硬度和耐磨性。如表2所示为本发明优化复合淬火回火工艺与优化等温淬火回火及优化油淬回火处理钢的硬度对比，显示该复合淬火回火钢的硬度与油冷淬火回火试样硬度相当。测定动态摩擦磨损曲线如图1所示，表明复合淬火回火钢的耐磨性明显优于其它淬火工艺。

表2淬火工艺对回火钢硬度的影响

图2为8cr4mo4v钢经过1095℃保温20min固溶，200℃保温50min等温淬火+油淬，540℃保温120min四次回火后的组织形貌。可见，奥氏体消失，同时，在基体中析出高度弥散的纳米级碳化物，使热处理钢集细晶强化、固溶强化、多层次第二相强化于一体。

图3为不同工艺淬火钢的组织对比。其中，图(a)为油冷淬火，图(b)为200℃×120min等温淬火，图(c)为200℃×50min等温淬火+油冷复合淬火。可见，等温淬火钢组织由低温贝氏体、残留的微米或亚微米级一次(含二次)碳化物以及残余奥氏体组成；油冷淬火钢组织由马氏体、残留的微米或亚微米级一次(含二次)碳化物以及残余奥氏体组成；而优化复合淬火钢组织由低温贝氏体、马氏体、残留的微米或亚微米级一次(含二次)碳化物以及微量的奥氏体组成，与等温淬火及油淬试样组织相比明显细化均匀。

实施例2：

首先，确定8cr4mo4v钢加热固溶工艺：取4个球化退火钢试样在1050℃温度下分别保温60min、70min、80min、90min加热固溶处理，然后油淬，得到第一批淬火试样；经检测发现，其中温度为1050℃、保温60min试样的显微晶粒度级别最高，为9.5级，确定1050℃、60min分别为加热固溶工艺的保温温度与保温时间；同时，经过一系列试验和组织观察确定等温淬火温度约为160℃。在此基础上按照以下步骤进行热处理：

(1)在1050℃下保温60min对7个球化退火钢试样进行加热固溶处理；

(2)将步骤(1)的加热试样置入160℃炉中分别保温160min、200min、240min、280min、320min、360min、400min进行等温淬火，得到第二批等温淬火试样，取出第二批等温淬火试样空冷至0℃。测定第二批等温淬火试样的平均硬度与等温淬火保温时间的关系，如表3所示，确定最大硬度的保温时间tm为240min。

表3等温淬火8cr4mo4v钢硬度与淬火保温时间的关系

(3)另取5个球化退火试样在1050℃下保温60min固溶处理，取出该加热试样置入160℃炉中分别保温20min、60min、100min、140min、180min进行等温淬火，得到第三批等温淬火试样。取出第三批等温淬火试样直接水淬，得到复合淬火试样。

(4)通过扫描电镜观察由步骤(3)得到的复合淬火试样组织，可以看到：保温140min淬火试样在基体组织由马氏体、低温贝氏体、残余奥氏体组成，且80％以上马氏体长度不超过5μm，80％贝氏体长度不超过6μm的复合淬火试样中组织最细，确定1050℃保温60min为加热固溶工艺，160℃保温140min为等温淬火+水淬为优化淬火工艺。

(5)对经过优化淬火工艺得到的试样及其附近160℃保温140min等温淬火+水淬试样进行四次510℃等温1.8h回火处理。测定回火钢的硬度。如表4所示为本发明优化复合淬火回火工艺与优化等温淬火回火及优化油淬回火处理钢的硬度对比，显示该复合淬火回火钢的硬度具有明显优势。

图4为不同工艺淬火钢的组织对比。其中，图(a)为油冷淬火，图(b)为160℃保温240min等温淬火，图(c)为160℃保温140min等温淬火+水淬。从图4中可见160℃保温140min等温淬火+水淬得到的复合淬火钢组织由低温贝氏体、马氏体、残留的微米或亚微米级一次(含二次)碳化物以及微量的奥氏体组成，与等温淬火及油淬试样组织相比明显细化均匀。

表4淬火工艺对回火钢硬度的影响

实施例3：

首先，确定8cr4mo4v钢加热固溶工艺：取3个球化退火钢试样在1140℃温度下分别保温8min、15min、22min进行加热固溶处理，然后油淬，得到第一批淬火试样；经检测发现，其中温度为1140℃、保温8min试样的显微晶粒度级别最高，为7.6级，确定1140℃、8min分别为加热固溶工艺的保温温度与保温时间；同时，经过一系列试验和组织观察确定等温淬火温度约为280℃。在此基础上按照以下步骤进行热处理：

(1)在1140℃下保温8min对5个球化退火钢试样进行加热固溶处理；

(2)将步骤(1)的加热试样置入280℃盐浴中分别保温60min、120min、180min、240min、300min进行等温淬火，得到第二批等温淬火试样，取出第二批等温淬火试样空冷至0℃。测定第二批等温淬火试样的平均硬度与等温淬火保温时间的关系，如表5所示，确定最大硬度的保温时间tm为240min。

表5等温淬火8cr4mo4v钢硬度与淬火保温时间的关系

(3)另取5个球化退火试样在1140℃下保温10min固溶处理，取出该加热试样置入280℃盐浴中分别保温20min、60min、100min、140min、180min进行等温淬火，得到第三批等温淬火试样。取出以上第三批等温淬火试样直接风冷至0℃，得到复合淬火试样组织。

(4)通过扫描电镜观察由步骤(3)得到的复合淬火试样组织，可以看到：保温60min淬火试样在基体组织由马氏体、低温贝氏体、残余奥氏体组成，且80％以上马氏体长度不超过5μm，80％贝氏体长度不超过6μm的复合淬火试样中组织最细，确定1140℃保温8min为加热固溶工艺，280℃保温60min为等温淬火+风冷淬火为优化淬火工艺。

(5)对经过优化淬火工艺得到的试样进行三次540℃等温2.5h回火处理。测定回火钢的硬度。如表6所示为本发明优化复合淬火回火工艺与优化等温淬火回火及优化油淬回火处理钢的硬度对比，显示复合淬火回火钢的硬度高于等温淬火回火与油冷淬火回火试样硬度。

图5为不同工艺淬火钢的组织对比。其中，图(a)为油冷淬火，图(b)为280℃保温240min等温淬火，图(c)为280℃保温60min等温淬火+风冷淬火后的组织形貌。从图5中可见280℃保温60min等温淬火+风冷淬火得到的复合淬火钢组织由低温贝氏体、马氏体、残留的微米或亚微米级一次(含二次)碳化物以及微量的奥氏体组成，与等温淬火及油淬试样组织相比明显细化均匀。

表6淬火工艺对回火钢硬度的影响

实施例4：

首先，确定8cr4mo4v钢加热固溶工艺：取3个球化退火钢试样在1095℃温度下分别保温25min、35min、45min进行加热固溶处理，然后油淬，得到第一批淬火试样；经检测发现，其中温度为1140℃、保温8min试样的显微晶粒度级别最高，为8级，确定1095℃、25min分别为加热固溶工艺的保温温度与保温时间；同时，经过一系列试验和组织观察确定等温淬火温度约为240℃。在此基础上按照以下步骤进行热处理：

(1)在1095℃下保温25min对7个球化退火钢试样进行加热固溶处理；

(2)将步骤(1)的加热试样置入240℃炉中分别保温240min、300min、360min、420min、480min、540min、600min进行等温淬火，得到第一批等温淬火试样，取出第二批等温淬火试样空冷至30℃。测定第二批等温淬火试样的平均硬度与等温淬火保温时间的关系，如表7所示，确定最大硬度的保温时间tm为360min。

表7等温淬火8cr4mo4v钢硬度与淬火保温时间的关系

(3)另取7个球化退火试样在1095℃下保温25min固溶处理，取出该加热试样置入240℃炉中分别保温35min、75min、115min、155min、195min、235min、275min进行等温淬火，得到第三批等温淬火试样。取出第三批等温淬火试样直接油淬，得到复合淬火试样。

(4)通过扫描电镜观察由步骤(3)得到的复合淬火试样组织，可以看到保温75min淬火试样在基体组织由马氏体、低温贝氏体、残余奥氏体组成，且80％以上马氏体长度不超过5μm，80％贝氏体长度不超过6μm的复合淬火试样中组织最细，确定1090℃保温25min为加热固溶工艺，240℃保温75min为等温淬火+水淬为优化淬火工艺。

(5)对经过优化淬火工艺得到的试样进行三次540℃等温2h回火处理。测定回火钢的硬度。如表8所示为本发明优化复合淬火回火工艺与优化等温淬火回火及优化油淬回火处理钢的硬度对比，显示该复合淬火回火钢的硬度具有明显优势。

图6为不同工艺淬火钢的组织对比。其中，图(a)为油冷淬火，图(b)为240℃保温360min等温淬火，图(c)为240℃保温75min等温淬火+油淬试样的组织形貌。从图6中可见240℃保温75min等温淬火+油淬得到的复合淬火钢组织由低温贝氏体、马氏体、残留的微米或亚微米级一次(含二次)碳化物以及微量的奥氏体组成，与等温淬火及油淬试样组织相比明显细化均匀。

表8淬火工艺对回火钢硬度的影响