基于工作溫度8Cr4Mo4V鋼制軸承外套圈尺寸及應力變化特征分析

夏云志，顏家森，于興福，魏英華，楊文武，劉雨健

(1.中國航發 哈爾濱軸承有限公司，黑龍江 哈爾濱 150500；2.中國航發 湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002；3.沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

8Cr4Mo4V鋼具有高的疲勞強度和疲勞壽命、高的高溫硬度、高強度和高韌性等優異的力學性能[1-7]，被廣泛應用于航空發動機、燃氣輪機軸承制造。隨著航空技術的發展，航空器的飛行速度提高，發動機的推重比越來越高，發動機軸承的工作載荷越來越大，轉速越來越快，需要承受的工作溫度也越來越高。當軸承的工作溫度高于150 ℃時，普通軸承鋼已經難以達到要求，必須采用耐熱軸承鋼。8Cr4Mo4V鋼為高溫軸承制造用鋼，其可用于制造工作溫度范圍為100～300 ℃的軸承。

軸承是一種精密的機械基礎件，軸承內圈及外圈的尺寸精度直接影響著軸承的制造質量和使用壽命。我國制造軸承的精度等級偏低，軸承服役壽命不足，嚴重制約了我國航空發動機性能的進一步提升。而引起軸承尺寸變化的主要原因是軸承中亞穩相的轉變和殘余應力釋放，成品軸承存放和服役期間的尺寸變化可導致軸承裝配游隙超標，改變軸承受力狀態，縮短軸承服役壽命[8-12]。

現有熱處理條件下，8Cr4Mo4V鋼制軸承套圈和滾動體的主要組織是回火馬氏體+殘留奧氏體+碳化物，過飽和馬氏體和析出碳化物能夠保證其具有高硬度和耐磨性。但是馬氏體組織的不足之處是在軸承存放和服役期間會發生深度回火轉變，即固溶于馬氏體中的碳不斷析出，形成碳化物，降低了馬氏體的過飽和度，導致馬氏體的晶格尺寸減小，軸承套圈宏觀表現為尺寸減小。另外軸承套圈中的殘留奧氏體在存放和工作期間也會不斷地轉變為馬氏體，將導致軸承的尺寸增大。殘留奧氏體轉變的馬氏體，仍然會發生回火轉變。另外，軸承在加工中形成的殘余應力，在存放和工作條件下也會逐漸釋放，也是引起軸承尺寸變化的原因。

因此，本研究通過對8Cr4Mo4V鋼制造的一種直壁軸承外套圈在不同工作溫度下進行保溫，模擬軸承工作溫度及變化，分析溫度、時間對軸承外套圈尺寸、表面殘余應力和微觀組織的影響，進而揭示軸承外套圈工作溫度下的尺寸及應力變化特征。

1 試驗材料與方法

采用8Cr4Mo4V鋼制備直壁圓筒形軸承外套圈，外套圈采用真空熱處理爐進行淬火+回火處理，具體熱處理工藝如圖1所示。外套圈經過淬火+回火處理后，外徑為φ73.77 mm，內徑為φ64.4 mm，幅高為29.35 mm。

圖1 熱處理工藝曲線

將加工完成的成品軸承外套圈分別置于120、150、220和250 ℃的保溫箱中，模擬在工作溫度下保溫，然后每隔2 h取出，冷卻至室溫，再放入保溫箱中保溫，如此循環進行，累積時間共計300 h(只包括在箱時間)，每累積10 h測量軸承外套圈尺寸。尺寸測量采用扭簧儀，精度為0.001 mm，經不同時間保溫處理后，采用與軸承外套圈外徑或內徑尺寸僅差幾微米的標準圓規，測量軸承外套圈內、外徑尺寸，測量尺寸的位置固定。其中內徑測量兩個圓周位置，一個為內徑低面，另一個為內徑高面，內徑低面位置為內徑從底沿至高度為10 mm處的圓環位置，內徑高面位置為內徑從底沿至高度為19 mm的圓環位置，外徑低面和外徑高面位置分別為外徑環面從底沿至高度為7 mm和18 mm圓環位置，選擇的測量位置位于軸承外表面兩個溝槽之間。每次尺寸測量時沿外套圈測量5個點，然后取平均值作為該圓環處軸承外套圈的內、外徑尺寸。尺寸測量位置如圖2所示。將測得的外套圈尺寸與標樣之間的差值作為套圈的尺寸進行記錄，并繪制尺寸變化規律。保溫累積期間每隔50 h，進行一次-55 ℃ 的冷處理，冷處理時間為2.5 h，冷處理完成后，采用Stress-X型表面殘余應力檢測儀，測定軸承外套圈內、外徑表面的殘余應力，殘余應力測量點的位置與尺寸測量點的位置相同。

圖2 尺寸及殘余應力檢測位置示意圖

取經過淬火+回火處理的塊狀試樣，同爐隨軸承試樣進行上述保溫處理，保溫至300 h后取出，采用Gemini 300型熱場掃描電鏡觀察試樣的微觀組織，組織觀察所用腐蝕劑的配比為：100 mL C2H5OH+2.5 g(NO2)3C6H2OH+5 mL HCl。

2 試驗結果

2.1 尺寸及殘余應力

工作溫度為120 ℃時，軸承外套圈內、外徑不同位置處的尺寸和表面殘余應力隨保溫時間的變化如圖3所示。直壁圓筒形軸承外套圈的內、外徑尺寸隨保溫時間的增加逐漸增大，保溫期間尺寸增大量為1～1.5 μm。120 ℃下，測定內外徑表面的殘余應力均為壓應力，隨著保溫時間的延長，表面殘余應力絕對值整體呈增大趨勢，內徑殘余應力值初始狀態為-500 MPa，隨著保溫時間的增加，其殘余應力數值波動劇烈，整體呈逐漸增大的趨勢，最大數值升至-1000 MPa，經300 h保溫處理后殘余應力值超過-800 MPa，內徑表面殘余應力增大幅度為300～400 MPa。而外徑表面的殘余應力變化平緩，在個別時間點出現了應力降低的特征，但整體呈逐漸增加趨勢，初始狀態下外徑表面的殘余應力在-700～-800 MPa之間，經300 h保溫處理后殘余應力提高至-800 MPa左右，外徑表面殘余應力增加了20～100 MPa。

圖3 120 ℃下軸承外套圈尺寸(a)和表面殘余應力(b)隨時間的變化曲線

工作溫度為150 ℃時，軸承外套圈的尺寸和表面殘余應力隨保溫時間的變化如圖4所示，內、外徑的尺寸均逐漸增大，增大幅度為1～2 μm。內徑表面殘余應力絕對值整體呈上升趨勢，波動幅度明顯，經300 h保溫處理后殘余應力在-900～-1000 MPa之間，殘余應力增大了500～600 MPa；而軸承外套圈外徑表面殘余應力變化平緩，有的區域表面殘余應力絕對值先降低，然后又升高，而有的區域表面殘余應力絕對值緩慢升高，但也存在降低的區域，外徑高面整體呈增大趨勢，其增大幅度為160 MPa左右，經300 h保溫處理后軸承套圈外徑表面的殘余應力值達到-800 MPa。

圖4 150 ℃下軸承外套圈尺寸(a)和表面殘余應力(b)隨時間的變化曲線

220 ℃下，軸承外套圈尺寸及表面殘余應力變化如圖5所示。尺寸變化特征為內、外徑的尺寸整體上增大，增大幅度為1～2 μm。內徑表面殘余應力絕對值隨著保溫時間的增加先增大后減小，然后又增大，經過300 h保溫處理后殘余應力位于-600～-800 MPa之間，內徑表面殘余應力值增大幅度為220～400 MPa。外徑表面殘余應力值初始態為-600～-800 MPa，保溫期間應力值處于波動狀態，既存在殘余應力增大也存在殘余應力減小，經100 h保溫處理后，殘余應力值變化波動幅度減小，經300 h保溫處理后的殘余應力值為-680 MPa。

圖5 220 ℃下軸承外套圈尺寸(a)和表面殘余應力(b)隨時間的變化曲線

250 ℃下，套圈內徑和外徑的尺寸及表面殘余應力變化如圖6所示。尺寸變化特征是內徑及外徑的尺寸均波動增大，最終增大幅度為1～2 μm。內徑表面殘余應力絕對值初始階段緩慢增大，當保溫時間超過200 h時內徑表面殘余應力絕對值增大明顯，當時間達到250 h時內徑表面殘余應力絕對值達到最大，內徑高面的殘余應力值達到了-1400 MPa，但保溫時間為300 h時又恢復至-700 MPa左右，應力值增大幅度為100～300 MPa。外徑表面殘余應力處于波動狀態，當保溫時間達到200 h時外徑高面殘余應力絕對值最大，然后開始出現緩慢降低，經過300 h保溫處理后與初始狀態相比殘余應力值大小相當，殘余應力最終保持在-700 MPa附近。

圖6 250 ℃下軸承外套圈尺寸(a)和表面殘余應力(b)隨時間的變化曲線

2.2 微觀形貌

工作溫度下保溫300 h后軸承外套圈的微觀形貌如圖7所示。軸承鋼經淬火+回火處理后，鋼中析出顆粒狀碳化物，但基體組織仍是回火馬氏體。經120、150、220和250 ℃保溫處理300 h后，鋼中的組織發生了變化，析出的碳化物將基體分割呈塊狀，且隨著加熱溫度的升高，馬氏體發生深度回火，析出大量細小的毛狀碳化物。

圖7 不同工作溫度下保溫300 h后軸承外套圈的顯微組織

3 討論

3.1 工作溫度下尺寸變化特征

采用真空淬火+回火處理后的軸承外套圈，其組織主要由回火馬氏體+殘留奧氏體+碳化物構成，一般情況下認為已經析出的碳化物為穩定相，在工作溫度下不會引起尺寸的變化。但是殘留奧氏體和馬氏體均為亞穩相，其在保溫條件下發生相轉變將引起尺寸變化。除了相變引起尺寸變化外，套圈中殘余應力的釋放也是引起尺寸變化的因素，內徑表面殘余壓應力的釋放能夠使內徑尺寸增大，而外徑表面殘余壓應力的釋放，同樣會使外徑尺寸增大。另外，鋼中的殘留奧氏體轉變為馬氏體同樣會引起軸承外套圈尺寸增大，而馬氏體發生深度回火，碳化物自過飽和α-Fe中析出，引起軸承套圈尺寸減小。

本試驗用到的直壁圓筒軸承外套圈幅高較大，達到了29.35 mm，因此外套圈在尺寸變化時，不同部分之間會存在差異，但是也會相互制約，各個部分尺寸的增大或者減小需要相互協調，最終導致軸承套圈尺寸變化平緩，波動幅度較小。在120、150、220和250 ℃工作溫度下，軸承外套圈的尺寸變化特征相似，初始階段內徑尺寸均為增大，同時套圈的外徑尺寸也增大，由不同溫度下的尺寸變化特征(見圖3～圖6)可見，在初始階段多數套圈外徑的尺寸增大幅度大于內徑尺寸增大幅度，這是由于套圈在保溫0～30 h，鋼中同時發生著殘留奧氏體向馬氏體的轉變、馬氏體回火析出碳化物轉變和殘余應力的釋放。其中殘留奧氏體向馬氏體轉變使軸承外套圈尺寸增大，馬氏體回火析出碳化物使軸承套圈尺寸減小，而殘余應力釋放使軸承套圈尺寸增大，最終軸承套圈所顯現的尺寸變化特征是三者綜合作用的結果。因為工作溫度條件下，碳的擴散非常緩慢，馬氏體回火析出碳化物是一個緩慢的過程，該溫度下達到基體內碳元素和析出碳化物之間的動態平衡需要較長的時間。因此在軸承套圈保溫處理的初始階段，奧氏體轉變為馬氏體和殘余應力釋放主導軸承套圈尺寸變化。殘留奧氏體轉變為馬氏體的相變行為，是使軸承外套圈體積增大的相變特征。理論上認為軸承外套圈的體積膨脹會使外徑尺寸增大，內徑尺寸減小，但是實際測得的數據表明，軸承外套圈的內、外徑尺寸均增大，這主要是由于殘余應力釋放引起了軸承套圈的尺寸增大，外徑尺寸的增大幅度大于內徑尺寸的增大幅度，恰恰說明了殘留奧氏體轉變和應力釋放同時發生，使軸承套圈的外徑尺寸變化量大于內徑尺寸變化量。當保溫時間超過30 h后，軸承套圈的尺寸處于波動狀態，時而增大，時而減小，但總體變化趨勢緩慢增大，分析認為保溫30～300 h之間，大部分殘留奧氏體已經向馬氏體轉變，該階段引起尺寸變化的主導因素為殘余應力的釋放，但是也存在少量的殘留奧氏體轉變為馬氏體和馬氏體深度回火，因此該階段的尺寸處于波動狀態。

3.2 工作溫度下表面殘余應力變化特征

理論分析認為，無論是內徑殘余應力的釋放還是外徑殘余應力的釋放，只能使軸承套圈中的殘余壓應力數值減小，而不會引起殘余壓應力數值的增大，但是由測定殘余應力數值可見，軸承套圈內外徑的殘余應力均存在波動，內徑表面殘余應力波動幅度大，外徑表面殘余應力波動幅度小，隨著保溫時間的增加，殘余應力整體上呈上升趨勢，且內徑殘余應力的增大幅度大于外徑殘余應力的增大幅度，如圖3～圖6所示。這是因為軸承套圈中除了殘余應力釋放，相變也會引起殘余應力的變化。相變引起殘余應力變化的因素主要有兩個方面，一是軸承鋼中奧氏體轉變為馬氏體，體積膨脹引起殘余壓應力增大，無論是軸承套圈的外徑和內徑區域，殘留奧氏體的轉變均會引起體積膨脹，引起殘余壓應力增大。當軸承套圈的內徑區域和外徑區域均發生殘留奧氏體向馬氏體轉變時，外徑區域與內徑區域相比應力更容易釋放，外徑區域殘余應力釋放量大于內徑區域，因此內徑區域殘余應力增大值高于外徑區域。而殘留奧氏體的轉變又與殘余應力的大小存在一定關系，殘余壓應力起抑制殘留奧氏體向馬氏體轉變的作用，壓應力數值越高，殘留奧氏體轉變為馬氏體的數量就會越少。具有高的壓應力區域不利于殘留奧氏體向馬氏體的轉變，導致在相同的保溫溫度和時間下，內徑區域殘留奧氏體向馬氏體的轉變量少于外徑區域的轉變量。二是馬氏體的回火和深度回火，碳化物自過飽和的α-Fe中析出，引起軸承外套圈體積減小。理論分析認為，保溫期間受應力影響軸承外套圈內、外徑區域殘留奧氏體轉變為馬氏體的數量不同，外徑區域有更多的殘留奧氏體轉變成了馬氏體，因此外徑區域會有更多數量的馬氏體發生回火轉變，將導致外徑區域體積減小幅度大于內徑區域，外徑區域的尺寸減小量大于內徑區域，而內徑區域又會限制外徑區域的縮小，從而導致內徑區域殘余壓應力增大。

當外徑尺寸減小幅度大于內徑尺寸減小幅度時，內徑殘余應力增大的同時，在某些套圈上也會表現出外徑殘余壓應力減小，如圖3、圖5和圖6中在保溫200～300 h時，部分軸承套圈的外徑殘余應力存在降低階段。因此可以通過對軸承套圈表面殘余應力變化特征的分析，確定出工作溫度及不同時間軸承套圈中發生的主要相變類型。

初始狀態下，軸承外套圈內、外徑表面的殘余應力為壓應力，內徑殘余應力數值范圍為-400～-500 MPa，而外徑表面殘余壓應力較高，為-600～-800 MPa，且多集中在-700 MPa以上。工作溫度下，隨著保溫時間的增加，內徑表面的殘余應力增大，同時其波動幅度較大。引起內徑表面殘余應力增大的主要原因包括：①軸承外套圈中殘留奧氏體轉變為馬氏體，體積膨脹；②內徑區域因回火減小的尺寸小于外徑區域。軸承在工作溫度保溫期間，這兩種轉變特征均會存在，在二者共同作用下導致內徑表面殘余應力增大?？梢源_定，當內徑表面殘余應力增大幅度最大時，為殘留奧氏體轉變導致的體積增大最大階段。當套圈在工作溫度下發生殘余應力釋放時，套圈殘余應力會有所降低，但是同時尺寸會增大。不同溫度下經300 h保溫處理后，軸承套圈的內徑表面殘余應力與原始態相比增大量的比較如圖8所示。

圖8 不同工作溫度下軸承外套圈內徑表面殘余應力變化量

由圖8可知，當工作溫度為120 ℃時，內徑表面殘余應力增加幅度較小，當工作溫度為150 ℃時，殘余應力增大幅度較大，當溫度為220 ℃和250 ℃時，隨著溫度增加，內徑殘余應力增大幅度降低。說明，在150 ℃時，殘留奧氏體更容易向馬氏體轉變，體積膨脹導致內徑殘余應力增大，但是該溫度下，殘余應力的釋放又比較緩慢，因此內徑殘余應力增大幅度最大。由圖4(b)可知，在100 h前軸承套圈內徑低面的殘余應力大幅度增加，說明套圈中殘留奧氏體轉變為馬氏體的數量較多，當保溫處理時間為100～250 h階段時，內徑低面的殘余應力降低，同時外徑低面的殘余應力也出現了降低，印證了該區域在初始階段生成了大量馬氏體，此期間發生了回火析出碳化物，降低了表面殘余應力。

初始狀態下，軸承套圈外徑表面的殘余應力為壓應力，數值范圍為-600～-800 MPa，工作溫度下，隨著保溫時間的增加，外徑表面的殘余應力增大。不同溫度下軸承套圈的外徑表面殘余應力變化量如圖9所示。由圖9可知，當工作溫度為120 ℃時，殘余應力增加量較小，當工作溫度為150 ℃時，殘余應力增大量較大，當溫度為220 ℃時，其增大量與150 ℃相當，當溫度為250 ℃時，外徑表面殘余應力增大量降低。外徑表面殘余壓應力的增大，主要與殘留奧氏體轉變為馬氏體相關，當溫度為150 ℃和220 ℃時，殘余壓應力增大幅度最大，可以確定在該溫度條件下，殘留奧氏體更容易轉變為馬氏體。而馬氏體發生深度回火導致的體積收縮，將降低外徑表面的壓應力，但是實測條件下外徑表面的殘余壓應力數值仍然為增大狀態，說明在300 h的整個保溫期間，殘留奧氏體轉變為馬氏體導致體積膨脹增加的殘余壓應力數值，大于馬氏體回火收縮導致的殘余壓應力降低值。當溫度為250 ℃后，馬氏體回火程度增加，同時在較高的溫度條件下更有利于殘余壓應力的釋放，因此最終的表面殘余壓應力數值降低。

圖9 不同工作溫度下軸承外套圈外徑表面殘余應力變化量

無論是內徑表面殘余應力，還是外徑表面殘余應力，在長時間保溫期間，其表面的殘余應力都是發生相變產生的應力和溫度作用下的應力釋放綜合作用的結果，當相變完全后，其表面殘余應力均會因其緩慢釋放而逐漸降低，本試驗中因為時間僅僅為300 h，所以相變對殘余應力的影響尚未達到穩定狀態，仍然處于變化過程中。不同工作溫度條件下，經過300 h保溫處理后，軸承套圈內、外徑表面的最終殘余應力如圖10所示。

圖10 保溫300 h后軸承外套圈內徑(a)和外徑(b)表面殘余應力

由圖10(a)可知，當工作溫度為120 ℃時內徑表面最終殘余應力為-850 MPa左右，當溫度提高至150 ℃時內徑表面最終殘余應力達到最大值，為-950 MPa左右，然后隨著溫度增加，表面殘余應力數值降低，當溫度達到250 ℃時，表面殘余應力達到最小值，為-718 MPa 左右。由圖10(b)可知，當工作溫度為120 ℃時，外徑表面殘余應力為-800 MPa左右，當溫度提高至150 ℃時外徑表面殘余應力最大，為-865 MPa左右，然后隨著溫度增加，表面殘余應力值降低，當溫度為250 ℃時，表面壓應力稍有上升，但上升幅度不大。

內外徑表面的最終殘余應力數值均隨著工作溫度的增加整體下降，說明工作溫度提高有利于表面殘余應力的釋放。

4 結論

8Cr4Mo4V鋼制直壁圓筒形軸承外圈經淬火+回火處理，加工至最終尺寸后，在工作溫度為120、150、220和250 ℃保溫處理300 h后，測定軸承套圈的尺寸和表面應力變化得到以下主要結論：

1)在120、150、220和250 ℃工作溫度下，保溫至300 h后軸承外套圈的尺寸均增加1～2 μm，初始階段軸承外套圈外徑尺寸增大幅度大于內徑尺寸增大幅度。

2)工作溫度下，因內徑、外徑區域相轉變的差異性，導致殘留奧氏體轉變為馬氏體，馬氏體深度回火，均會使軸承套圈內徑表面殘余應力增加，溫度為150 ℃時，內、外徑表面殘余應力增加幅度達到最大值，之后隨著保溫溫度的升高，表面殘余應力增加幅度降低。隨著工作溫度的提高和保溫時間的延長，300 h處理后軸承外套圈表面殘余應力因釋放而逐漸降低。

3)在保溫初期，軸承外套圈內徑和外徑表面殘余應力的增大是由于軸承鋼中殘留奧氏體轉變為馬氏體，發生體積膨脹引起的。馬氏體發生深度回火導致體積收縮，當套圈內、外徑尺寸收縮量不同時，將引起內、外徑表面殘余應力變化趨勢不同，尺寸收縮將導致內徑表面殘余壓應力增大，而外徑表面殘余壓應力減小。較低的工作溫度有利于殘留奧氏體轉變為馬氏體，而高的工作溫更有利于馬氏體深度回火和殘余應力的釋放。