42CrMo鋼平衡軸的鍛熱淬火

時(shí)間：2013-05-18 23:06:40 來(lái)源：作者：陳希原

斯太爾重型汽車總成中的42CrMo鋼平衡軸鍛件（如圖1）長(zhǎng)期以來(lái)按下列工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)：下料→中頻加熱→滾鍛→成型→切邊→熱校正→調(diào)質(zhì)→噴丸→探傷→刷漆。

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圖1 平衡軸鍛件簡(jiǎn)圖

為了滿足該產(chǎn)品的使用性能，要求該鍛件經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后應(yīng)達(dá)到：硬度為28-34 HRC；表面（間隔表面1-4mm）的回火索氏體級(jí)別為1-2級(jí)，心部（間隔表面≥20mm）的回火索氏體級(jí)別為1-5級(jí)；間隔表面15mm處的抗拉強(qiáng)度（σb）為900-1050Mpa。

平衡軸鍛件原來(lái)的常規(guī)熱處理工藝見圖2。熱處理設(shè)備為周期式臺(tái)車自然氣加熱爐。多件（8-12件/框）產(chǎn)品經(jīng)850±10℃加熱保溫后連框一起淬進(jìn)活動(dòng)的自來(lái)水介質(zhì)中冷卻，然后進(jìn)行回火。該產(chǎn)品熱處理后出現(xiàn)的題目較多，主要表現(xiàn)在：

（1）同一件和不同件產(chǎn)品其淬火硬度較低且不均勻，多數(shù)為35-48HRC，硬度不均度達(dá)10HRC以上；
（2）回火后的同一件和不同件產(chǎn)品，硬度高低不等，返工率較大；
（3）產(chǎn)品表面和心部的回火索氏體級(jí)別多數(shù)分別為3-4級(jí)和6-7級(jí)，達(dá)不到技術(shù)要求；
（4）產(chǎn)品次表面的抗拉強(qiáng)度（σb）多為830-890Mpa，達(dá)不到技術(shù)要求；
(5)部分產(chǎn)品熱處理后經(jīng)探傷檢查發(fā)現(xiàn)有裂紋,造成報(bào)廢損失;
（6）產(chǎn)品表面的氧化脫碳十分嚴(yán)重，脫碳層達(dá)0.25mm以上，影響使用性能；
（7）熱處理生產(chǎn)能力與鑄造生產(chǎn)能力極不匹配，產(chǎn)量很低，嚴(yán)重影響生產(chǎn)任務(wù)的完成；

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圖2 平衡軸常規(guī)熱處理工藝曲線

因此，為了解決上述題目，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的條件下，鑒戒國(guó)內(nèi)某大型曲軸廠40Cr曲軸鑄造余熱淬火穩(wěn)定應(yīng)用八年以上的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)42CrMo鋼平衡軸鍛件進(jìn)行了鑄造余熱淬火的試驗(yàn)及批量生產(chǎn)，取得了可喜的成果。

1 淬火介質(zhì)與冷卻循環(huán)裝置

1.1 淬火介質(zhì)及冷卻性能

因鑄造余熱淬火可明顯地進(jìn)步鋼的淬透性，為了保證產(chǎn)品的金相組織、抗拉強(qiáng)度等指標(biāo)合格并防止產(chǎn)生淬火裂紋，選用其高溫階段（800-400℃）的冷卻性能類似于水、低溫階段（800-300℃）的冷卻性能類似于油而真正能代油的海益PAG淬火劑用于平衡軸鍛件的鑄造余熱淬火冷卻。

根據(jù)40Cr曲軸鑄造余熱淬火應(yīng)用PAG淬火劑的成功實(shí)例，結(jié)合平衡軸鍛件的外形和尺寸大小，經(jīng)試驗(yàn)確定海益PAG淬火液的濃度為10±1%，其冷卻性能如表1

表1 海益PAG型淬火液的冷卻性能
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與常規(guī)熱處理相比，海益PAG淬火液在淬火冷卻馬氏體轉(zhuǎn)變期間的冷卻緩慢(類似于超速淬火油),可降低淬火開裂的傾向，而特性溫度進(jìn)步很多，高溫冷卻能力大。

1.2 淬火冷卻循環(huán)裝置

海益PAG淬火劑的使用要素主要有：濃度、液溫、攪拌。由表1可見，在濃度和攪拌一定的情況下，液溫的的波動(dòng)變化對(duì)淬火液的冷卻性能影響較大，從而影響鋼件的淬火質(zhì)量。為了穩(wěn)定產(chǎn)品熱處理質(zhì)量，應(yīng)將液溫控制在較小的波動(dòng)范圍內(nèi)（最佳為：30-40℃）。另一方面，在濃度和液溫一定的情況下，對(duì)淬火液進(jìn)行循環(huán)攪拌，不但可改善進(jìn)步工件的淬火冷卻均勻性，而且可延長(zhǎng)淬火液的使用壽命。因此，設(shè)計(jì)了一套PAG淬火液冷卻循環(huán)攪拌裝置（如圖3）。

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圖3 PAG淬火液冷卻循環(huán)示意圖

該裝置的明顯特點(diǎn)是冷卻降溫?fù)Q熱設(shè)備采用目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的“空氣冷卻器”，淘汰傳統(tǒng)的修建水池和購(gòu)置冷卻塔及板式或羅旋換熱器用自來(lái)水進(jìn)行的二次換熱。熱的淬火液由一定流量和揚(yáng)程的管道泵抽至空冷器經(jīng)冷卻后流至淬火槽，然后利用高差又溢流回循環(huán)儲(chǔ)液槽。為了增加淬火液的攪拌效果，在淬火槽旁又增加了一臺(tái)流量為50M3//h的管道泵進(jìn)行自循環(huán)變頻攪拌（攪拌烈度可調(diào)）。

2生產(chǎn)工序流程及余熱淬火工藝

根據(jù)鍛熱淬火的特點(diǎn)，將該鍛件的生產(chǎn)工藝流程和熱處理工藝進(jìn)行了修改。

2.1 生產(chǎn)工藝流程

下料→中頻加熱→滾鍛→成型→切邊→熱校正→余熱淬火→抽檢硬度→回火→100%硬度檢查→金相和機(jī)械性能檢查→噴丸→100%探傷→刷漆。

2.2 平衡軸鑄造余熱淬火熱處理工藝的特點(diǎn)

通過(guò)正交試驗(yàn)，優(yōu)選出的平衡軸鍛件鑄造余熱淬火熱處理工藝如圖4。因鑄造溫度和鑄造后淬火前的停留時(shí)間對(duì)鍛熱效果影響較大，為了保存高溫形變鍛熱淬火的強(qiáng)韌化效果，將鑄造加熱溫度由原來(lái)的1150-1180℃調(diào)整為1100±10℃，并將鑄造后至淬火冷卻的停留時(shí)間控制在40秒以內(nèi)，用紅外線丈量進(jìn)液淬火前的溫度為780-820℃;采用帶噴淋功能的空氣冷卻器將淬火液溫控制在≤45℃，并對(duì)工件進(jìn)液后的整個(gè)冷卻階段的攪拌烈度進(jìn)行調(diào)整控制，即工件進(jìn)液后一分鐘內(nèi)采用大的攪拌烈度，然后緩慢攪拌，大約6-8分鐘后將工件提出淬火液進(jìn)爐回火。

另外，平衡軸鍛熱淬火與常規(guī)淬火工藝相比,當(dāng)兩者的回火硬度相同時(shí),其前者的回火溫度較后者進(jìn)步了30℃以上,表明鍛熱淬火比常規(guī)淬火具有更高的回火抗力。

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圖4 平衡軸鍛熱淬火熱處理工藝曲線

3 鍛熱淬火的效果對(duì)比及分析

2.3 平衡軸鍛后淬火熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)方法

按圖1規(guī)定的部位，對(duì)鍛熱淬火回火后的產(chǎn)品經(jīng)加工往除表面氧化脫碳層后，分別采用HR-150A型洛氏硬度計(jì)和HB-3000型布氏硬度計(jì)檢測(cè)距φ120桿部?jī)啥嗣?0-100mm圓周處的硬度；對(duì)回火后的產(chǎn)品抽樣在距φ120桿部端面100mm位置處垂直軸線截取試樣并按GB/T13220-91標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行金相組織檢查；每批產(chǎn)品抽樣在圖1φ120桿部處距表面15mm截取制成拉伸短試樣，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試抗拉強(qiáng)度；采用CJW-4000型磁粉探傷機(jī)對(duì)鍛熱淬火回火后的產(chǎn)品經(jīng)噴丸后100%地進(jìn)行分段復(fù)合磁化，檢查平衡軸鍛件的周向和縱向裂紋缺陷。

2.4 綜合效果對(duì)比及分析

與常規(guī)熱處理相比，平衡軸鍛件經(jīng)鍛熱淬火及回火后的相關(guān)質(zhì)量檢查結(jié)果和綜合效果對(duì)比見表2。

表2 平衡軸鍛熱淬火與常規(guī)熱處理綜合對(duì)比結(jié)果
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@：同一熔煉爐號(hào)、同一熱處理工藝和不同熱處理爐次

由于鍛熱淬火進(jìn)步了鋼材的淬透性和組織結(jié)構(gòu)的變化(馬氏體細(xì)化、缺陷密度的增加以及碳化物的彌散析出等)，使其淬火硬度、金相組織、機(jī)械性能等都較常規(guī)熱處理有很大的進(jìn)步。另一方面，在鍛熱淬火進(jìn)步鋼材淬透性的基礎(chǔ)上，單件產(chǎn)品在蒸汽膜較短的海益PAG淬火液中進(jìn)行均勻地淬火冷卻（原工藝是多件產(chǎn)品堆積地在蒸汽膜較長(zhǎng)的自來(lái)水中冷卻），是進(jìn)步硬度均勻性的主要原因。

在原材料優(yōu)質(zhì)的情況下,平衡軸鍛件批量地采用鍛熱淬火熱處理后經(jīng)檢查,未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。一定濃度的海益PAG淬火液特有的冷卻性能（在鋼件的Ms-Mf區(qū)間冷卻緩慢）和淬火后盡快進(jìn)爐回火是防止鋼件產(chǎn)生淬火裂紋的有效措施。

因采用鍛熱淬火而省往常規(guī)熱處理的重新高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱，不但可減少鋼件的氧花損失及脫碳，因減少表面缺陷而進(jìn)步使用性能，而且可節(jié)省大量的能源消耗、節(jié)省設(shè)備和人力。與原來(lái)相比，每件降低本錢約15元/件，在現(xiàn)有鑄造生產(chǎn)能力下，全年共節(jié)約70萬(wàn)元以上，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

值得一提的是，將余熱淬火工序安排在產(chǎn)品鑄造生產(chǎn)線上形成一條龍的流水線連續(xù)生產(chǎn)，使熱處理生產(chǎn)能力與鑄造生產(chǎn)能力同步合拍，其平衡軸鍛件熱處理的生產(chǎn)率較原來(lái)進(jìn)步了150%以上，保證了生產(chǎn)任務(wù)的順利完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)改變生產(chǎn)工藝流程，對(duì)平衡軸鍛件采用鑄造余熱淬火熱處理，已批量地生產(chǎn)了五萬(wàn)多件產(chǎn)品，解決了原來(lái)常規(guī)熱處理中存在的題目，明顯地進(jìn)步了產(chǎn)品的熱處理質(zhì)量和使用性能，不僅大大降低了生產(chǎn)本錢和獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且還進(jìn)步了生產(chǎn)率。特別留意的是，對(duì)于眾多能采用鑄造余熱淬火的鋼件，為了保證和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，首先應(yīng)嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量（化學(xué)成分，夾雜物、疏松、偏析、縮孔、氣泡、白點(diǎn)、表面發(fā)紋等低倍缺陷等），重視鋼料的進(jìn)廠驗(yàn)收和按鋼廠的熔煉爐號(hào)進(jìn)行分爐治理。另外，將淬火槽和連續(xù)式回火爐安排在鑄造生產(chǎn)線上也是必不可少的。

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