42CrMo風(fēng)機(jī)主軸鍛熱淬火工藝
2021-06-25 15:46
admin
重型風(fēng)機(jī)主軸是前橋總成中的重要構(gòu)件之一，又是整體支承的主要構(gòu)件，通常采用42CrMo鋼制造。因主軸在使用中既要承受垂直平面的交變彎曲疲勞，又要承受一定的沖擊載荷，其工作環(huán)境極差，對(duì)熱處理技術(shù)質(zhì)量要求非常高，其主軸不但具備較高的抗彎曲疲勞性能，而且要有較好的強(qiáng)韌性配合。
42CrMo主軸鍛件原工藝分析
重型主軸鍛件傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程為：下料一中頻感應(yīng)加熱→輥鍛制坯→壓彎成形→熱切邊→熱校正→正火→噴丸→淬火→抽檢硬度→髙溫回火→噴丸→金相和力學(xué)性能檢查→無(wú)損檢測(cè)→噴漆→入庫(kù)。
（1）同一件和+同件產(chǎn)品的淬火硬度較低且不均勻，多數(shù)為35?48HRC，硬度散差達(dá)10HRC
以上。
（2）回火后同一件和不同件產(chǎn)品，硬度高低不等，多數(shù)為27?36HRC，硬度散差達(dá)8HRC以上。
（3）產(chǎn)品心部的回火索氏體級(jí)別多數(shù)為6?7 級(jí)，達(dá)不到技術(shù)要求。
（4）產(chǎn)品次表面的力學(xué)性能和臺(tái)架試驗(yàn)疲勞壽命經(jīng)常達(dá)不到技術(shù)要求。
（5）多次高溫加熱造成產(chǎn)品表面的氧化脫碳十分嚴(yán)重，脫碳層達(dá)0.30mm以上，嚴(yán)重影響主軸疲勞壽命。
（6）熱處理工序復(fù)雜，周期長(zhǎng)，造成能源消耗大，生產(chǎn)成本高，效率低，嚴(yán)重影響供貨需求。
（7）熱處理后，金相和力學(xué)性能檢査經(jīng)常不合格，造成批量返工，嚴(yán)重影響企業(yè)的發(fā)展。
因此，為了解決上述問(wèn)題，借鑒國(guó)內(nèi)42CrMo鋼重型車平衡軸鍛件進(jìn)行鍛造余熱淬火熱處理生產(chǎn)已穩(wěn)定應(yīng)用多年的成功經(jīng)驗(yàn)，將主軸鍛造和熱處理工藝有效結(jié)合起來(lái)，對(duì)42CrMo鋼主軸鍛件進(jìn)行了鍛造余熱淬火的工藝試驗(yàn)研究及批量生產(chǎn)應(yīng)用，取得了可喜的成果，充分發(fā)揮了形變強(qiáng)化和熱處理相變強(qiáng)化的作用。與常規(guī)熱處理相比，鍛熱淬火熱處理不但可提髙產(chǎn)品的綜合性能和服役能力，而且具有節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，以及提高生產(chǎn)率等特點(diǎn)。
鍛熱淬火工藝流程
取消原常規(guī)生產(chǎn)中需要重新加熱的“正火”、“淬火”兩道工序和正火后的“噴丸”工序，其生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)化為：下料→中頻感應(yīng)加熱→輥鍛制坯→壓彎成形→熱切邊→熱校正→余熱洋→抽檢硬度→髙溫回火→噴丸→金相和力學(xué)性能檢查→無(wú)損檢測(cè)→噴漆→入庫(kù)。
淬火冷卻介質(zhì)及冷卻循環(huán)裝置
因鍛造余熱淬火可顯著地提髙鋼的淬透性，在保證產(chǎn)品的金相組織、力學(xué)性能等指標(biāo)均合格的情況下，為了避免產(chǎn)生淬火裂紋，選用髙溫珠光體轉(zhuǎn)變階段冷卻快、低溫馬氏體轉(zhuǎn)變階段冷卻緩慢（類似干快速淬火油）的PAG - I型水溶性淬火冷卻介質(zhì)，用于42CrMo鋼主軸鍛件的鍛造余熱淬火冷卻。
根據(jù)42CrMo鋼重型車平衡軸鍛件鍛造余熱淬火采用PAG_ I型淬火冷卻介質(zhì)已穩(wěn)定應(yīng)用多年的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合主軸鍛件的形狀和尺寸大小，經(jīng)試驗(yàn)確定PAG淬火冷卻介質(zhì)的濃度為6%?10%,其冷 卻性能參數(shù),與自來(lái)水、快速淬火油的冷卻特性對(duì)比曲線。
主軸鍛熱淬火熱處理因省去了鍛后正火和調(diào)質(zhì)淬火這兩道加熱工序，避免了在這兩道工藝階段的高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱而造成的氧化與脫碳，僅存在鍛造高溫加熱、熱加工塑性變形、高溫回火而帶來(lái)的氧化脫碳，因而大大減少了脫碳層。
主軸鍛熱淬火熱處理后的表層金相組織與常規(guī)調(diào)質(zhì)相比差異不大，但心部金相組織差異很大，鍛熱淬火熱處理后為均勻的回火索氏體，而常規(guī)調(diào)質(zhì)除了有部分冋火索氏體外，還有托氏體和條狀及網(wǎng)狀鐵素體。鍛熱淬火熱處理后的心部金相組織明顯好于常規(guī)調(diào)質(zhì)，而且硬化層較深，表明鍛熱淬火可以顯著提高鋼的淬透性。淬透性的提高是由干鍛造髙溫加熱和形變后停留時(shí)間長(zhǎng)而使奧氏體晶粒發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶長(zhǎng)大所致，減緩了高溫珠光體的相變速度，從而降低了鍛熱淬火鋼的臨界冷卻速度。由于鍛熱淬火提高淬透性和減少工件表面氧化脫碳以及工件單件淬火等因素，進(jìn)一步改善了淬火冷卻條件，增加了淬硬層深度。另外，鍛后至淬火的預(yù)冷也有助于提髙淬硬層深度。
盡管在高溫鍛造加熱、高溫形變及鍛后預(yù)冷過(guò)程中奧氏體晶粒較為粗化，但淬火得到的仍是細(xì)小的板條馬氏體，高溫形變淬火能顯著細(xì)化馬氏體晶粒。
淬火硬度檢驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)調(diào)質(zhì)淬火相比，主軸鍛熱淬火硬度較髙，這是由于鍛熱淬火馬氏體組織內(nèi)呈現(xiàn)髙密度位錯(cuò)，鍛造形變過(guò)程中析出的細(xì)小彌散分布的碳化物釘軋位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)作用，以 及淬火完全，使其較常規(guī)淬火具有較高的淬火硬度(淬火硬度提高8.0HRC以上)。另外，鍛熱淬火硬度的離散庋較常規(guī)調(diào)質(zhì)淬火小得多，這歸功于鍛熱淬火提高了鋼的淬透性、減少脫碳層和單件產(chǎn)品在蒸氣膜較短的PAG - I淬火冷卻介質(zhì)中進(jìn)行均勻地淬火冷卻（原工藝是多件產(chǎn)品堆積冷卻），以及對(duì)淬火冷卻介質(zhì)進(jìn)行的有效均勻攪拌，使其具有較好的硬度均勻性。
回火硬度檢驗(yàn)結(jié)果表明，主軸鍛熱淬火及高溫回火后的硬度值均滿足技術(shù)要求。與常規(guī)調(diào)質(zhì)相比，同一工件或不同工件的硬度離散度較小，這主要與工件單件鍛熱淬火獲得良好的淬火硬度均勻性有關(guān)。另外，與常規(guī)調(diào)質(zhì)相比，在達(dá)到相同硬度的情況下，鍛熱淬火的鋼件所需要的回火溫度較高(髙出常規(guī)回火溫度20℃以上），表明鍛熱淬火比常規(guī)淬火具有較高的回火抗力，這是由于從鍛熱 淬火鋼奧氏體中析出的e碳化物在隨后的高溫問(wèn)火過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)?碳化物而彌散分布在亞晶界上，釘軋位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了耐回火性。
特別注意的是，對(duì)于鍛造余熱淬火的鋼件，為了穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，保證產(chǎn)品安全可靠地使用，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)及表面發(fā)紋等低倍缺 陷等），重視鋼材進(jìn)廠驗(yàn)收，尤其是加強(qiáng)對(duì)鍛件質(zhì)量有致命影響的微量元素和低倍缺陷的檢查與控制，并按鋼廠的熔煉爐號(hào)進(jìn)行分爐、分批管理。在確保原材料優(yōu)質(zhì)的情況下，應(yīng)嚴(yán)格鍛造工藝規(guī)范，避免鍛造帶來(lái)的內(nèi)裂、折祿、過(guò)熱或過(guò)燒等缺陷。淬火熱處理時(shí)應(yīng)嚴(yán)格工藝規(guī)范，控制入液淬火溫度、淬火介質(zhì)冷卻特性的穩(wěn)定性、工件出液的溫度，以及淬火硬度和及時(shí)入爐回火等。
另外，為了進(jìn)一步穩(wěn)定工藝質(zhì)量，在有條件的情況下，建議采用“鍛造余熱控溫淬火”工藝，即鋼件熱鍛成形后將其快速冷至Ar以下某一溫度區(qū)間，使其完成奧氏體向珠光體的相變后，再將其升溫進(jìn)行奧氏體化的爐內(nèi)短時(shí)均溫，以達(dá)到細(xì)化主軸鍛件的晶粒、均勻工件各處溫度的目的。
42CrMo主軸鍛件原工藝分析
重型主軸鍛件傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程為：下料一中頻感應(yīng)加熱→輥鍛制坯→壓彎成形→熱切邊→熱校正→正火→噴丸→淬火→抽檢硬度→髙溫回火→噴丸→金相和力學(xué)性能檢查→無(wú)損檢測(cè)→噴漆→入庫(kù)。
（1）同一件和+同件產(chǎn)品的淬火硬度較低且不均勻，多數(shù)為35?48HRC，硬度散差達(dá)10HRC
以上。
（2）回火后同一件和不同件產(chǎn)品，硬度高低不等，多數(shù)為27?36HRC，硬度散差達(dá)8HRC以上。
（3）產(chǎn)品心部的回火索氏體級(jí)別多數(shù)為6?7 級(jí)，達(dá)不到技術(shù)要求。
（4）產(chǎn)品次表面的力學(xué)性能和臺(tái)架試驗(yàn)疲勞壽命經(jīng)常達(dá)不到技術(shù)要求。
（5）多次高溫加熱造成產(chǎn)品表面的氧化脫碳十分嚴(yán)重，脫碳層達(dá)0.30mm以上，嚴(yán)重影響主軸疲勞壽命。
（6）熱處理工序復(fù)雜，周期長(zhǎng)，造成能源消耗大，生產(chǎn)成本高，效率低，嚴(yán)重影響供貨需求。
（7）熱處理后，金相和力學(xué)性能檢査經(jīng)常不合格，造成批量返工，嚴(yán)重影響企業(yè)的發(fā)展。
因此，為了解決上述問(wèn)題，借鑒國(guó)內(nèi)42CrMo鋼重型車平衡軸鍛件進(jìn)行鍛造余熱淬火熱處理生產(chǎn)已穩(wěn)定應(yīng)用多年的成功經(jīng)驗(yàn)，將主軸鍛造和熱處理工藝有效結(jié)合起來(lái)，對(duì)42CrMo鋼主軸鍛件進(jìn)行了鍛造余熱淬火的工藝試驗(yàn)研究及批量生產(chǎn)應(yīng)用，取得了可喜的成果，充分發(fā)揮了形變強(qiáng)化和熱處理相變強(qiáng)化的作用。與常規(guī)熱處理相比，鍛熱淬火熱處理不但可提髙產(chǎn)品的綜合性能和服役能力，而且具有節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，以及提高生產(chǎn)率等特點(diǎn)。
鍛熱淬火工藝流程
取消原常規(guī)生產(chǎn)中需要重新加熱的“正火”、“淬火”兩道工序和正火后的“噴丸”工序，其生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)化為：下料→中頻感應(yīng)加熱→輥鍛制坯→壓彎成形→熱切邊→熱校正→余熱洋→抽檢硬度→髙溫回火→噴丸→金相和力學(xué)性能檢查→無(wú)損檢測(cè)→噴漆→入庫(kù)。
淬火冷卻介質(zhì)及冷卻循環(huán)裝置
因鍛造余熱淬火可顯著地提髙鋼的淬透性，在保證產(chǎn)品的金相組織、力學(xué)性能等指標(biāo)均合格的情況下，為了避免產(chǎn)生淬火裂紋，選用髙溫珠光體轉(zhuǎn)變階段冷卻快、低溫馬氏體轉(zhuǎn)變階段冷卻緩慢（類似干快速淬火油）的PAG - I型水溶性淬火冷卻介質(zhì)，用于42CrMo鋼主軸鍛件的鍛造余熱淬火冷卻。
根據(jù)42CrMo鋼重型車平衡軸鍛件鍛造余熱淬火采用PAG_ I型淬火冷卻介質(zhì)已穩(wěn)定應(yīng)用多年的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合主軸鍛件的形狀和尺寸大小，經(jīng)試驗(yàn)確定PAG淬火冷卻介質(zhì)的濃度為6%?10%,其冷 卻性能參數(shù),與自來(lái)水、快速淬火油的冷卻特性對(duì)比曲線。
主軸鍛熱淬火熱處理因省去了鍛后正火和調(diào)質(zhì)淬火這兩道加熱工序，避免了在這兩道工藝階段的高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱而造成的氧化與脫碳，僅存在鍛造高溫加熱、熱加工塑性變形、高溫回火而帶來(lái)的氧化脫碳，因而大大減少了脫碳層。
主軸鍛熱淬火熱處理后的表層金相組織與常規(guī)調(diào)質(zhì)相比差異不大，但心部金相組織差異很大，鍛熱淬火熱處理后為均勻的回火索氏體，而常規(guī)調(diào)質(zhì)除了有部分冋火索氏體外，還有托氏體和條狀及網(wǎng)狀鐵素體。鍛熱淬火熱處理后的心部金相組織明顯好于常規(guī)調(diào)質(zhì)，而且硬化層較深，表明鍛熱淬火可以顯著提高鋼的淬透性。淬透性的提高是由干鍛造髙溫加熱和形變后停留時(shí)間長(zhǎng)而使奧氏體晶粒發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶長(zhǎng)大所致，減緩了高溫珠光體的相變速度，從而降低了鍛熱淬火鋼的臨界冷卻速度。由于鍛熱淬火提高淬透性和減少工件表面氧化脫碳以及工件單件淬火等因素，進(jìn)一步改善了淬火冷卻條件，增加了淬硬層深度。另外，鍛后至淬火的預(yù)冷也有助于提髙淬硬層深度。
淬火硬度檢驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)調(diào)質(zhì)淬火相比，主軸鍛熱淬火硬度較髙，這是由于鍛熱淬火馬氏體組織內(nèi)呈現(xiàn)髙密度位錯(cuò)，鍛造形變過(guò)程中析出的細(xì)小彌散分布的碳化物釘軋位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)作用，以 及淬火完全，使其較常規(guī)淬火具有較高的淬火硬度(淬火硬度提高8.0HRC以上)。另外，鍛熱淬火硬度的離散庋較常規(guī)調(diào)質(zhì)淬火小得多，這歸功于鍛熱淬火提高了鋼的淬透性、減少脫碳層和單件產(chǎn)品在蒸氣膜較短的PAG - I淬火冷卻介質(zhì)中進(jìn)行均勻地淬火冷卻（原工藝是多件產(chǎn)品堆積冷卻），以及對(duì)淬火冷卻介質(zhì)進(jìn)行的有效均勻攪拌，使其具有較好的硬度均勻性。
回火硬度檢驗(yàn)結(jié)果表明，主軸鍛熱淬火及高溫回火后的硬度值均滿足技術(shù)要求。與常規(guī)調(diào)質(zhì)相比，同一工件或不同工件的硬度離散度較小，這主要與工件單件鍛熱淬火獲得良好的淬火硬度均勻性有關(guān)。另外，與常規(guī)調(diào)質(zhì)相比，在達(dá)到相同硬度的情況下，鍛熱淬火的鋼件所需要的回火溫度較高(髙出常規(guī)回火溫度20℃以上），表明鍛熱淬火比常規(guī)淬火具有較高的回火抗力，這是由于從鍛熱 淬火鋼奧氏體中析出的e碳化物在隨后的高溫問(wèn)火過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)?碳化物而彌散分布在亞晶界上，釘軋位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了耐回火性。
特別注意的是，對(duì)于鍛造余熱淬火的鋼件，為了穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，保證產(chǎn)品安全可靠地使用，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)及表面發(fā)紋等低倍缺 陷等），重視鋼材進(jìn)廠驗(yàn)收，尤其是加強(qiáng)對(duì)鍛件質(zhì)量有致命影響的微量元素和低倍缺陷的檢查與控制，并按鋼廠的熔煉爐號(hào)進(jìn)行分爐、分批管理。在確保原材料優(yōu)質(zhì)的情況下，應(yīng)嚴(yán)格鍛造工藝規(guī)范，避免鍛造帶來(lái)的內(nèi)裂、折祿、過(guò)熱或過(guò)燒等缺陷。淬火熱處理時(shí)應(yīng)嚴(yán)格工藝規(guī)范，控制入液淬火溫度、淬火介質(zhì)冷卻特性的穩(wěn)定性、工件出液的溫度，以及淬火硬度和及時(shí)入爐回火等。
另外，為了進(jìn)一步穩(wěn)定工藝質(zhì)量，在有條件的情況下，建議采用“鍛造余熱控溫淬火”工藝，即鋼件熱鍛成形后將其快速冷至Ar以下某一溫度區(qū)間，使其完成奧氏體向珠光體的相變后，再將其升溫進(jìn)行奧氏體化的爐內(nèi)短時(shí)均溫，以達(dá)到細(xì)化主軸鍛件的晶粒、均勻工件各處溫度的目的。
