42CrMo風機主軸鍛熱淬火工藝
2021-06-25 15:46
admin
重型風機主軸是前橋總成中的重要構件之一，又是整體支承的主要構件，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，其工作環境極差，對熱處理技術質量要求非常高，其主軸不但具備較高的抗彎曲疲勞性能，而且要有較好的強韌性配合。
42CrMo主軸鍛件原工藝分析
重型主軸鍛件傳統的生產工藝流程為：下料一中頻感應加熱→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→金相和力學性能檢查→無損檢測→噴漆→入庫。
（1）同一件和+同件產品的淬火硬度較低且不均勻，多數為35?48HRC，硬度散差達10HRC
以上。
（2）回火后同一件和不同件產品，硬度高低不等，多數為27?36HRC，硬度散差達8HRC以上。
（3）產品心部的回火索氏體級別多數為6?7 級，達不到技術要求。
（4）產品次表面的力學性能和臺架試驗疲勞壽命經常達不到技術要求。
（5）多次高溫加熱造成產品表面的氧化脫碳十分嚴重，脫碳層達0.30mm以上，嚴重影響主軸疲勞壽命。
（6）熱處理工序復雜，周期長，造成能源消耗大，生產成本高，效率低，嚴重影響供貨需求。
（7）熱處理后，金相和力學性能檢査經常不合格，造成批量返工，嚴重影響企業的發展。
因此，為了解決上述問題，借鑒國內42CrMo鋼重型車平衡軸鍛件進行鍛造余熱淬火熱處理生產已穩定應用多年的成功經驗，將主軸鍛造和熱處理工藝有效結合起來，對42CrMo鋼主軸鍛件進行了鍛造余熱淬火的工藝試驗研究及批量生產應用，取得了可喜的成果，充分發揮了形變強化和熱處理相變強化的作用。與常規熱處理相比，鍛熱淬火熱處理不但可提髙產品的綜合性能和服役能力，而且具有節約能源，降低生產成本，縮短生產周期，以及提高生產率等特點。
鍛熱淬火工藝流程
取消原常規生產中需要重新加熱的“正火”、“淬火”兩道工序和正火后的“噴丸”工序，其生產工藝流程簡化為：下料→中頻感應加熱→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→金相和力學性能檢查→無損檢測→噴漆→入庫。
淬火冷卻介質及冷卻循環裝置
因鍛造余熱淬火可顯著地提髙鋼的淬透性，在保證產品的金相組織、力學性能等指標均合格的情況下，為了避免產生淬火裂紋，選用髙溫珠光體轉變階段冷卻快、低溫馬氏體轉變階段冷卻緩慢（類似干快速淬火油）的PAG - I型水溶性淬火冷卻介質，用于42CrMo鋼主軸鍛件的鍛造余熱淬火冷卻。
根據42CrMo鋼重型車平衡軸鍛件鍛造余熱淬火采用PAG_ I型淬火冷卻介質已穩定應用多年的成功經驗，結合主軸鍛件的形狀和尺寸大小，經試驗確定PAG淬火冷卻介質的濃度為6%?10%,其冷 卻性能參數,與自來水、快速淬火油的冷卻特性對比曲線。
主軸鍛熱淬火熱處理因省去了鍛后正火和調質淬火這兩道加熱工序，避免了在這兩道工藝階段的高溫長時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調質相比差異不大，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，而常規調質除了有部分冋火索氏體外，還有托氏體和條狀及網狀鐵素體。鍛熱淬火熱處理后的心部金相組織明顯好于常規調質，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間長而使奧氏體晶粒發生回復再結晶長大所致，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、高溫形變及鍛后預冷過程中奧氏體晶粒較為粗化，但淬火得到的仍是細小的板條馬氏體，高溫形變淬火能顯著細化馬氏體晶粒。
淬火硬度檢驗結果表明，與常規調質淬火相比，主軸鍛熱淬火硬度較髙，這是由于鍛熱淬火馬氏體組織內呈現髙密度位錯，鍛造形變過程中析出的細小彌散分布的碳化物釘軋位錯網絡作用，以 及淬火完全，使其較常規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調質淬火小得多，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品在蒸氣膜較短的PAG - I淬火冷卻介質中進行均勻地淬火冷卻（原工藝是多件產品堆積冷卻），以及對淬火冷卻介質進行的有效均勻攪拌，使其具有較好的硬度均勻性。
回火硬度檢驗結果表明，主軸鍛熱淬火及高溫回火后的硬度值均滿足技術要求。與常規調質相比，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。另外，與常規調質相比，在達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(髙出常規回火溫度20℃以上），表明鍛熱淬火比常規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火過程中轉變為0碳化物而彌散分布在亞晶界上，釘軋位錯的運動，提高了耐回火性。
特別注意的是，對于鍛造余熱淬火的鋼件，為了穩定產品質量，保證產品安全可靠地使用，首先應嚴格控制原材料的質量（化學成分、夾雜物、疏 松、偏析、縮孔、氣泡、白點及表面發紋等低倍缺 陷等），重視鋼材進廠驗收，尤其是加強對鍛件質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進行分爐、分批管理。在確保原材料優質的情況下，應嚴格鍛造工藝規范，避免鍛造帶來的內裂、折祿、過熱或過燒等缺陷。淬火熱處理時應嚴格工藝規范，控制入液淬火溫度、淬火介質冷卻特性的穩定性、工件出液的溫度，以及淬火硬度和及時入爐回火等。
另外，為了進一步穩定工藝質量，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以下某一溫度區間，使其完成奧氏體向珠光體的相變后，再將其升溫進行奧氏體化的爐內短時均溫，以達到細化主軸鍛件的晶粒、均勻工件各處溫度的目的。
42CrMo主軸鍛件原工藝分析
重型主軸鍛件傳統的生產工藝流程為：下料一中頻感應加熱→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→金相和力學性能檢查→無損檢測→噴漆→入庫。
（1）同一件和+同件產品的淬火硬度較低且不均勻，多數為35?48HRC，硬度散差達10HRC
以上。
（2）回火后同一件和不同件產品，硬度高低不等，多數為27?36HRC，硬度散差達8HRC以上。
（3）產品心部的回火索氏體級別多數為6?7 級，達不到技術要求。
（4）產品次表面的力學性能和臺架試驗疲勞壽命經常達不到技術要求。
（5）多次高溫加熱造成產品表面的氧化脫碳十分嚴重，脫碳層達0.30mm以上，嚴重影響主軸疲勞壽命。
（6）熱處理工序復雜，周期長，造成能源消耗大，生產成本高，效率低，嚴重影響供貨需求。
（7）熱處理后，金相和力學性能檢査經常不合格，造成批量返工，嚴重影響企業的發展。
因此，為了解決上述問題，借鑒國內42CrMo鋼重型車平衡軸鍛件進行鍛造余熱淬火熱處理生產已穩定應用多年的成功經驗，將主軸鍛造和熱處理工藝有效結合起來，對42CrMo鋼主軸鍛件進行了鍛造余熱淬火的工藝試驗研究及批量生產應用，取得了可喜的成果，充分發揮了形變強化和熱處理相變強化的作用。與常規熱處理相比，鍛熱淬火熱處理不但可提髙產品的綜合性能和服役能力，而且具有節約能源，降低生產成本，縮短生產周期，以及提高生產率等特點。
鍛熱淬火工藝流程
取消原常規生產中需要重新加熱的“正火”、“淬火”兩道工序和正火后的“噴丸”工序，其生產工藝流程簡化為：下料→中頻感應加熱→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→金相和力學性能檢查→無損檢測→噴漆→入庫。
淬火冷卻介質及冷卻循環裝置
因鍛造余熱淬火可顯著地提髙鋼的淬透性，在保證產品的金相組織、力學性能等指標均合格的情況下，為了避免產生淬火裂紋，選用髙溫珠光體轉變階段冷卻快、低溫馬氏體轉變階段冷卻緩慢（類似干快速淬火油）的PAG - I型水溶性淬火冷卻介質，用于42CrMo鋼主軸鍛件的鍛造余熱淬火冷卻。
根據42CrMo鋼重型車平衡軸鍛件鍛造余熱淬火采用PAG_ I型淬火冷卻介質已穩定應用多年的成功經驗，結合主軸鍛件的形狀和尺寸大小，經試驗確定PAG淬火冷卻介質的濃度為6%?10%,其冷 卻性能參數,與自來水、快速淬火油的冷卻特性對比曲線。
主軸鍛熱淬火熱處理因省去了鍛后正火和調質淬火這兩道加熱工序，避免了在這兩道工藝階段的高溫長時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調質相比差異不大，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，而常規調質除了有部分冋火索氏體外，還有托氏體和條狀及網狀鐵素體。鍛熱淬火熱處理后的心部金相組織明顯好于常規調質，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間長而使奧氏體晶粒發生回復再結晶長大所致，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，鍛后至淬火的預冷也有助于提髙淬硬層深度。
淬火硬度檢驗結果表明，與常規調質淬火相比，主軸鍛熱淬火硬度較髙，這是由于鍛熱淬火馬氏體組織內呈現髙密度位錯，鍛造形變過程中析出的細小彌散分布的碳化物釘軋位錯網絡作用，以 及淬火完全，使其較常規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調質淬火小得多，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品在蒸氣膜較短的PAG - I淬火冷卻介質中進行均勻地淬火冷卻（原工藝是多件產品堆積冷卻），以及對淬火冷卻介質進行的有效均勻攪拌，使其具有較好的硬度均勻性。
回火硬度檢驗結果表明，主軸鍛熱淬火及高溫回火后的硬度值均滿足技術要求。與常規調質相比，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。另外，與常規調質相比，在達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(髙出常規回火溫度20℃以上），表明鍛熱淬火比常規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火過程中轉變為0碳化物而彌散分布在亞晶界上，釘軋位錯的運動，提高了耐回火性。
特別注意的是，對于鍛造余熱淬火的鋼件，為了穩定產品質量，保證產品安全可靠地使用，首先應嚴格控制原材料的質量（化學成分、夾雜物、疏 松、偏析、縮孔、氣泡、白點及表面發紋等低倍缺 陷等），重視鋼材進廠驗收，尤其是加強對鍛件質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進行分爐、分批管理。在確保原材料優質的情況下，應嚴格鍛造工藝規范，避免鍛造帶來的內裂、折祿、過熱或過燒等缺陷。淬火熱處理時應嚴格工藝規范，控制入液淬火溫度、淬火介質冷卻特性的穩定性、工件出液的溫度，以及淬火硬度和及時入爐回火等。
另外，為了進一步穩定工藝質量，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以下某一溫度區間，使其完成奧氏體向珠光體的相變后，再將其升溫進行奧氏體化的爐內短時均溫，以達到細化主軸鍛件的晶粒、均勻工件各處溫度的目的。
