42CrMo 鋼大型環鍛件的熱處理工藝改進
2021-05-28 12:23
admin
大型環鍛件不僅用于大型風電機組軸承和風塔法蘭，在石油化工壓力容器、港口機械塔吊回轉支承、重型燃汽輪機組環件、核電機組環件、大型運載火箭倉體等方面也有著廣泛的應用。大型環鍛件的應用領域決定了其復雜的工作服役條件，要求鍛件有較好的內在質量與使用性能。直徑9 m環鍛件零件。 該零件采用高淬透性的42CrMo鋼錠鍛制而成，鋼錠采用“轉爐（電爐）+LF精煉+真空脫氣”工藝進行冶煉，盡可能減輕成分偏析及降低氣體和夾雜物含量
直徑9m環鍛件原熱處理工藝問題及分析
大型環鍛件不僅用于大型風電機組軸承和風塔法蘭，在石油化工壓力容器、港口機械塔吊回轉支承、重型燃汽輪機組環件、核電機組環件、大型運載火箭倉體等方面也有著廣泛的應用。大型環鍛件的應直徑9 m環鍛件原熱處理工藝為鍛造后進行調質處理，其工藝曲線，經該工藝處理后的環鍛件產品表面出現深度約為10 mm的裂紋，內部組織粗大且不均勻。原熱處理工藝處理后環鍛件的表面裂紋和內部顯微組織。直徑9 m環鍛件經原工藝熱處理后的力學性能，其中“3/4處”的取樣位置為鍛件橫斷面上徑向厚度（由外向內）的3/4處，“心部” 的取樣位置為鍛件橫斷面上徑向厚度與高度各1/2交 匯處。
大型環鍛件不僅用于大型風電機組軸承和風塔法蘭，在石油化工壓力容器、港口機械塔吊回轉支承、重型燃汽輪機組環件、核電機組環件、大型運載火箭倉體等方面也有著廣泛的應用。大型環鍛件的應環鍛件內部組織粗大，會降低材料的力學性能，達不到技術要求，且大環件一旦產生裂紋就很難修復，致使零件報廢。由于環鍛件尺寸較大，因此較大的原始鋼錠在鑄造過程中結晶過程緩慢，造成鑄造組織異常粗大;又因為在鍛造過程中很難被鍛透，內部組織中仍保留有粗大的鑄態組織,且大型環鍛件鍛造周期長,加 熱次數多，變形分布不均勻，在高溫區域保溫時間較長，熱處理后心部組織仍然比較粗大。原材料經熱壓制坯及徑、軸向輾環軋制后，金屬纖維呈圓周向（即縱 向）分布，受軋制力、晶粒度及金屬流向影響，縱向強度高于橫向，導致其性能分布不均。由于零件截面尺寸較小，淬火時整個零件的組織全由奧氏體向馬氏體 轉變，從而產生較大的組織應力，而零件在加熱、冷卻時由于較大的溫差而產生較大的熱應力，當內應力超過材料的抗拉強度時，就會產生淬火開裂現象。而且該大型環鍛件在鍛造完成后沒有進行相應的去氫處理，這樣會導致鍛件內部存在氫脆白點，加劇了材料的開裂傾向。
直徑9m環鍛件的鍛后熱處理
大型環鍛件不僅用于大型風電機組軸承和風塔法蘭，在石油化工壓力容器、港口機械塔吊回轉支承、重型燃汽輪機組環件、核電機組環件、大型運載火箭倉體等方面也有著廣泛的應用。大型環鍛件的應工件的鍛后熱處理又可稱為預備熱處理，它是大鍛件在熱處理前非常重要的工序。大型環鍛件經鍛造后為防止白點的產生，需進行去氫處理，而鍛后熱處理可以達到這一目的，并且可以消除鍛造應力，調整與改善大型鍛件在鍛造過程中所形成的過熱和粗大組織， 降低環鍛件內部化學成分與金相組織的不均勻性，為環鍛件的最終熱處理作組織準備。
42CrMo鋼的Ac3臨界點為780℃，考慮到鋼中Cr、Mo元素的作用，將42CrMo鋼奧氏體化溫度設為860℃，只要保證鍛件內外溫度均勻，獲得全部奧氏體組織即可。
直徑9m環鍛件的調質處理
為改進后的直徑9m環鍛件的調質工藝曲線。 可以看出，在環鍛件加熱的過程中增加了幾個不同溫度的均熱過程，這樣可以減小環鍛件表面和心部的溫差，從而減小材料內部的熱應力，降低環鍛件淬火開裂的幾率，而且可以縮短材料在高溫區間的保溫時間，對減小材料的晶粒度有一定的促進作用。 42CrMo鋼在730℃?780℃溫度范圍內，其組織開始逐漸轉變為奧氏體。有研究表明42CrMo鋼在750℃均熱保溫時，在相變中球形奧氏體的生成與長大居于主導地位，隨著時間的延長，球形奧氏體數量增多并穩定長大。但在相變初期，亦有少量針形奧氏體生成，不過隨著保溫時間的延長針形奧氏體逐漸被穩定長大的球形奧氏體所吞食，終至完全消失，最后在相變完成時，粗大的原始奧氏體晶粒消失，鋼的組織得到明顯細化。而且在650℃以后的加熱速度比原工藝大了，因為此時材料已處于塑性狀態，盡量提高材料的加熱速度，可以加大材料在發生加熱轉變時的過熱度，爭取獲得一定程度的組織細化的效果。
改進后的工藝中，工件淬火冷卻前先預冷了一段時間。因840℃的淬火加熱溫度遠高于780℃的奧氏體化溫度，預冷處理可以適當降低其表面奧氏體化溫度，這樣就降低了馬氏體的形成速度，減小了馬氏體轉變過程中的組織應力，從而可以降低淬火開裂的幾率，同時預冷可以減少工件的蓄熱，增加工件的淬硬層深度。
環鍛件淬火后內應力很大，需進行回火處理。同時由于其心部在淬火后尚有未充分轉變的過冷奧氏體，需將工件轉人回火爐并在低溫下保持一定時間使心部繼續冷卻，因此大鍛件淬火后應立即回火，中間停留一般不超過1 h。為避免工件表面與心部溫差過大，回火處理時的加熱升溫速度應不超過100℃/h。由于42CrMo鋼屬于具有高溫回火脆性的材料，回火時當溫度在275℃?500 ℃區間時必須采用水冷，當溫度低于 275℃后，可采用空冷進行冷卻，空冷時用石棉包裹冷卻，這樣可以起到緩冷的作用
從正火+調質后的42CrMo鋼環鍛件上用火焰切割法截取試樣進行拉伸試驗和沖擊試驗，硬度測試直接在環鍛件上進行。各力學性能測試的標準為GB/T 228. 1一2010枟金屬材料拉伸試驗第1 部分:室溫試驗方法》、GB/T 229—2007枟金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》、GB/T 231—2009枟金屬材料布氏硬度試驗方法》。沖擊試樣采用夾角為45°、深度 為2 mm、底部曲率半徑為0.25 mm的V型缺口試樣。 硬度計型號為320HBS-3000數顯布氏硬度計，其鋼球壓頭直徑為10 mm，加載載荷砝碼為3000 kg，保持時間為 10?15 s。數據表明，經改進后熱處理工藝處理后的42CrMo鋼環鍛件的各項力學性能由工件表面向心部呈遞減趨勢，其中屈服強度的衰減最為顯著。
直徑9m環鍛件原熱處理工藝問題及分析
大型環鍛件不僅用于大型風電機組軸承和風塔法蘭，在石油化工壓力容器、港口機械塔吊回轉支承、重型燃汽輪機組環件、核電機組環件、大型運載火箭倉體等方面也有著廣泛的應用。大型環鍛件的應直徑9 m環鍛件原熱處理工藝為鍛造后進行調質處理，其工藝曲線，經該工藝處理后的環鍛件產品表面出現深度約為10 mm的裂紋，內部組織粗大且不均勻。原熱處理工藝處理后環鍛件的表面裂紋和內部顯微組織。直徑9 m環鍛件經原工藝熱處理后的力學性能，其中“3/4處”的取樣位置為鍛件橫斷面上徑向厚度（由外向內）的3/4處，“心部” 的取樣位置為鍛件橫斷面上徑向厚度與高度各1/2交 匯處。
直徑9m環鍛件的鍛后熱處理
大型環鍛件不僅用于大型風電機組軸承和風塔法蘭，在石油化工壓力容器、港口機械塔吊回轉支承、重型燃汽輪機組環件、核電機組環件、大型運載火箭倉體等方面也有著廣泛的應用。大型環鍛件的應工件的鍛后熱處理又可稱為預備熱處理，它是大鍛件在熱處理前非常重要的工序。大型環鍛件經鍛造后為防止白點的產生，需進行去氫處理，而鍛后熱處理可以達到這一目的，并且可以消除鍛造應力，調整與改善大型鍛件在鍛造過程中所形成的過熱和粗大組織， 降低環鍛件內部化學成分與金相組織的不均勻性，為環鍛件的最終熱處理作組織準備。
42CrMo鋼的Ac3臨界點為780℃，考慮到鋼中Cr、Mo元素的作用，將42CrMo鋼奧氏體化溫度設為860℃，只要保證鍛件內外溫度均勻，獲得全部奧氏體組織即可。
直徑9m環鍛件的調質處理
改進后的工藝中，工件淬火冷卻前先預冷了一段時間。因840℃的淬火加熱溫度遠高于780℃的奧氏體化溫度，預冷處理可以適當降低其表面奧氏體化溫度，這樣就降低了馬氏體的形成速度，減小了馬氏體轉變過程中的組織應力，從而可以降低淬火開裂的幾率，同時預冷可以減少工件的蓄熱，增加工件的淬硬層深度。
環鍛件淬火后內應力很大，需進行回火處理。同時由于其心部在淬火后尚有未充分轉變的過冷奧氏體，需將工件轉人回火爐并在低溫下保持一定時間使心部繼續冷卻，因此大鍛件淬火后應立即回火，中間停留一般不超過1 h。為避免工件表面與心部溫差過大，回火處理時的加熱升溫速度應不超過100℃/h。由于42CrMo鋼屬于具有高溫回火脆性的材料，回火時當溫度在275℃?500 ℃區間時必須采用水冷，當溫度低于 275℃后，可采用空冷進行冷卻，空冷時用石棉包裹冷卻，這樣可以起到緩冷的作用
從正火+調質后的42CrMo鋼環鍛件上用火焰切割法截取試樣進行拉伸試驗和沖擊試驗，硬度測試直接在環鍛件上進行。各力學性能測試的標準為GB/T 228. 1一2010枟金屬材料拉伸試驗第1 部分:室溫試驗方法》、GB/T 229—2007枟金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》、GB/T 231—2009枟金屬材料布氏硬度試驗方法》。沖擊試樣采用夾角為45°、深度 為2 mm、底部曲率半徑為0.25 mm的V型缺口試樣。 硬度計型號為320HBS-3000數顯布氏硬度計，其鋼球壓頭直徑為10 mm，加載載荷砝碼為3000 kg，保持時間為 10?15 s。數據表明，經改進后熱處理工藝處理后的42CrMo鋼環鍛件的各項力學性能由工件表面向心部呈遞減趨勢，其中屈服強度的衰減最為顯著。
