42CrMo4鋼鍛輾齒圈的調(diào)質(zhì)處理分析

42CrMo4鋼是含碳量為0.38% ~0.45%的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼,一般用于制造大型齒輪、大型齒圈、齒輪軸等重要零件,經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后,能獲得良好的綜合力學(xué)性能。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),鋼的含碳量大于0.40% 、Ms點(diǎn)溫度<330℃時(shí),鋼制零件有淬火開裂的危險(xiǎn)。42CrMo4鋼是一種淬透性較好的鋼,同時(shí)有淬火開裂的傾向。因此,42CrMo4鋼鍛輾齒圈通常采用油冷或水淬油冷雙液淬火。但是,受到淬火冷卻設(shè)備的限制,我們采用了無機(jī)水溶性淬火液來代替油冷淬火,這樣就強(qiáng)化了42CrMo4鋼淬火時(shí)的冷卻能力,同時(shí)也增加了鋼在淬火時(shí)開裂的危險(xiǎn)性。所以,在編制熱處理調(diào)質(zhì)工藝時(shí),應(yīng)著重考慮如何保證齒圈在調(diào)質(zhì)淬火時(shí)不產(chǎn)生裂紋的前提下獲得良好的綜合力學(xué)性能,特別是低溫沖擊韌性。

42CrMo4鋼鍛輾齒圈曾在調(diào)質(zhì)過程中產(chǎn)生過淬火裂紋,經(jīng)過對(duì)調(diào)質(zhì)工藝的不斷改進(jìn),增加淬火液濃度為8% ~10% ,改進(jìn)淬火冷卻工藝參數(shù),*解決了淬火開裂難題。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,齒圈的綜合力學(xué)性能良好,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

1.1鍛件用鋼

齒圈鍛件用鋼采用42CrMo4合金結(jié)構(gòu)鋼制造。鋼的化學(xué)成分應(yīng)符合表1的規(guī)定。鋼的冶煉采用電弧爐或氧氣轉(zhuǎn)爐＋鋼包精煉，為加鋁脫氧的細(xì)晶粒鎮(zhèn)靜鋼。澆注過程采用保護(hù)措施,以防鋼水再次氧化。

1.2鍛造成形

鍛件采用鋼錠直接鍛制時(shí),鍛造比為3.5 :1。采用連鑄坯鍛制時(shí),鍛造比為5:1。

1.3熱處理

齒圈采用調(diào)質(zhì)處理,工藝溫度、保溫時(shí)間、冷卻介質(zhì)等工藝參數(shù)由供方?jīng)Q定。

1.4質(zhì)量要求

調(diào)質(zhì)處理后檢查齒圈的力學(xué)性能,測(cè)試結(jié)果應(yīng)符合表2的規(guī)定。檢查非金屬夾雜物、晶粒度和顯微組織,檢查結(jié)果應(yīng)符合表3的規(guī)定。超聲檢測(cè)按SEP1921第三組E/e執(zhí)行。對(duì)出廠產(chǎn)品進(jìn)行尺寸、標(biāo)識(shí)和表面質(zhì)量檢查，不允許存在裂紋.折疊等其他影響工件質(zhì)量的缺陷。

2.1鍛造工藝

坯料進(jìn)廠質(zhì)量檢驗(yàn)合格后,鋸切下料。坯料在燃?xì)鉅t中加熱,加熱溫度為1 230 ±10℃ ,第一火在30 MN液壓機(jī)上進(jìn)行鍛粗、拔長.鍛粗、沖孔,然后回爐加熱。第二火在30MN液壓機(jī)上進(jìn)行擴(kuò)孔、平整,然后回爐加熱。第三火在O7000mm輾環(huán)機(jī)上進(jìn)行輾環(huán)成形,直接加工到D2375/2 030 mm x 175 mm。鍛件重量1 640 kg,總鍛造比為6.97。鍛后采用堆冷方式。

2.2熱處理工藝

鍛件鍛后為了細(xì)化晶粒,改善組織狀態(tài),為調(diào)質(zhì)處理做好組織準(zhǔn)備,鍛件在電阻爐中進(jìn)行了鍛后熱處理,如圖1所示。鍛件經(jīng)粗加工后,進(jìn)行超聲檢測(cè)(內(nèi)控)。調(diào)質(zhì)前齒圈的粗加工尺寸為22358/2 051 mm ×156 mm。按圖2工藝進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

齒圈在井式熱處理爐中加熱,每爐裝入1掛，每掛6件,工件之間用50 mm厚的墊鐵支墊,使工件在加熱或冷卻時(shí)溫度均勻。42CrMo4 鋼制零件在正常調(diào)質(zhì)處理的淬火冷卻工藝中,一般采用油冷淬火或水淬油冷淬火工藝。由于受淬火油槽的限制,需要采用淬火液調(diào)質(zhì)淬火冷卻,為了預(yù)防齒圈產(chǎn)生淬裂缺陷,采取了以下技術(shù)措施:

( 1)工件淬火保溫出爐后,在空氣中預(yù)冷使工件表面溫度降至約780℃左右,再進(jìn)入淬火液中冷卻。

(2)工件在淬火液中冷卻一定時(shí)間后,提出工件空冷1.0 min ~ 1.5 min ,減少工件截面溫差，再進(jìn)入淬火液中繼續(xù)冷卻一定時(shí)間,再次提出空冷,這樣反復(fù)幾次。

(3)控制工件淬火冷卻時(shí)的終冷表面溫度在230℃左右。

(4)工件淬火冷卻后,必須及時(shí)裝爐回火,消除淬火產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。

(5)在鋼的Ms點(diǎn)溫度附近進(jìn)行低溫回火保溫,使工件外部加熱升溫回火,使內(nèi)部繼續(xù)降溫轉(zhuǎn)變。

力學(xué)性能

42CrMo4鋼鍛輾齒圈粗加工調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能見圖10。叢圖10可町以看出,力學(xué)性能試樣的取樣部位不同,所測(cè)力學(xué)性能數(shù)值是不相同的。在齒圈近表面取樣較內(nèi)部取樣所測(cè)強(qiáng)度和塑性略高,但數(shù)值比較接近,而低溫缺口沖擊功卻相差甚遠(yuǎn),并且內(nèi)部的低溫缺口沖擊功約有30%的試驗(yàn)數(shù)值低于35J,沒有達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。這是受到42CrMo4鋼淬透性的影響,齒圈在淬火冷卻時(shí)表面的冷卻速度大于內(nèi)部的冷卻速度,并且內(nèi)部的冷卻速度小于該鋼的臨界淬火速度。因此,在齒圈的內(nèi)部顯微組織中有塊狀鐵素體析出,在外部和內(nèi)部強(qiáng)度數(shù)值差別不大的情況下,卻顯著降低了鋼的低溫沖擊韌性,提高了鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度( FATT50)。

結(jié)論

( 1)42CrMo4鋼鍛輾齒圈粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,其調(diào)質(zhì)淬火用冷卻介質(zhì)可以使用8%~10%的無機(jī)水基淬火液,但需要采用預(yù)冷淬火、降溫淬火或亞溫淬火工藝。并且在淬火冷卻過程中,應(yīng)在淬火液中冷卻和提出液面在空氣中交替冷卻,直至達(dá)到控制的工件表面終冷溫度為止。然后及時(shí)裝爐回火,消除淬火應(yīng)力。目的是盡量降低淬火過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力，有效的預(yù)防工件產(chǎn)生淬火裂紋缺陷。

(2)42CrMo4鋼鍛輾齒圈調(diào)質(zhì)過程中產(chǎn)生的淬火裂紋缺陷是由于鍛件用鋼中存在非金屬夾雜物等冶金缺陷,在淬火液的冷卻速度過大的情況下,工件所產(chǎn)生的淬火應(yīng)力大于裂紋處材料的破斷強(qiáng)度所引起的。

(3 )42CrMo4鋼齒圈經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后,工件表面所產(chǎn)生的氧化脫碳層深度約在0.72 mm左右。因此,在檢查表面硬度時(shí),工件表面的打磨深度必須大于0.8 mm,去除氧化脫碳層,這樣表面硬度的測(cè)試結(jié)果才會(huì)真實(shí)、準(zhǔn)確,工件表面的硬度均勻性才會(huì)得到提高。

(4)42CrMo4鋼齒圈經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后,在其近表面與內(nèi)部取樣部位的強(qiáng)度和塑性數(shù)值相接近的情況下,低溫沖擊吸收功卻相差很遠(yuǎn)。這是由于鋼的淬透性影響,在淬火時(shí)工件內(nèi)部的冷卻速度小于鋼的臨界淬火速度,在內(nèi)部的顯微組織中出現(xiàn)較多的鐵素體,降低了鋼的低溫沖擊韌性的結(jié)果。