42CrMo风机主轴锻热淬火工艺
2021-06-25 15:46
admin
重型风机主轴是前桥总成中的重要构件之一，又是整体支承的主要构件，通常采用42CrMo钢制造。因主轴在使用中既要承受垂直平面的交变弯曲疲劳，又要承受一定的冲击载荷，其工作环境极差，对热处理技术质量要求非常高，其主轴不但具备较高的抗弯曲疲劳性能，而且要有较好的强韧性配合。
42CrMo主轴锻件原工艺分析
重型主轴锻件传统的生产工艺流程为：下料一中频感应加热→辊锻制坯→压弯成形→热切边→热校正→正火→喷丸→淬火→抽检硬度→髙温回火→喷丸→金相和力学性能检查→无损检测→喷漆→入库。
（1）同一件和+同件产品的淬火硬度较低且不均勻，多数为35〜48HRC，硬度散差达10HRC
以上。
（2）回火后同一件和不同件产品，硬度高低不等，多数为27〜36HRC，硬度散差达8HRC以上。
（3）产品心部的回火索氏体级别多数为6〜7 级，达不到技术要求。
（4）产品次表面的力学性能和台架试验疲劳寿命经常达不到技术要求。
（5）多次高温加热造成产品表面的氧化脱碳十分严重，脱碳层达0.30mm以上，严重影响主轴疲劳寿命。
（6）热处理工序复杂，周期长，造成能源消耗大，生产成本高，效率低，严重影响供货需求。
（7）热处理后，金相和力学性能检査经常不合格，造成批量返工，严重影响企业的发展。
因此，为了解决上述问题，借鉴国内42CrMo钢重型车平衡轴锻件进行锻造余热淬火热处理生产已稳定应用多年的成功经验，将主轴锻造和热处理工艺有效结合起来，对42CrMo钢主轴锻件进行了锻造余热淬火的工艺试验研究及批量生产应用，取得了可喜的成果，充分发挥了形变强化和热处理相变强化的作用。与常规热处理相比，锻热淬火热处理不但可提髙产品的综合性能和服役能力，而且具有节约能源，降低生产成本，缩短生产周期，以及提高生产率等特点。
锻热淬火工艺流程
取消原常规生产中需要重新加热的“正火”、“淬火”两道工序和正火后的“喷丸”工序，其生产工艺流程简化为：下料→中频感应加热→辊锻制坯→压弯成形→热切边→热校正→余热洋→抽检硬度→髙温回火→喷丸→金相和力学性能检查→无损检测→喷漆→入库。
淬火冷却介质及冷却循环装置
因锻造余热淬火可显著地提髙钢的淬透性，在保证产品的金相组织、力学性能等指标均合格的情况下，为了避免产生淬火裂纹，选用髙温珠光体转变阶段冷却快、低温马氏体转变阶段冷却缓慢（类似干快速淬火油）的PAG - I型水溶性淬火冷却介质，用于42CrMo钢主轴锻件的锻造余热淬火冷却。
根据42CrMo钢重型车平衡轴锻件锻造余热淬火采用PAG_ I型淬火冷却介质已稳定应用多年的成功经验，结合主轴锻件的形状和尺寸大小，经试验确定PAG淬火冷却介质的浓度为6%〜10%,其冷 却性能参数,与自来水、快速淬火油的冷却特性对比曲线。
主轴锻热淬火热处理因省去了锻后正火和调质淬火这两道加热工序，避免了在这两道工艺阶段的高温长时间加热而造成的氧化与脱碳，仅存在锻造高温加热、热加工塑性变形、高温回火而带来的氧化脱碳，因而大大减少了脱碳层。
主轴锻热淬火热处理后的表层金相组织与常规调质相比差异不大，但心部金相组织差异很大，锻热淬火热处理后为均匀的回火索氏体，而常规调质除了有部分冋火索氏体外，还有托氏体和条状及网状铁素体。锻热淬火热处理后的心部金相组织明显好于常规调质，而且硬化层较深，表明锻热淬火可以显著提高钢的淬透性。淬透性的提高是由干锻造髙温加热和形变后停留时间长而使奥氏体晶粒发生回复再结晶长大所致，减缓了高温珠光体的相变速度，从而降低了锻热淬火钢的临界冷却速度。由于锻热淬火提高淬透性和减少工件表面氧化脱碳以及工件单件淬火等因素，进一步改善了淬火冷却条件，增加了淬硬层深度。另外，锻后至淬火的预冷也有助于提髙淬硬层深度。
尽管在高温锻造加热、高温形变及锻后预冷过程中奥氏体晶粒较为粗化，但淬火得到的仍是细小的板条马氏体，高温形变淬火能显著细化马氏体晶粒。
淬火硬度检验结果表明，与常规调质淬火相比，主轴锻热淬火硬度较髙，这是由于锻热淬火马氏体组织内呈现髙密度位错，锻造形变过程中析出的细小弥散分布的碳化物钉轧位错网络作用，以 及淬火完全，使其较常规淬火具有较高的淬火硬度(淬火硬度提高8.0HRC以上)。另外，锻热淬火硬度的离散庋较常规调质淬火小得多，这归功于锻热淬火提高了钢的淬透性、减少脱碳层和单件产品在蒸气膜较短的PAG - I淬火冷却介质中进行均匀地淬火冷却（原工艺是多件产品堆积冷却），以及对淬火冷却介质进行的有效均匀搅拌，使其具有较好的硬度均匀性。
回火硬度检验结果表明，主轴锻热淬火及高温回火后的硬度值均满足技术要求。与常规调质相比，同一工件或不同工件的硬度离散度较小，这主要与工件单件锻热淬火获得良好的淬火硬度均匀性有关。另外，与常规调质相比，在达到相同硬度的情况下，锻热淬火的钢件所需要的回火温度较高(髙出常规回火温度20℃以上），表明锻热淬火比常规淬火具有较高的回火抗力，这是由于从锻热 淬火钢奥氏体中析出的e碳化物在随后的高温问火过程中转变为0碳化物而弥散分布在亚晶界上，钉轧位错的运动，提高了耐回火性。
特别注意的是，对于锻造余热淬火的钢件，为了稳定产品质量，保证产品安全可靠地使用，首先应严格控制原材料的质量（化学成分、夹杂物、疏 松、偏析、缩孔、气泡、白点及表面发纹等低倍缺 陷等），重视钢材进厂验收，尤其是加强对锻件质量有致命影响的微量元素和低倍缺陷的检查与控制，并按钢厂的熔炼炉号进行分炉、分批管理。在确保原材料优质的情况下，应严格锻造工艺规范，避免锻造带来的内裂、折祿、过热或过烧等缺陷。淬火热处理时应严格工艺规范，控制入液淬火温度、淬火介质冷却特性的稳定性、工件出液的温度，以及淬火硬度和及时入炉回火等。
另外，为了进一步稳定工艺质量，在有条件的情况下，建议采用“锻造余热控温淬火”工艺，即钢件热锻成形后将其快速冷至Ar以下某一温度区间，使其完成奥氏体向珠光体的相变后，再将其升温进行奥氏体化的炉内短时均温，以达到细化主轴锻件的晶粒、均勻工件各处温度的目的。
42CrMo主轴锻件原工艺分析
重型主轴锻件传统的生产工艺流程为：下料一中频感应加热→辊锻制坯→压弯成形→热切边→热校正→正火→喷丸→淬火→抽检硬度→髙温回火→喷丸→金相和力学性能检查→无损检测→喷漆→入库。
（1）同一件和+同件产品的淬火硬度较低且不均勻，多数为35〜48HRC，硬度散差达10HRC
以上。
（2）回火后同一件和不同件产品，硬度高低不等，多数为27〜36HRC，硬度散差达8HRC以上。
（3）产品心部的回火索氏体级别多数为6〜7 级，达不到技术要求。
（4）产品次表面的力学性能和台架试验疲劳寿命经常达不到技术要求。
（5）多次高温加热造成产品表面的氧化脱碳十分严重，脱碳层达0.30mm以上，严重影响主轴疲劳寿命。
（6）热处理工序复杂，周期长，造成能源消耗大，生产成本高，效率低，严重影响供货需求。
（7）热处理后，金相和力学性能检査经常不合格，造成批量返工，严重影响企业的发展。
因此，为了解决上述问题，借鉴国内42CrMo钢重型车平衡轴锻件进行锻造余热淬火热处理生产已稳定应用多年的成功经验，将主轴锻造和热处理工艺有效结合起来，对42CrMo钢主轴锻件进行了锻造余热淬火的工艺试验研究及批量生产应用，取得了可喜的成果，充分发挥了形变强化和热处理相变强化的作用。与常规热处理相比，锻热淬火热处理不但可提髙产品的综合性能和服役能力，而且具有节约能源，降低生产成本，缩短生产周期，以及提高生产率等特点。
锻热淬火工艺流程
取消原常规生产中需要重新加热的“正火”、“淬火”两道工序和正火后的“喷丸”工序，其生产工艺流程简化为：下料→中频感应加热→辊锻制坯→压弯成形→热切边→热校正→余热洋→抽检硬度→髙温回火→喷丸→金相和力学性能检查→无损检测→喷漆→入库。
淬火冷却介质及冷却循环装置
因锻造余热淬火可显著地提髙钢的淬透性，在保证产品的金相组织、力学性能等指标均合格的情况下，为了避免产生淬火裂纹，选用髙温珠光体转变阶段冷却快、低温马氏体转变阶段冷却缓慢（类似干快速淬火油）的PAG - I型水溶性淬火冷却介质，用于42CrMo钢主轴锻件的锻造余热淬火冷却。
根据42CrMo钢重型车平衡轴锻件锻造余热淬火采用PAG_ I型淬火冷却介质已稳定应用多年的成功经验，结合主轴锻件的形状和尺寸大小，经试验确定PAG淬火冷却介质的浓度为6%〜10%,其冷 却性能参数,与自来水、快速淬火油的冷却特性对比曲线。
主轴锻热淬火热处理因省去了锻后正火和调质淬火这两道加热工序，避免了在这两道工艺阶段的高温长时间加热而造成的氧化与脱碳，仅存在锻造高温加热、热加工塑性变形、高温回火而带来的氧化脱碳，因而大大减少了脱碳层。
主轴锻热淬火热处理后的表层金相组织与常规调质相比差异不大，但心部金相组织差异很大，锻热淬火热处理后为均匀的回火索氏体，而常规调质除了有部分冋火索氏体外，还有托氏体和条状及网状铁素体。锻热淬火热处理后的心部金相组织明显好于常规调质，而且硬化层较深，表明锻热淬火可以显著提高钢的淬透性。淬透性的提高是由干锻造髙温加热和形变后停留时间长而使奥氏体晶粒发生回复再结晶长大所致，减缓了高温珠光体的相变速度，从而降低了锻热淬火钢的临界冷却速度。由于锻热淬火提高淬透性和减少工件表面氧化脱碳以及工件单件淬火等因素，进一步改善了淬火冷却条件，增加了淬硬层深度。另外，锻后至淬火的预冷也有助于提髙淬硬层深度。
淬火硬度检验结果表明，与常规调质淬火相比，主轴锻热淬火硬度较髙，这是由于锻热淬火马氏体组织内呈现髙密度位错，锻造形变过程中析出的细小弥散分布的碳化物钉轧位错网络作用，以 及淬火完全，使其较常规淬火具有较高的淬火硬度(淬火硬度提高8.0HRC以上)。另外，锻热淬火硬度的离散庋较常规调质淬火小得多，这归功于锻热淬火提高了钢的淬透性、减少脱碳层和单件产品在蒸气膜较短的PAG - I淬火冷却介质中进行均匀地淬火冷却（原工艺是多件产品堆积冷却），以及对淬火冷却介质进行的有效均匀搅拌，使其具有较好的硬度均匀性。
回火硬度检验结果表明，主轴锻热淬火及高温回火后的硬度值均满足技术要求。与常规调质相比，同一工件或不同工件的硬度离散度较小，这主要与工件单件锻热淬火获得良好的淬火硬度均匀性有关。另外，与常规调质相比，在达到相同硬度的情况下，锻热淬火的钢件所需要的回火温度较高(髙出常规回火温度20℃以上），表明锻热淬火比常规淬火具有较高的回火抗力，这是由于从锻热 淬火钢奥氏体中析出的e碳化物在随后的高温问火过程中转变为0碳化物而弥散分布在亚晶界上，钉轧位错的运动，提高了耐回火性。
特别注意的是，对于锻造余热淬火的钢件，为了稳定产品质量，保证产品安全可靠地使用，首先应严格控制原材料的质量（化学成分、夹杂物、疏 松、偏析、缩孔、气泡、白点及表面发纹等低倍缺 陷等），重视钢材进厂验收，尤其是加强对锻件质量有致命影响的微量元素和低倍缺陷的检查与控制，并按钢厂的熔炼炉号进行分炉、分批管理。在确保原材料优质的情况下，应严格锻造工艺规范，避免锻造带来的内裂、折祿、过热或过烧等缺陷。淬火热处理时应严格工艺规范，控制入液淬火温度、淬火介质冷却特性的稳定性、工件出液的温度，以及淬火硬度和及时入炉回火等。
另外，为了进一步稳定工艺质量，在有条件的情况下，建议采用“锻造余热控温淬火”工艺，即钢件热锻成形后将其快速冷至Ar以下某一温度区间，使其完成奥氏体向珠光体的相变后，再将其升温进行奥氏体化的炉内短时均温，以达到细化主轴锻件的晶粒、均勻工件各处温度的目的。
