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42CrMo钢平衡轴的锻热淬火 |
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作者： |
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某公司生产的斯太尔重型汽车总成中的42CrMo钢平衡轴锻件（如图1）长期以来按下列工艺流程进行生产：下料→中频加热→滚锻→成型→切边→热校正→调质→喷丸→探伤→刷漆。
图1 平衡轴锻件简图
为了满足该产品的使用性能，要求该锻件经调质热处理后应达到：硬度为28-34 HRC；表面（距离表面1-4mm）的回火索氏体级别为1-2级，心部（距离表面≥20mm）的回火索氏体级别为1-5级；距离表面15mm处的抗拉强度（σb）为900-1050Mpa。
平衡轴锻件原来的常规热处理工艺见图2。热处理设备为周期式台车天然气加热炉。多件（8-12件/框）产品经850±10℃加热保温后连框一起淬入流动的自来水介质中冷却，然后进行回火。该产品热处理后出现的问题较多，主要表现在：
（1）同一件和不同件产品其淬火硬度较低且不均匀，多数为35-48HRC，硬度不均度达10HRC以上；
（2）回火后的同一件和不同件产品，硬度高低不等，返工率较大；
（3）产品表面和心部的回火索氏体级别多数分别为3-4级和6-7级，达不到技术要求；
（4）产品次表面的抗拉强度（σb）多为830-890Mpa，达不到技术要求；
(5)部分产品热处理后经探伤检查发现有裂纹,造成报废损失;
（6）产品表面的氧化脱碳十分严重，脱碳层达0.25mm以上，影响使用性能；
（7）热处理生产能力与锻造生产能力极不匹配，产量很低，严重影响生产任务的完成；
图2 平衡轴常规热处理工艺曲线
因此，为了解决上述问题，在保证产品质量的前提下，借鉴国内某大型曲轴厂40Cr曲轴锻造余热淬火稳定应用八年以上的成功经验，对42CrMo钢平衡轴锻件进行了锻造余热淬火的试验及批量生产，取得了可喜的成果。
1 淬火介质与冷却循环装置
1.1 淬火介质及冷却性能
因锻造余热淬火可显著地提高钢的淬透性，为了保证产品的金相组织、抗拉强度等指标合格并防止产生淬火裂纹，选用其高温阶段（800-400℃）的冷却性能类似于水、低温阶段（800-300℃）的冷却性能类似于油而真正能代油的海益PAG淬火剂用于平衡轴锻件的锻造余热淬火冷却。
根据40Cr曲轴锻造余热淬火应用PAG淬火剂的成功实例，结合平衡轴锻件的形状和尺寸大小，经试验确定海益PAG淬火液的浓度为10±1%，其冷却性能 如表1表1 海益PAG型淬火液的冷却性能
 与常规热处理相比，海益PAG淬火液在淬火冷却马氏体转变期间的冷却缓慢(类似于超速淬火油),可降低淬火开裂的倾向，而特性温度提高很多，高温冷却能力大。
1.2 淬火冷却循环装置
海益PAG淬火剂的使用要素主要有：浓度、液温、搅拌。由表1可见，在浓度和搅拌一定的情况下，液温的的波动变化对淬火液的冷却性能影响较大，从而影响钢件的淬火质量。为了稳定产品热处理质量，应将液温控制在较小的波动范围内（最佳为：30-40℃）。另一方面，在浓度和液温一定的情况下，对淬火液进行循环搅拌，不但可改善提高工件的淬火冷却均匀性，而且可延长淬火液的使用寿命。因此，设计了一套PAG淬火液冷却循环搅拌装置（如图3）。
图3 PAG淬火液冷却循环示意图
该装置的显著特点是冷却降温换热设备采用目前国内外先进的“空气冷却器”，淘汰传统的修建水池和购置冷却塔及板式或罗旋换热器用自来水进行的二次换热。热的淬火液由一定流量和扬程的管道泵抽至空冷器经冷却后流至淬火槽，然后利用高差又溢流回循环储液槽。为了增加淬火液的搅拌效果，在淬火槽旁又增加了一台流量为50M3//h的管道泵进行自循环变频搅拌（搅拌烈度可调）。
2生产工序流程及余热淬火工艺
根据锻热淬火的特点，将该锻件的生产工艺流程和热处理工艺进行了修改。
2.1 生产工艺流程
下料→中频加热→滚锻→成型→切边→热校正→余热淬火→抽检硬度→回火→100%硬度检查→金相和机械性能检查→喷丸→100%探伤→刷漆。
2.2 平衡轴锻造余热淬火热处理工艺的特点
通过正交试验，优选出的平衡轴锻件锻造余热淬火热处理工艺如图4。因锻造温度和锻造后淬火前的停留时间对锻热效果影响较大，为了保留高温形变锻热淬火的强韧化效果，将锻造加热温度由原来的1150-1180℃调整为1100±10℃，并将锻造后至淬火冷却的停留时间控制在40秒以内，用红外线测量入液淬火前的温度为780-820℃;采用带喷淋功能的空气冷却器将淬火液温控制在≤45℃，并对工件入液后的整个冷却阶段的搅拌烈度进行调整控制，即工件入液后一分钟内采用大的搅拌烈度，然后缓慢搅拌，大约6-8分钟后将工件提出淬火液入炉回火。
另外，平衡轴锻热淬火与常规淬火工艺相比,当两者的回火硬度相同时,其前者的回火温度较后者提高了30℃以上,表明锻热淬火比常规淬火具有更高的回火抗力。
图4 平衡轴锻热淬火热处理工艺曲线
3 锻热淬火的效果对比及分析
2.3 平衡轴锻后淬火热处理质量检验方法
按图1规定的部位，对锻热淬火回火后的产品经加工去除表面氧化脱碳层后，分别采用HR-150A型洛氏硬度计和HB-3000型布氏硬度计检测距φ120杆部两端面60-100mm圆周处的硬度；对回火后的产品抽样在距φ120杆部端面100mm位置处垂直轴线截取试样并按GB/T13220-91标准进行金相组织检查；每批产品抽样在图1φ120杆部处距表面15mm截取制成拉伸短试样，在万能试验机上测试抗拉强度；采用CJW-4000型磁粉探伤机对锻热淬火回火后的产品经喷丸后100%地进行分段复合磁化，检查平衡轴锻件的周向和纵向裂纹缺陷。
2.4 综合效果对比及分析
与常规热处理相比，平衡轴锻件经锻热淬火及回火后的相关质量检查结果和综合效果对比见表2。表2 平衡轴锻热淬火与常规热处理综合对比结果
@：同一熔炼炉号、同一热处理工艺和不同热处理炉次
由于锻热淬火提高了钢材的淬透性和组织结构的变化(马氏体细化、缺陷密度的增加以及碳化物的弥散析出等)，使其淬火硬度、金相组织、机械性能等都较常规热处理有很大的提高。另一方面，在锻热淬火提高钢材淬透性的基础上，单件产品在蒸汽膜较短的海益PAG淬火液中进行均匀地淬火冷却（原工艺是多件产品堆积地在蒸汽膜较长的自来水中冷却），是提高硬度均匀性的主要原因。
在原材料优质的情况下,平衡轴锻件批量地采用锻热淬火热处理后经检查,未发现开裂现象。一定浓度的海益PAG淬火液特有的冷却性能（在钢件的Ms-Mf区间冷却缓慢）和淬火后尽快入炉回火是防止钢件产生淬火裂纹的有效措施。
因采用锻热淬火而省去常规热处理的重新高温长时间加热，不但可减少钢件的氧花损失及脱碳，因减少表面缺陷而提高使用性能，而且可节省大量的能源消耗、节省设备和人力。与原来相比，每件降低成本约15元/件，在现有锻造生产能力下，全年共节约70万元以上，创造了巨大的经济效益。
值得一提的是，将余热淬火工序安排在产品锻造生产线上形成一条龙的流水线连续生产，使热处理生产能力与锻造生产能力同步合拍，其平衡轴锻件热处理的生产率较原来提高了150%以上，保证了生产任务的顺利完成。
4 结束语
通过改变生产工艺流程，对平衡轴锻件采用锻造余热淬火热处理，已批量地生产了五万多件产品，解决了原来常规热处理中存在的问题，显著地提高了产品的热处理质量和使用性能，不仅大大降低了生产成本和获得了可观的经济效益，而且还提高了生产率。特别注意的是，对于众多能采用锻造余热淬火的钢件，为了保证和稳定产品质量，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、表面发纹等低倍缺陷等），重视钢料的进厂验收和按钢厂的熔炼炉号进行分炉管理。另外，将淬火槽和连续式回火炉安排在锻造生产线上也是必不可少的。
参考文献（略）(end)
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(1/20/2011) |
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