42CrMo4鋼鍛輾齒圈的調質處理分析

42CrMo4鋼是含碳量為0.38% ~0.45%的中碳合金結構鋼,一般用于制造大型齒輪、大型齒圈、齒輪軸等重要零件,經過調質處理后,能獲得良好的綜合力學性能。根據生產實踐經驗,鋼的含碳量大于0.40% 、Ms點溫度<330℃時,鋼制零件有淬火開裂的危險。42CrMo4鋼是一種淬透性較好的鋼,同時有淬火開裂的傾向。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,受到淬火冷卻設備的限制,我們采用了無機水溶性淬火液來代替油冷淬火,這樣就強化了42CrMo4鋼淬火時的冷卻能力,同時也增加了鋼在淬火時開裂的危險性。所以,在編制熱處理調質工藝時,應著重考慮如何保證齒圈在調質淬火時不產生裂紋的前提下獲得良好的綜合力學性能,特別是低溫沖擊韌性。

42CrMo4鋼鍛輾齒圈曾在調質過程中產生過淬火裂紋,經過對調質工藝的不斷改進,增加淬火液濃度為8% ~10% ,改進淬火冷卻工藝參數,*解決了淬火開裂難題。經調質處理后,齒圈的綜合力學性能良好,產品質量穩定。

1.1鍛件用鋼

齒圈鍛件用鋼采用42CrMo4合金結構鋼制造。鋼的化學成分應符合表1的規定。鋼的冶煉采用電弧爐或氧氣轉爐＋鋼包精煉，為加鋁脫氧的細晶粒鎮靜鋼。澆注過程采用保護措施,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,鍛造比為3.5 :1。采用連鑄坯鍛制時,鍛造比為5:1。

1.3熱處理

齒圈采用調質處理,工藝溫度、保溫時間、冷卻介質等工藝參數由供方決定。

1.4質量要求

調質處理后檢查齒圈的力學性能,測試結果應符合表2的規定。檢查非金屬夾雜物、晶粒度和顯微組織,檢查結果應符合表3的規定。超聲檢測按SEP1921第三組E/e執行。對出廠產品進行尺寸、標識和表面質量檢查，不允許存在裂紋.折疊等其他影響工件質量的缺陷。

2.1鍛造工藝

坯料進廠質量檢驗合格后,鋸切下料。坯料在燃氣爐中加熱,加熱溫度為1 230 ±10℃ ,第一火在30 MN液壓機上進行鍛粗、拔長.鍛粗、沖孔,然后回爐加熱。第二火在30MN液壓機上進行擴孔、平整,然后回爐加熱。第三火在O7000mm輾環機上進行輾環成形,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

鍛件鍛后為了細化晶粒,改善組織狀態,為調質處理做好組織準備,鍛件在電阻爐中進行了鍛后熱處理,如圖1所示。鍛件經粗加工后,進行超聲檢測(內控)。調質前齒圈的粗加工尺寸為22358/2 051 mm ×156 mm。按圖2工藝進行調質處理。

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溫度均勻。42CrMo4 鋼制零件在正常調質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,需要采用淬火液調質淬火冷卻,為了預防齒圈產生淬裂缺陷,采取了以下技術措施:

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

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

(3)控制工件淬火冷卻時的終冷表面溫度在230℃左右。

(4)工件淬火冷卻后,必須及時裝爐回火,消除淬火產生的熱應力和組織應力。

(5)在鋼的Ms點溫度附近進行低溫回火保溫,使工件外部加熱升溫回火,使內部繼續降溫轉變。

力學性能

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

結論

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

(2)42CrMo4鋼鍛輾齒圈調質過程中產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,工件所產生的淬火應力大于裂紋處材料的破斷強度所引起的。

(3 )42CrMo4鋼齒圈經過調質處理后,工件表面所產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,工件表面的打磨深度必須大于0.8 mm,去除氧化脫碳層,這樣表面硬度的測試結果才會真實、準確,工件表面的硬度均勻性才會得到提高。

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