42CrMoA鋼回轉(zhuǎn)支撐圈熱處理工藝改進(jìn)研究

陳 洪 朱乾皓 錢喜根 范 禹 劉 燁

(1.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇212013；2.張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司，江蘇215600)

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍，風(fēng)力發(fā)電作為一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展。42CrMoA回轉(zhuǎn)支撐圈鍛件是用于風(fēng)電機(jī)組變漿距、偏航的部件?；剞D(zhuǎn)支撐圈鍛件的熱加工工藝、內(nèi)在質(zhì)量指標(biāo)直接影響風(fēng)電設(shè)備的安全運(yùn)行和使用壽命。

某公司生產(chǎn)的一批42CrMoA回轉(zhuǎn)支撐圈(圖1)熱處理后發(fā)現(xiàn)硬度偏高，而且內(nèi)部晶粒較大，混晶嚴(yán)重。本文對(duì)原熱處理工藝進(jìn)行分析，提出改進(jìn)措施，使鍛件力學(xué)性能和晶粒度符合技術(shù)要求。

1 試驗(yàn)材料及要求

試驗(yàn)用材料是某鋼廠生產(chǎn)的42CrMoA鋼錠，采用的冶煉方法是電爐+爐外精煉+真空脫氣。

當(dāng)材料采購(gòu)回來后，要對(duì)材料的化學(xué)成分、表面質(zhì)量和力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，防止因材料的質(zhì)量問題而影響后續(xù)的熱加工。試驗(yàn)用材料的化學(xué)成分如表1所示。環(huán)鍛件外徑為1 101 mm，內(nèi)徑為980 mm，高86 mm，如圖2所示。

圖1 環(huán)鍛件實(shí)物圖Figure 1 Picture of ring forging

表1 42CrMoA鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 42CrMoA steel(mass fraction,%)

圖2 42CrMoA回轉(zhuǎn)支撐圈簡(jiǎn)圖Figure 2 Diagram of 42CrMoA rotary support ring

表2 環(huán)鍛件的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of ring forging

42CrMoA鋼鍛造加熱保溫溫度為(1 250±20)℃， 始鍛溫度為1 150℃，終鍛溫度為900℃，鍛造比≥4。熱處理工藝采用的是850℃正火。熱處理后環(huán)鍛件技術(shù)要求如表2所示。

2 原熱處理工藝存在的問題

由于環(huán)鍛件尺寸較大，使得原始鋼錠尺寸也比較大，結(jié)晶過程緩慢，因而鑄造組織異常粗大，在鍛造時(shí)沒有鍛透，內(nèi)部組織仍是原有的粗大組織，且在鍛造過程中變形分布不均勻，使得鍛件內(nèi)部組織不均勻及存在較大的內(nèi)應(yīng)力。采用正火熱處理方式可以消除上述缺陷。由Fe-C相圖可知42CrMoA鋼的臨界點(diǎn)Ac3為780℃，考慮到鋼中Cr、Mo元素的作用，將奧氏體化的加熱溫度定為850℃。某公司生產(chǎn)的一批42CrMoA回轉(zhuǎn)支撐圈鍛造后采用850℃正火熱處理。熱處理后進(jìn)行硬度檢測(cè)時(shí)，硬度高達(dá)300 HBW，不符合技術(shù)要求。進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，端面探測(cè)發(fā)現(xiàn)環(huán)鍛件存在著較嚴(yán)重的粗晶現(xiàn)象，表現(xiàn)為將探傷靈敏度調(diào)至?2 mm后雜波高度達(dá)到或超過滿屏高度，且二次波衰減嚴(yán)重甚至消失，無法進(jìn)行正常檢測(cè)。由于存在粗晶現(xiàn)象，對(duì)該批42CrMoA回轉(zhuǎn)支撐圈鍛件又進(jìn)行了多次正火，使晶粒度達(dá)到了客戶要求。而針對(duì)硬度較高這一情況，則是進(jìn)行了多次回火，這就造成了大量能源的浪費(fèi)，極大地降低了生產(chǎn)效率。在發(fā)現(xiàn)粗晶的端面處取樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，金相照片如圖3所示。從圖3可以看出，金相組織是鐵素體+珠光體+貝氏體，但是明顯看出鐵素體組織差異較大，晶粒大小不一，粗晶現(xiàn)象嚴(yán)重。

3 熱處理工藝的改進(jìn)

經(jīng)過分析，決定把原正火熱處理改為完全退火的熱處理方式，這樣既可以細(xì)化組織晶粒，又可以降低鍛件的硬度，消除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力。完全退火工藝圖如圖4所示。

圖3 42CrMoA回轉(zhuǎn)支撐圈的金相組織(500×)Figure 3 Microstructure pictures of 42CrMoA rotary support ring (500×)

圖4 42CrMoA鋼完全退火工藝示意圖Figure 4 Schematic drawing of full annealing process of 42CrMoA steel

將亞共析鋼加熱至Ac3以上20～30℃，保溫足夠時(shí)間奧氏體化后，隨爐緩慢冷卻，從而得到接近平衡的組織，這種熱處理工藝稱為完全退火。所謂“完全”是指退火時(shí)鋼的內(nèi)部組織全部進(jìn)行了重結(jié)晶，故完全退火也叫重結(jié)晶退火。由于42CrMoA鋼的臨界點(diǎn)Ac3為780℃，再加上鋼中Cr、Mo元素的作用，故42CrMoA鋼的完全退火溫度可能為820～840℃。為了確定42CrMoA的退火溫度，設(shè)計(jì)了一組試驗(yàn)，退火溫度分別為820℃、830℃及840℃。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

對(duì)比表2和表3可以看出，在820℃和830℃退火后，環(huán)鍛件的力學(xué)性能都達(dá)到了客戶的技術(shù)要求，而環(huán)鍛件840℃退火后的力學(xué)性能低于客戶的技術(shù)要求。在840℃退火時(shí)，由于退火溫度過高，使得內(nèi)部晶粒粗大，且部分鐵素體呈網(wǎng)狀析出，極大的降低了環(huán)鍛件的力學(xué)性能。雖然通過合適的正火+回火工藝可以消除粗晶和網(wǎng)狀鐵素體，但這樣就會(huì)浪費(fèi)能源和降低生產(chǎn)效率。另外，只有820℃退火后的鍛件晶粒度符合技術(shù)要求，故退火溫度選擇820℃。820℃退火后鍛件的晶粒度如圖5所示。

表3 完全退火后鍛件的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of forgings after full annealing

圖5 820℃退火后鍛件的晶粒度(100×)Figure 5 Grain sizes after annealing at 820 ℃ (100×)

4 結(jié)論

通過對(duì)回轉(zhuǎn)支撐圈原正火熱處理產(chǎn)生的問題進(jìn)行分析提出用完全退火取代正火處理。試驗(yàn)結(jié)果表明：鍛件在820℃完全退火后的力學(xué)性能及晶粒度都達(dá)到了技術(shù)要求。

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