42CrMo超長(zhǎng)齒條熱處理淬火工藝

中冶京誠（營(yíng)口）裝備技術(shù)有限公司 （遼寧 115000） 李云亭 薛建博

我公司訂貨的42CrMo齒條精加工尺寸：寬350mm，高300mm，總長(zhǎng)度為41m，齒形為人字齒，齒高65mm。此齒條共分5段，粗加工：頭段長(zhǎng)度約10m，單重11t一根；中段約8m單重8t三根；尾段約8m單重7t一根，總重42t。其制造過程為：煉鋼→80MN油壓機(jī)鍛造→粗加工→熱處理調(diào)質(zhì)→硬度檢驗(yàn)→半精加工→人工時(shí)效→精加工。該齒條化學(xué)成分見表1。

表1 42CrMo齒條化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

齒條熱處理調(diào)質(zhì)許可變形量≤30mm（即≤3mm/m），調(diào)質(zhì)硬度要求280～320HBW。熱處理難度很大，淬火過程中極易發(fā)生扭曲變形。

1.傳統(tǒng)加工方式

（1）臺(tái)車爐加熱后經(jīng)油冷淬火處理 用4m×10m臺(tái)車爐，5件同裝一爐，工件間距200mm。利用鏈子起吊單件油冷淬火，淬火初期需上下竄動(dòng)，保證淬火過程中出現(xiàn)的蒸汽膜被打碎，否則淬火不均勻，硬度低。利用同樣大小另一個(gè)臺(tái)車爐進(jìn)行回火，回火過程中需校直機(jī)熱校直。

優(yōu)點(diǎn)是可同爐加熱處理，縮短整體工藝周期，油冷淬火可以保證淬火過程中不易開裂。

缺點(diǎn)：①變形大。細(xì)長(zhǎng)工件從臺(tái)車上將工件用鏈子兩點(diǎn)起吊進(jìn)入油池中，由于油冷過程時(shí)間較長(zhǎng)（60min），工件會(huì)出現(xiàn)兩端及中部下沉彎曲，工件形成M形彎。②容易出現(xiàn)性能不合格。由于300mm截面10m長(zhǎng)的工件形狀不規(guī)則，兩點(diǎn)起吊，很難找平衡，淬火過程中很難上下竄動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)淬火初期蒸汽膜未及時(shí)打碎，冷卻不足，硬度達(dá)不到要求。③事故隱患大。工件在油池中上下竄動(dòng)容易出現(xiàn)歪斜，一頭掉入油池底部，一般油池底部都會(huì)沉積水，因工件很難從油池底部取出，工件會(huì)在池底被淬裂。④增加校直工時(shí)和能源消耗?；鼗疬^程中額外增加熱校直工序和回火保溫時(shí)間，5件校直后，需回爐進(jìn)行校后回火保溫。

（2）井式爐加熱后立式淬火處理 仿照轉(zhuǎn)子等長(zhǎng)軸件立式加熱方式，需設(shè)計(jì)和制作專用掛具（約10t重），并在工件一端留500mm余量，加工吊裝孔穿銷子進(jìn)行吊掛，保持工件豎直，利用井式爐立式單件加熱。在筒形淬火槽中，實(shí)現(xiàn)立式淬火。回火在另一臺(tái)井式爐中進(jìn)行。

優(yōu)點(diǎn)：淬火過程安全，工件變形量很小，可以保證加工尺寸，無需增加校直工序。

缺點(diǎn)：①增加生產(chǎn)周期。因需單件裝爐，整個(gè)工藝周期是臺(tái)車爐的5倍。②能源消耗大。加熱時(shí)單件裝爐，附具重量和工件重量相同，總體能源消耗是臺(tái)車爐的3～5倍。③增加制作費(fèi)用。吊具設(shè)計(jì)和制作會(huì)增加成本，工件長(zhǎng)度方向留量過大（增加吊裝孔），加工工時(shí)增加。

2.新方案分析

根據(jù)生產(chǎn)此類產(chǎn)品時(shí)傳統(tǒng)工藝過程的弊端和局限性提出以下新方案：采用臺(tái)車爐5件同爐加熱，墊鐵高度500mm，間距1500mm。采用水冷處理（噴水+噴霧）。

淬火過程：將加熱后的工件用鏈子單件吊出爐，水平放置在預(yù)先制作的工字形鋼架上，使工件淬火過程中嚴(yán)格處于水平狀態(tài)，在鋼架兩側(cè)安裝噴霧裝置進(jìn)行噴水、噴霧淬火。

新方案采用臺(tái)車爐加熱，可以提高加熱效率，節(jié)省工藝周期，適合批量生產(chǎn)。整個(gè)淬火過程在200mm工字鋼的水平支撐架上進(jìn)行，防止了淬火過程中由于長(zhǎng)時(shí)間鏈子兩點(diǎn)起吊而引起的變形，且淬火過程安全可控。由于水冷工藝可有效地改善鍛件的綜合性能，降低ΔFATT值，具有無法替代的優(yōu)點(diǎn)，在不斷提高鍛件冶金質(zhì)量的前提下，國內(nèi)外都在重要的大鍛件上越來越多地采用水冷工藝。同時(shí)本方案后期結(jié)合噴霧冷卻，在保證硬度均勻的同時(shí)還可以防止淬火開裂。

3.工藝過程

（1）制作水平支撐架 使用200mm工字鋼制作支撐架，用兩根9m平行工字鋼，每隔1.5m焊一根1.5m工字鋼作橫梁，組成水平支撐面，在支撐面下方每隔3m有兩個(gè)工字鋼立柱作支撐。

（2）噴霧裝置 利用水管、風(fēng)管、閥門、專用噴霧噴嘴、防火水帶及供水泵等在支撐架兩側(cè)做成噴水系統(tǒng)。噴嘴間距200mm，噴嘴同時(shí)與水管和風(fēng)管相連，水管和風(fēng)管上安裝壓力表，通過閥門調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)水壓、風(fēng)壓控制。

（3）齒條冷態(tài)試噴 將工件冷態(tài)放到支撐架上，調(diào)整兩側(cè)噴嘴高度和位置，以及風(fēng)壓、水壓，使噴水噴霧達(dá)到最佳效果（見圖1）。

圖1 齒條噴淬示意

（4）執(zhí)行調(diào)質(zhì)熱處理工藝 齒條調(diào)質(zhì)熱處理工藝如圖2所示。

圖2 齒條調(diào)質(zhì)熱處理工藝

（5）硬度檢驗(yàn) 在齒條工作面進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，可見滿足硬度280～320HBW的要求。

表2 硬度檢驗(yàn) （HBW）

（6）調(diào)質(zhì)后齒條冷加工劃線檢驗(yàn) 彎曲量平均為12～18mm（即1.2～1.8mm/m）。尺寸檢驗(yàn)結(jié)果：滿足≤30mm粗加工留量尺寸。

（7）其他 此批齒條進(jìn)行半精加工、熱處理時(shí)效處理、精加工、包裝，最終順利交付用戶。

4.結(jié)語

（1）42CrMo齒條噴淬處理較油冷淬火可以在較低的回火溫度下獲得更好的性能，使工作面淬火均勻、應(yīng)力小，硬度均勻性好，容易得到更深的淬硬層。

（2）此噴淬工藝過程優(yōu)于傳統(tǒng)的浸油和浸水淬火，有效防止由于淬火初期蒸汽膜沒有被打破而引起淬不上火而使工件硬度偏低的現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)淬火較油冷省時(shí)、安全、環(huán)保，過程可控性強(qiáng)。

（3）鋼結(jié)構(gòu)架的采用，有效地防止了水浸和油浸淬火過程中工件上下竄動(dòng)和長(zhǎng)時(shí)間鏈子兩點(diǎn)懸吊引起的大的變形和扭曲。此淬火過程工件變形?。ǎ?mm/m），保證了下道工序機(jī)加工的順利進(jìn)行，減少熱校直工序，節(jié)省校直工時(shí)和校直前后工件在臺(tái)車爐中加熱的能源消耗。