42CrMo在軌道交通關(guān)鍵零部件的熱處理工藝

中國南車戚墅堰機(jī)車有限公司 （江蘇 213011） 李 麗

我公司開發(fā)研制并具有自主知識產(chǎn)權(quán)的時速為180km的280系列內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)的精密螺栓、曲軸、連桿等關(guān)鍵零部件的材料主要選用42CrMo鋼。因為柴油機(jī)關(guān)鍵零部件的工作狀況非常惡劣，所以材料的選用、熱處理、試驗數(shù)據(jù)的應(yīng)用非常慎重。42CrMo鋼常規(guī)熱處理工藝是將淬火和高溫回火合在一起進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，淬火時將鋼加熱到高溫奧氏體狀態(tài)，保溫一段時間后快速冷卻下來，得到高硬度馬氏體組織，再進(jìn)行高溫回火，即加熱到500～650℃，保溫后出爐自然冷卻，其目的是為了獲得較高的強(qiáng)度和韌性等相匹配的綜合力學(xué)性能。

1.42CrMo材料應(yīng)用

從表1中42CrMo的化學(xué)成分及臨界溫度可以看到，42CrMo鋼屬于亞共析鋼，緩冷到室溫的組織是珠光體+鐵素體。從鋼的分類來看，42CrMo鋼屬調(diào)質(zhì)鋼，其中，Cr元素可以提高淬透性，Mo元素可防止回火脆性。42CrMo材料調(diào)質(zhì)后具有一定的硬度、強(qiáng)度和韌性，適合連桿在高速運(yùn)行時的拉力，主軸旋轉(zhuǎn)時多角度受到的剪切力和精密螺栓拉力等的材料特性。故認(rèn)為42CrMo材料完全符合柴油機(jī)工況的應(yīng)用。圖1、圖2為使用42CrMo材料制造的產(chǎn)品。

（1）淬火加熱溫度 42CrMo鋼屬于亞共析鋼，淬火溫度選擇Ac3以上30～50℃，在此溫度下可獲得全部為細(xì)晶粒的奧氏體組織，淬火后能得到全部為細(xì)晶粒的馬氏體組織，如果加熱溫度過高，則會引起奧氏體晶粒的長大，淬火后得到粗晶粒的馬氏體組織，韌性變差。如果加熱溫度過低，在Ac1、Ac3之間則有部分鐵素體未能溶入到奧氏體中，淬火后組織中除了馬氏體，還有柔軟的鐵素體，淬火就達(dá)不到所要求的硬度。

表1 42CrMo的化學(xué)成分及臨界溫度

圖1 連桿

圖2 平衡塊螺釘

（2）淬火加熱時間 加熱的主要目的是為了使工件整個截面都能夠熱透，不但表面，而且中心也能達(dá)到淬火加熱溫度。熱量由表面?zhèn)鞯街行男枰欢螘r間，因此要有保溫過程，時間不能太短，否則組織轉(zhuǎn)變不完全，保溫時間太長，會使奧氏體晶粒粗大。在實際操作過程中加熱時間=加熱系數(shù)×工件裝爐系數(shù)（1.5）×工件有效厚度。

（3）淬火冷卻介質(zhì) 要選擇合適的淬火冷卻介質(zhì)，否則在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用下，會引起變形和開裂。理想的淬火冷卻介質(zhì)應(yīng)具備的條件是既能淬成馬氏體，又不致引起太大的淬火應(yīng)力。這就要求在奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的鼻子以上溫度緩冷，以減小急冷所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，在鼻子處具有保證奧氏體不發(fā)生分解的冷卻速度，而在馬氏體轉(zhuǎn)變時，即在Ms點(diǎn)以下時，冷卻速度盡量小，以減少組織轉(zhuǎn)變的應(yīng)力。本文主要采用油冷方式。

（4）回火加熱溫度 工件經(jīng)淬火后，一般都要進(jìn)行回火。這是因為淬火后得到的馬氏體性能很脆，并存在較大的內(nèi)應(yīng)力，如不及時回火，時間久了有可能引起工件發(fā)生開裂。回火就是將淬火后的工件重新加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一段時間，然后取出工件以一定的冷卻方式冷卻下來。回火的主要目的：降低脆性，消除內(nèi)應(yīng)力，使淬火組織趨于穩(wěn)定；使工件獲得滿意的綜合力學(xué)性能。調(diào)質(zhì)回火后主要得到回火索氏體組織，是顆粒狀滲碳體和鐵素體組成的機(jī)械混合物，具有良好的綜合力學(xué)性能?；鼗饻囟鹊倪x擇是回火操作中很重要的環(huán)節(jié)。若回火溫度過低，回火后的硬度就會偏高，這時要再回火一次。如果回火溫度過高，回火后的硬度就會偏低，此時要重新淬火。

（5）回火加熱時間 回火加熱時間=加熱系數(shù)（3）×工件裝爐系數(shù)×工件有效厚度。我公司的回火工藝采用空冷的冷卻方式。

2.試驗過程

（1）水平螺栓 以公司產(chǎn)品水平螺栓調(diào)質(zhì)要求在260～300HBW的工藝試驗為例。

淬火工藝的制訂：確定加熱溫度810～830℃，加熱時間=1.2×1.5×31=55.8min，故采用60min，冷卻方式為油冷。實際生產(chǎn)過程中，淬火溫度高點(diǎn)，一般在（860±10）℃，這樣使得加熱時間變短，即珠光體和鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體快一點(diǎn)，工件熱透，防止出現(xiàn)欠熱的現(xiàn)象。但溫度不宜太高，否則會使晶粒粗大，獲得的馬氏體也粗大，使鋼變脆。采用較低溫度淬火，主要是防止變形，但容易出現(xiàn)欠熱的情況，即工件很難達(dá)到完全奧氏體化。圖3為水平螺栓淬火工藝曲線。淬火后自檢硬度為45HRC、45HRC、46HRC。

圖3 水平螺栓淬火曲線

回火工藝的制訂：根據(jù)淬火后硬度確定回火工藝參數(shù)，回火溫度590℃，回火加熱時間=加熱系數(shù)（3.0）×工件有效厚度（31mm）×裝爐系數(shù)（1.2）=111.6，取120min，冷卻方式為空冷，圖4為水平螺栓淬火、回火曲線?；鼗鸷笞詸z硬度為28HRC、29HRC、30HRC，符合產(chǎn)品技術(shù)要求。

圖4 水平螺栓淬回火曲線

（2）輸入軸 輸入軸調(diào)質(zhì)要求為240～280HBW。調(diào)質(zhì)熱處理工藝見圖5，淬火溫度為860℃，淬火加熱時間為=1.2×1.5×143=257.4min，故采用260min，冷卻方式為油冷?；鼗饻囟?00℃，保溫時間=加熱系數(shù)（3.0）×工件有效厚度（143mm）×裝爐系數(shù)（1.2）≈520min，冷卻方式為空冷。調(diào)質(zhì)后自檢硬度為25HRC、26HRC、27HRC，符合產(chǎn)品技術(shù)要求。

圖5 輸入軸淬回火曲線

（3）螺栓 螺栓調(diào)質(zhì)技術(shù)要求為硬度280～320HBW。此工藝可以根據(jù)調(diào)質(zhì)要求在240～280HBW的調(diào)質(zhì)工藝制訂中推測出，一般情況下，硬度要求低些，回火溫度偏高些，硬度要求高些，回火溫度低些。螺栓硬度要求比水平螺栓高些，故回火溫度可以適當(dāng)?shù)托捎?80℃回火，調(diào)質(zhì)后自檢硬度為30HRC、31HRC、31HRC，符合產(chǎn)品技術(shù)要求。

（4）氣缸蓋螺栓 氣缸蓋螺栓技術(shù)要求為280～320HBW、Rm≥1080MPa、Rp0.2≥930MPa、A≥12%、Z≥45%、aK≥78.4J/cm2。此類產(chǎn)品我們主要以自檢硬度為主線，只要回火后硬度在技術(shù)要求范圍內(nèi)，便可以送上一級檢測中心進(jìn)一步作性能檢測。正常情況下，力學(xué)性能完全合格。

3.結(jié)語

在這幾種常見不同技術(shù)要求的工藝試驗下，42CrMo鋼調(diào)質(zhì)后都獲得了所要求的硬度，調(diào)質(zhì)后得到回火索氏體組織，具有良好的綜合力學(xué)性能。

（20130728）