30Cr2Ni2Mo鋼曲軸的熱處理

劉澎濤 劉東海 高文明

(中國第一重型機械股份公司軋輥電站事業(yè)部技術質量部熱工科，黑龍江161042)

對于大截面尺寸的30Cr2Ni2Mo鋼鍛件，通過調整適當的合金含量、嚴格控制煉鋼工藝、選取適中的鍛造比、并且通過合理的性能熱處理工藝，可以滿足同尺寸高合金鋼鍛件的性能指標要求。

一重集團公司為某廠生產的曲軸，由于在工作過程中需要承受很大的壓力和反復沖擊，所以此工件對硬度，尤其對沖擊韌性有比較高的要求，而且超聲檢測須滿足JB/T5000.15—2007 Ⅱ級，對鍛件的內部質量要求也很嚴格。曲軸選用的材料是30Cr2Ni2Mo鋼，其化學成分及力學性能要求如表1和表2所示。

雖然油冷有助于提高強度和沖擊韌性，且不容易淬裂，但是此鍛件結構復雜，尺寸比較大(粗加工后重量為46 286 kg)，長度比較長(粗加工后約6 875 mm)，調質采用油冷卻時散熱面很大(粗加工后軸身直徑為?1 494 mm)，淬火油容易著火?；谝陨显?，我們考慮采用水-空-水的冷卻方法.但是水-空-水冷卻對鍛件的內部質量、化學成分以及防止熱處理變形均提出了很高的要求。

1 熱處理參數的確定及采取的措施

1.1 裝爐方式

選用長度為5 400 m的長料盤，將曲軸的一個平面(其它面均不平整)與料盤接觸，間隙大的地方用墊塊墊穩(wěn)、墊實。吊裝時吊起料盤，有效防止了因為高溫時直接吊裝工件而引起的工件變形。

表1 30Cr2Ni2Mo鋼化學成分(質量分數，%)Table 1 The chemical composition of 30Cr2Ni2Mo steel (mass fraction，%)

表2 曲軸力學性能要求Table 2 The mechanical property requirements of the crankshaft

1.2 化學成分控制及鋼的冶煉方式

在保證屈服強度合格的情況下，應盡可能提高材料的沖擊韌性，同時還要減小水冷淬火的淬裂傾向。根據合金元素的特點，我們對鍛件化學成分進行如下調整。

嚴格控制[H]、S、P的含量，[H]≤2×10-6，S、P均控制在0.005以下。C、Cr、Mo按技術條件要求的下限進行控制。煉鋼方式采用VD+LB3(精煉加熱真空脫氣+真空鑄錠中間包芯桿吹氬)，以減少有害元素的殘留并獲得較低的[H]含量從而提高鍛件冶金質量，提高鍛件超聲檢測的合格率。

1.3 調質工藝的確定

(1)鍛件入爐溫度控制在400～450℃并保持5 h。

(2)鍛件入爐保溫完成后升溫速度控制在40℃/h。

(3)為了減少鍛件內外溫差，防止熱應力的影響使鍛件內部的顯微裂紋擴展，我們采用中間保持，溫度控制在650～700℃。采用此溫度進行中間保持還可以減少高溫的保溫時間，從而減小工件的氧化脫碳，降低晶粒長大的趨向。

(4)中間保持后進行速度升溫。由于此時鍛件心部處于塑性狀態(tài)，所以升溫速度可以加快。升溫速度控制在60℃/h。

(5)待工件升溫到820℃±50℃時進行保溫。保溫時間按每100 mm保溫0.6 h～0.8 h進行計算。

(6)水冷時間按每100 mm冷卻3 min～4 min計算，結果約等于50 min～60 min。60 min分成3次執(zhí)行，水冷15 min后吊出鍛件進行空冷5 min，防止冷卻速度過快引起工件的斷裂，再次入水10 min后吊出鍛件空冷3 min，最后水冷40 min，要求水溫≥15℃。

(7)回火溫度采用530℃±50℃。為了保證回火溫度的準確性，我們在工件的頭、中、尾各敷了一支熱電偶，要求保溫以偶溫為準。工藝曲線如圖1所示。

圖1 曲軸調質工藝曲線Figure 1 The curve of quenching and tempering process of the crankshaft

2 檢驗

2.1 超聲檢測

該曲軸經粗加工后進行超聲檢測，按JB/T 5000.15—2007 Ⅱ級驗收沒有發(fā)現(xiàn)超標缺陷，說明冶煉、鍛造保證了鍛件內部質量。

2.2 曲軸經過熱處理后，取性能試料進行了化學成分分析、金相分析和力學性能檢驗。

(1)化學成分分析

在拉伸性能試料余料上取樣進行成品化學分析，結果如表3所示。

(2)淬火冷卻效果

淬火冷卻過程中，在每次出水空冷間隙都對工件表面進行測溫，最后工件出水空冷5 min后對工件表面測溫結果是軸頸200℃左右，軸身280℃左右，而且溫度變化比較平穩(wěn)，說明冷卻符合工藝的預期效果。

(3)力學性能試驗

按照規(guī)定，做一個拉伸試驗和兩個沖擊試驗，試驗結果如表4所示。

(4)金相試驗

金相檢驗進行了晶粒度、夾雜物和熱處理組織的檢測，檢測結果如表5所示。

表3 曲軸化學成分成品分析(質量分數，%)Table 3 Product analysis of the crankshaft chemical composition (mass fraction，%)

表4 曲軸熱處理性能檢驗結果Table 4 Test results of the crankshaft heat treatment properties

表5 曲軸金相檢驗結果Table 5 The results of the crankshaft metallographic test

3 結論

曲軸形狀復雜，技術要求比較高，我們通過采取一系列措施，按水-空-水的熱處理方法，使工件力學性能達到了技術要求，從而解決了調質容易變形的難題。此次工件的成功熱處理，對于30Cr2Ni2Mo鋼大截面尺寸的鍛件熱處理，尤其是采用水冷的淬火冷卻方式做了有益的探索。

[1] 康大韜，葉國斌，等. 大型鍛件材料及熱處理. 龍門書局，1998：513-557.