大型環(huán)類鍛件雙介質(zhì)淬火的應(yīng)用研究

朱明飛

(中國第一重型機械集團公司股份公司，黑龍江161042)

我公司承制的電鏟產(chǎn)品中的滾圈鍛件為大型環(huán)類鍛件，產(chǎn)品材質(zhì)為PH130，鍛件外徑為?4 220 mm。按以往的生產(chǎn)模式，應(yīng)采用油冷或水淬油冷的方式進行調(diào)質(zhì)。由于產(chǎn)品直徑較大，采用公司現(xiàn)有設(shè)備無法進行油冷。若采用單純的水冷淬火，由于含碳量較高，鍛件容易在淬火的過程中發(fā)生開裂。故決定采用水空雙介質(zhì)淬火的方式完成鍛件的調(diào)質(zhì)任務(wù)。

1 滾圈的主要技術(shù)要求

滾圈鍛件粗加工尺寸為內(nèi)徑3 940 mm、外徑4 220 mm、高度165 mm，屬大型環(huán)形鍛件。鍛件要求調(diào)質(zhì)硬度為187～229 HBW，鍛件壁厚140 mm，鍛件鋼號為PH130。具體化學(xué)成分見表1。

表1 滾圈的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2 熱處理難點及措施

2.1 熱處理難點

鍛件為大型環(huán)類鍛件，壁厚相對較薄，鍛件高度較小直徑較大，含碳量較高，且有調(diào)質(zhì)硬度要求。由于滾圈鍛件直徑較大，以我單位現(xiàn)有設(shè)備無法對此類鍛件進行油冷處理，若采用常規(guī)水冷淬火則會面臨淬裂的風(fēng)險，且在調(diào)質(zhì)過程中極易發(fā)生變形。

2.2 措施

(1)防止鍛件開裂：在淬火過程中鍛件表面和心部冷卻速度不一致，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，內(nèi)外溫差越大，則熱應(yīng)力越大。鍛件在淬火過程中表面和心部發(fā)生相變的先后順序不一樣，由于相變伴隨著體積變化，則在淬火過程中也會產(chǎn)生組織應(yīng)力。在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的影響下，鍛件會發(fā)生一定程度的變形，甚至開裂。由于含碳量較高的鍛件塑韌性較差，在調(diào)質(zhì)過程中開裂的風(fēng)險更大，所以很多鍛件都采用空冷或者油冷的方式進行冷卻。若要采用水冷的方式進行淬火，則需要盡力減小淬火過程中的應(yīng)力，若能減小鍛件的內(nèi)外溫差，則可減小鍛件的熱應(yīng)力。同時還要保證鍛件的冷卻速度，盡可能獲得更好的淬火效果。鍛件入水后，表面溫度會急劇下降，鍛件心部溫度下降緩慢，鍛件內(nèi)外溫差會越來越大。若在水冷一段時間后再空冷，由于心部溫度較高，鍛件的表面溫度會上升，內(nèi)外溫差逐漸減小。如此反復(fù)進行，可使鍛件內(nèi)外溫差維持在安全范圍之內(nèi)，防止鍛件調(diào)質(zhì)時因應(yīng)力過大而開裂。

(2)防止熱處理變形：在保證熱處理硬度的前提下，適當(dāng)增大工件的熱處理余量，尤其是內(nèi)控的熱處理余量；采用三件滾圈合鍛的方案，增加鍛件高度，調(diào)質(zhì)后再機加工分開，以此來防止鍛件調(diào)質(zhì)變形。

3 熱處理工藝制定

滾圈調(diào)質(zhì)采用水-空雙介質(zhì)冷卻方式。

3.1 冷卻時間選擇

鍛件首次入水時表面溫度會迅速下降，并產(chǎn)生相變，首次入水后冷卻至表面完成相變且溫度低于最終回火溫度為宜。從圖1可以看出，鍛件入水3 min后表面溫度在450℃左右，心部降溫至800℃，內(nèi)外溫差較大。若水冷4 min以上，鍛件表面溫度就會下降至400℃以下，進入冷硬溫度范圍，淬裂危險性也增加了。

完成首次入水后立即出水空冷。由于心部溫度較高，表面溫度會因返熱而上升，初步估測出水3 min后鍛件內(nèi)外溫差減小，表面返溫速度會減小，但考慮到生產(chǎn)現(xiàn)場綜合因素的不確定性，初步制定第一次出水空冷時間為3 min，并在現(xiàn)場用紅外測溫儀監(jiān)測根據(jù)實際情況調(diào)控空冷時間。

第二次入水時，以心部完成相變?yōu)橐?，考慮到首次入水3 min，二次入水時間同樣為3 min則累積水冷實際為6 min，鍛件心部溫度預(yù)計將降至600℃左右，該溫度已經(jīng)在相變溫度點以下。然后出水空冷，減小鍛件內(nèi)外溫差。

圖1 直徑200 mm的37MnSi鋼件水冷冷卻曲線Figure 1 Water cooling curve of 37MnSi steel with diameter 200 mm

圖2 熱處理工藝曲線Figure 2 Heat treatment process curve

空冷3 min后，鍛件經(jīng)過兩次水冷間隙冷卻，內(nèi)外溫差已經(jīng)很小，且水溫已升高到80℃左右，可以考慮水冷時間長些，確保鍛件組織轉(zhuǎn)變充分。

3.2 回火溫度

鍛件要求硬度為220～260 HBW，考慮水空間隙冷卻效果不如水冷效果，故將回火溫度初步定為550℃，若硬度超上限則補充回火即可。最終熱處理工藝方案如圖2所示。

4 實際效果

在執(zhí)行間隙淬火工藝時，實際的測溫結(jié)果與預(yù)期結(jié)果基本一致，參數(shù)變化不大。調(diào)質(zhì)工藝執(zhí)行完畢后，選擇鍛件上、下端面各打磨8個點進行硬度檢測，結(jié)果均在240～260 HBW之間，達到了圖紙要求的硬度指標(biāo)。在后續(xù)尺寸交檢時，鍛件形狀尺寸均合格，未發(fā)生明顯的變形，鍛件合格發(fā)出。

5 結(jié)論

通過水空間隙淬火的方法對含碳量較高的大型環(huán)類鍛件進行調(diào)質(zhì)是可行的，通過鍛一取二的方法可以有效的防止環(huán)類鍛件調(diào)質(zhì)變形。水空間隙淬火的實際淬火效果稍優(yōu)于油冷淬火效果。鍛件的實際冷卻參數(shù)可根據(jù)相應(yīng)截面積的冷卻曲線結(jié)合現(xiàn)場實際情況確定。