9Cr2Mo鋼矯直機(jī)空心輥“差溫淬火”熱處理工藝研究

文/王敬偉，于慎君，石如星·中信重工機(jī)械股份有限公司材料研究所

矯直機(jī)空心輥工作表面為曲面且截面尺寸變化較大，無法實(shí)現(xiàn)曲面感應(yīng)加熱淬火，通過優(yōu)化熱處理方案，制定新的熱處理工藝，通過CAE軟件進(jìn)行有限元分析，結(jié)果可滿足要求。

我廠承制了2件材質(zhì)為9Cr2Mo的矯直機(jī)空心輥，單重2800kg，該矯直輥用于某公司管材矯直機(jī)設(shè)備。管件軋制后表面光潔度和直線度等相對較差，通過矯直，可獲得符合要求的軋制管件，該過程對矯直輥表面光潔度、耐磨性、管件的矯直精度等有很高的要求，故矯直輥工作面需要有較高的硬度，且應(yīng)具有足夠的硬化層深度。常規(guī)矯直輥有兩種結(jié)構(gòu)，一是實(shí)心輥，輥身與軸一體鍛造成形；二是空心輥，輥身與軸可采用不同材質(zhì)，分體制造，空心輥需與軸過盈裝配。本次我廠承制的空心輥要求工作表面硬度≥57HRC，且要求有一定的硬化層深度，其關(guān)鍵尺寸如圖1所示。

從圖1中可以看出空心輥工作表面為曲面且截面尺寸變化較大，最大壁厚220mm左右，最小壁厚135mm，比以往生產(chǎn)的空心輥尺寸偏大（原來生產(chǎn)過的矯直機(jī)空心輥?zhàn)畲蟊诤?17mm，最小壁厚95mm），端面環(huán)槽熱處理開裂風(fēng)險極大。依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及我廠現(xiàn)有設(shè)備條件，該空心輥無法實(shí)現(xiàn)曲面感應(yīng)加熱淬火，由此我們考慮采用常規(guī)設(shè)備整體加熱、整體淬火的方式。依據(jù)該工藝方法的特點(diǎn)，我們將其命名為“差溫淬火”工藝，該工藝方法與傳統(tǒng)支承輥的差溫淬火工藝相似，屬于對支承輥差溫淬火工藝概念的思路創(chuàng)新。本文所述的“差溫”是一種利用常規(guī)加熱設(shè)備快速升溫的加熱方式，屬于非透熱加熱，而所謂“差溫淬火”是通過這種非透熱加熱實(shí)現(xiàn)的一種淬火熱處理方法。

圖1 矯直機(jī)空心輥關(guān)鍵尺寸示意圖

表1 9Cr2Mo材料化學(xué)成分（%）

“差溫淬火”熱處理工藝的確定

材料特性

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6401-1992，9Cr2Mo材料的化學(xué)成分如表1所示：

材料臨界點(diǎn)溫度

查得9Cr2Mo材料臨界點(diǎn)溫度為Ac1=760℃，Acm= 810℃。

熱處理工藝方法探究

有關(guān)專家通過空心雙曲線冷軋輥?zhàn)罱K熱處理在生產(chǎn)中的探索，確定了常規(guī)加熱，特制工裝封堵內(nèi)孔，然后整體淬火的熱處理方式。我們針對此工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并提出了矯直機(jī)空心輥“差溫淬火”工藝方案。

⑴加熱方式的確定。

為保證空心輥在最終熱處理后的表面獲得較高的硬度和耐磨性，應(yīng)合理地選擇加熱溫度及保溫時間使表面下一定深度內(nèi)的碳化物充分溶于奧氏體。從工藝實(shí)現(xiàn)角度講，采用感應(yīng)加熱迅速使得輥身表面溫度加熱至臨界點(diǎn)溫度以上，然后進(jìn)行冷卻最為合理，但該方法不適用于重量大且變截面工件的加熱，需通過創(chuàng)新操作來實(shí)現(xiàn)，在此我們采用的是常規(guī)加熱設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對工件的快速升溫。依據(jù)9Cr2Mo的臨界點(diǎn)溫度810℃，將矯直機(jī)空心輥的奧氏體化溫度定為860～880℃，加熱時間按相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。

⑵冷卻方式的確定。

若矯直機(jī)空心輥采用感應(yīng)加熱，只能加熱輥身工作面，而無法加熱內(nèi)孔，因此在加熱階段感應(yīng)加熱表面受軸向熱壓應(yīng)力，而內(nèi)孔則因外表面的受熱伸長而受軸向拉應(yīng)力，冷卻時則相反，加熱后的表面在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的拉壓交變應(yīng)力作用下，存在較大的淬火開裂風(fēng)險。因此，空心輥加熱時，內(nèi)孔應(yīng)有一定的升溫速度，而淬火時內(nèi)孔也應(yīng)有一定的冷卻速度，以平衡熱應(yīng)力和組織應(yīng)力帶來的交變作用，降低淬火應(yīng)力并改善應(yīng)力的分布狀況，減少開裂的風(fēng)險。但內(nèi)孔加熱溫度不能過高（淬火前溫度盡量不高于臨界溫度），也不能冷卻太快，防止影響后續(xù)的加工和裝配。在內(nèi)孔既需要加熱又需要冷卻的要求下，我們放棄了內(nèi)孔封堵的方案，僅對端面環(huán)槽進(jìn)行了簡單防護(hù)。

通常認(rèn)為，冷卻時高溫階段快冷，低溫階段緩冷，其中高溫階段快速冷卻可迅速通過C曲線鼻尖，可有效防止先析出相的析出，進(jìn)而控制非馬氏體組織對空心輥工作表面組織的影響，而低溫階段緩冷可有效控制組織轉(zhuǎn)變所帶來的淬裂風(fēng)險，因此，鑒于我廠各種加熱及冷卻設(shè)備條件，我們采用水和油的“雙液淬火”方式獲得適宜的冷卻速度，達(dá)到了最佳的冷卻效果。最終控制空心輥冷卻溫度不高于回火溫度，但又不能過低，因?yàn)榇慊鸷蟠嬖诖罅康臍堄鄪W氏體，基體溫度過低，存在開裂風(fēng)險。

⑶回火方式的確定。

由于9Cr2Mo材料含碳量及合金含量均較高，淬火后含有大量的殘余奧氏體，回火過程部分殘余奧氏體會繼續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)變，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變后的馬氏體組織是不穩(wěn)定的，仍然存在開裂風(fēng)險。因此在回火時間上需要足夠長，以使得組織獲得充分的轉(zhuǎn)變，同時熱處理過程的熱應(yīng)力及組織應(yīng)力獲得充分的釋放，鑒于矯直機(jī)空心輥高硬度的技術(shù)要求，工件表面需獲得回火馬氏體組織+少量殘余奧氏體，為此我們將回火溫度確定為180～200℃之間，而空心輥淬火冷卻后的基體溫度應(yīng)低于該溫度，若否，則空心輥在降溫階段容易產(chǎn)生自回火現(xiàn)象，不利于最終熱處理組織和硬度的控制。因此我們將淬火冷卻溫度控制在100～180℃之間。其保溫時間依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定為20～35h，回火次數(shù)按兩次執(zhí)行，首次回火結(jié)束后，空心輥需冷卻至室溫，然后再進(jìn)行第二次回火。

圖2“差溫”熱處理工藝曲線

⑷矯直機(jī)空心輥“差溫淬火”工藝。

由上述加熱、冷卻及回火溫度及相關(guān)參數(shù)確定內(nèi)容，制定矯直機(jī)空心輥“差溫淬火”熱處理工藝如圖2所示。

數(shù)值模擬分析

為驗(yàn)證“差溫淬火”熱處理方式的合理性，且為適應(yīng)我廠設(shè)備，我們專門進(jìn)行了CAE分析。按上述工藝進(jìn)行加熱模擬，加熱溫度場云圖和組織云圖如圖3所示。

圖3 “差溫加熱”溫度場云圖及淬火后馬氏體組織云圖

從圖3可以看出，輥身有一定深度的表面已加熱到奧氏體化溫度，并具備淬火條件，而按此淬火后，輥身表面可獲得深度約9.8mm的淬硬層，該硬化層深度可滿足矯直機(jī)空心輥的技術(shù)及工藝要求。

“差溫淬火”熱處理工藝的執(zhí)行

按上述工藝執(zhí)行，順利實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的熱處理及后續(xù)的加工與熱裝如圖4、圖5所示。

圖4 矯直機(jī)空心輥“差溫?zé)崽幚怼背鰻t

圖5 矯直輥裝配后實(shí)物圖

結(jié)論

⑴通過上述工藝的實(shí)施，矯直機(jī)空心輥輥身表面硬度達(dá)到58～60HRC。

⑵通過內(nèi)孔留量，有效控制了內(nèi)孔硬度，內(nèi)孔經(jīng)加工后硬度達(dá)到30～35HRC，完全符合后續(xù)的熱裝要求。

⑶本次矯直機(jī)空心輥的熱處理，優(yōu)化了我廠同類產(chǎn)品的熱處理工藝，降低了生產(chǎn)成本，簡化了操作。

⑷本次2件矯直機(jī)空心輥合格率100%，熱處理過程無異常。

⑸本次矯直機(jī)空心輥的“差溫淬火”熱處理，為后續(xù)同類產(chǎn)品的生產(chǎn)拓展了思路。