淬火冷卻工藝對(duì)42CrMo4風(fēng)機(jī)主軸組織及力學(xué)性能的影響

■ 楊開彬，時(shí)樂智，程 林，馬相彬

淬火作為一種重要的熱處理工藝，是為了得到馬氏體或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的綜合力學(xué)性能，從而滿足工件的使用要求。然而，考慮到淬火過程中工件內(nèi)外溫度差、組織轉(zhuǎn)變不均勻等因素的相互作用，在實(shí)際生產(chǎn)中，大尺寸軸類工件經(jīng)淬火后往往會(huì)出現(xiàn)水淬易開裂、油淬性能難滿足要求等一系列的問題。

針對(duì)此類問題，近年來不少學(xué)者對(duì)淬火冷卻工藝進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐，提出了控時(shí)淬火冷卻、強(qiáng)烈淬火等技術(shù)，有效解決了大尺寸軸類工件的淬火難題。

目前，隨著大功率風(fēng)電機(jī)組開發(fā)速度的日益加快，大尺寸、高性能成為風(fēng)機(jī)主軸的基本要求，采用油或水溶性液體作為淬火冷卻介質(zhì)將難以滿足主軸的性能要求，采用水作為淬火冷卻介質(zhì)又面臨主軸開裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，既要保證足夠的淬硬層深度，滿足主軸的性能要求，又要避免因淬火應(yīng)力過大導(dǎo)致工件開裂，為此我們對(duì)42CrMo4風(fēng)機(jī)主軸的淬火冷卻工藝進(jìn)行了分析和優(yōu)化。

1. 主軸材料和性能要求

風(fēng)機(jī)主軸是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的重要部件，為大型軸類鍛件，我公司承制了一批材質(zhì)為42CrMo4合金鋼的風(fēng)機(jī)主軸，其化學(xué)成分如表1所示。性能要求：Rm≥820MPa，Rp≥640MPa，Akv2（-20℃）≥30J。性能測(cè)試試樣取自風(fēng)機(jī)主軸小軸端皮下30mm。

2. 主軸熱處理工藝參數(shù)和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用10支同批次冶煉的鋼錠，經(jīng)檢驗(yàn)其化學(xué)成分、夾雜物等級(jí)基本一致，將其隨機(jī)分為A、B兩組，每組5支，所有鋼錠經(jīng)鍛造、粗加工后對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。A、B兩組試驗(yàn)材料采用調(diào)質(zhì)處理工藝曲線如圖1所示，兩組材料調(diào)質(zhì)過程中的升溫速率、加熱溫度、保溫時(shí)間均一致，A組采用完全水冷，B組采用空冷+水冷交替淬火。調(diào)質(zhì)完成后對(duì)每支主軸進(jìn)行超聲波無損檢測(cè)，無損檢測(cè)完成后按取樣位置要求進(jìn)行取樣分析測(cè)試。采用金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織；采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的力學(xué)性能，其中低溫沖擊性能測(cè)試溫度為-20℃，試樣尺寸為55mm×10mm×10mm，V形槽為45°，2mm深并帶有0.25mm半徑，每支主軸取三組沖擊試樣，性能數(shù)據(jù)取平均值。

3. 試驗(yàn)結(jié)果及分析

A、B兩組主軸經(jīng)上述調(diào)質(zhì)工藝處理后進(jìn)行超聲波無損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)5支采用完全水冷（A組）的主軸中1支在內(nèi)孔表面出現(xiàn)了淬火裂紋，采用空冷+水冷交替淬火冷卻（B組）的主軸未發(fā)現(xiàn)淬火裂紋。

圖1 A、B兩組主軸的調(diào)質(zhì)處理工藝曲線

圖2 兩組風(fēng)機(jī)主軸調(diào)質(zhì)后的金相組織

圖3 兩組風(fēng)機(jī)主軸調(diào)質(zhì)后的晶粒度圖像

表1 42CrMo4鋼的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（1）金相組織與晶粒度分析 圖2為兩組風(fēng)機(jī)主軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的金相組織圖像。從圖中可以看出，圖2a、2b中風(fēng)機(jī)主軸調(diào)質(zhì)后的室溫組織均為回火索氏體，對(duì)比可知，圖2b中晶粒尺寸細(xì)小，組織分布更為均勻。

圖3為兩組風(fēng)機(jī)主軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的晶粒度圖像。從圖中可以看出，圖3a、3b中晶粒度等級(jí)均為7.5級(jí)。

（2）性能分析 A、B兩組風(fēng)機(jī)主軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的各項(xiàng)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，經(jīng)全水冷（A組）和空冷+水冷（B組）淬火冷卻工藝處理后的主軸各項(xiàng)力學(xué)性能均符合技術(shù)要求，A組抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度數(shù)值稍高，B組—20 ℃的沖擊吸收能量指標(biāo)優(yōu)于A組，整體而言，兩組主軸各項(xiàng)性能數(shù)值非常接近。

對(duì)空冷+水冷淬火冷卻工藝進(jìn)行分析，該工藝?yán)碚撋峡梢苑譃閮蓚€(gè)階段，第一階段為空冷階段，第二階段為水-空交替淬火冷卻階段。在主軸出爐后采取空冷的方式進(jìn)行緩慢冷卻，直到工件表面冷卻到Ar1以上或以下的某一溫度區(qū)間，顯著減少了主軸的熱容量，加速了第二階段的冷卻效果；在水冷-空冷交替淬火冷卻階段，采用快冷（水冷）與慢冷（空冷）交替的方式進(jìn)行，主軸在第一次水淬過程中，其表層快冷到Ms點(diǎn)以下某一溫度并保持一定時(shí)間后，在表層獲得部分馬氏體組織，隨后將主軸提離水面進(jìn)行空冷，在此過程中，主軸次表層的熱量傳向表層，使表層的溫度升高，結(jié)果是表層剛剛轉(zhuǎn)變的馬氏體組織發(fā)生自回火，從而使表層的韌性和應(yīng)力狀態(tài)得到改善，避免了表層馬氏體組織產(chǎn)生開裂；然后再重復(fù)水冷+空冷的交替淬火冷卻，直到主軸組織達(dá)到要求，完成第二階段淬火冷卻。

綜上所述，在調(diào)質(zhì)過程中采用完全水冷和空冷+水冷交替淬火冷卻工藝得到的主軸室溫組織均為回火索氏體，晶粒度均為7.5級(jí)，力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求，但是，采用空冷+水冷交替淬火冷卻工藝可以有效避免淬火裂紋的產(chǎn)生，提高主軸質(zhì)量，降低有效成本。

表2 A、B兩組風(fēng)機(jī)主軸的力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)

4. 結(jié)語

（1）空冷+水冷交替淬火冷卻工藝可以用于42CrMo4風(fēng)機(jī)主軸的淬火冷卻。

（2）采用空冷+水冷交替淬火冷卻工藝可以達(dá)到與完全水冷相同的組織結(jié)構(gòu)和相似的力學(xué)性能，滿足主軸的技術(shù)要求，同時(shí)避免了完全水冷易產(chǎn)生裂紋的問題。

[1] 關(guān)曉燕，周澍，陳乃錄.42CrMo4鋼軸類件控時(shí)淬火冷卻工藝的設(shè)計(jì)[J].材料熱處理技術(shù)，2009，38（24）：164-166.

[2] 管敏超，李振華，左訓(xùn)偉.42CrMo鋼大直徑長(zhǎng)軸件的淬火冷卻工藝[J].金屬熱處理，2015，40（1）：74-78.

[3] Andrew M，F(xiàn)reborg B，Lynn Ferguson, et al. Intensive quenching theory and application for imparting high residual surface compressive stresses in pressure vessel components[J]. Journal of Pressure Vessel Technology Transactions of the ASME，2003，125（2）：188-194.

[4] 樊東黎.強(qiáng)烈淬火——一種新的強(qiáng)化鋼的熱處理方法[J].熱處理，2005（04）：1-3.

[5] 王之香.大功率海上風(fēng)電主軸軸承用鋼生產(chǎn)工藝實(shí)踐[J].金屬材料與冶金工程，2012，40（6）：23-25.