利用亞溫淬火解決大型中間軸55#鍛鋼粗晶問題

張 丹 馮 敬 曹 華 李 其 侯少欽

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

55#中間軸鍛鋼是二重為國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的軋機(jī)電機(jī)傳動部分的關(guān)鍵零件。該零件用于傳遞動力，工作時，受到較大的扭矩力。因此，中間軸的超聲檢測和力學(xué)性能要求較高。在生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)超聲檢測雜波較高，晶粒粗大，影響檢測的判定。

本文研究了55#中間軸鍛鋼產(chǎn)生粗晶的原因，通過熱處理工藝優(yōu)化，解決了超聲波探傷雜波問題。

1 技術(shù)要求及制造工藝

1.1 超聲檢測要求

超聲檢測驗(yàn)收要求起始靈敏度為?1.6 mm，不允許有當(dāng)量直徑≥?3.0 mm的缺陷，底波衰減不允許≥3dB，軸表面至130 mm范圍內(nèi)部允許存在環(huán)狀和帶狀缺陷。

1.2 制造工藝

55#中間軸經(jīng)真空澆注方式獲得鋼錠，再由水壓機(jī)鍛造成型，其次在臺式熱處理設(shè)備上進(jìn)行性能熱處理。中間軸的化學(xué)成分見表1。

性能熱處理工藝見圖1。性能熱處理后，按圖2所示對中間軸進(jìn)行超聲檢測，檢測結(jié)果表明，共建衰減較重，A、E兩段心部雜波達(dá)的?2 mm以上，B、C、D段心部雜波達(dá)?1.6 mm。無法滿足超聲檢測起始靈敏度?1.6 mm的要求。

表1 中間軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of intermediate shaft (mass fraction, %)

2 試驗(yàn)方法及解決措施

2.1 組織轉(zhuǎn)變模擬

利用JmatPro軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，得到55#鋼的熱處理連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。大鍛件正火后，心部溫度難以在半個小時以內(nèi)冷卻到600℃以下，因此，從曲線上分析，會獲得先共析鐵素體+珠光體的組織。而且，鐵素體轉(zhuǎn)變在珠光體轉(zhuǎn)變的上方，將整個珠光體轉(zhuǎn)變完全覆蓋，兩者之間的距離很小，為網(wǎng)狀鐵素體的形成提供了條件。55#鋼連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線見圖3。

2.2 試驗(yàn)方法

為了分析粗晶原因，在中間軸上取尺寸為30 mm×30 mm的試塊，按照中間軸先前制造過程，將鍛造加熱工藝和性能熱處理工藝(正火)進(jìn)行了模擬。先將試樣加熱至1260℃保溫6 h后爐冷，對試樣進(jìn)行晶粒粗化，觀察組織見圖4。然后將試樣加熱至850℃保溫，以20℃/h的速度冷卻，觀察組織見圖5 。

2.3 原因分析

圖1 性能熱處理工藝Figure 1 Performance heat treatment process

圖2 探傷情況Figure 2 Flaw detection situation

圖3 55#鋼熱處理連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線Figure 3 Continuous transition curve of heat treatment for 55# steel

圖4 1260℃晶粒粗化組織Figure 4 Structure of coarse grain at 1260℃

由圖4可見，試樣經(jīng)過1260℃處理后，組織粗大，沿原奧氏體晶界析出網(wǎng)狀鐵素體，鐵素體包裹整個晶粒。經(jīng)850℃正火后，晶粒得到細(xì)化，但仍是網(wǎng)狀鐵素體，基本上仍是包裹整個晶粒。

圖5 850℃正火組織Figure 5 The structure when normalizing at 850℃

55#鋼屬于亞共析鋼，其奧氏體化后在冷卻到轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下時，在奧氏體晶界上就會生核，并析出鐵素體。當(dāng)達(dá)到共析成分時，剩余的奧氏體全部發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成許多不同方位的珠光體團(tuán)。這些鐵素體如果嚴(yán)重粗化，將導(dǎo)致超聲波的大量散射，嚴(yán)重影響超聲波的傳播，妨礙正常的檢測[1]。

55#中間軸在鍛造過程中，中心部位變形小，法蘭心部變形最小，對枝狀晶的打碎力度要弱一些。在隨后的熱處理過程中，中間軸心部位置的過冷度也是整個工件中最小的，在隨后的奧氏體化過程中，其形核率也小，導(dǎo)致中間軸心部晶粒比外部粗大。經(jīng)過正回火后，形成包裹整個晶粒的網(wǎng)狀鐵素體，鐵素體大小等于整個晶粒大小。在隨后的檢測中，因?yàn)榇嬖诎麄€粗大晶粒的鐵素體，造成超聲波檢測雜波高，無法滿足檢測要求。

2.4 改進(jìn)措施

根據(jù)以上分析，影響超聲檢測的原因是存在包裹整個粗大晶粒的鐵素體，因此，一方面可以通過切斷網(wǎng)狀鐵素體，使鐵素體細(xì)化，另一方面可以細(xì)化奧氏體晶粒，達(dá)到解決超聲檢測的問題。因此在熱處理工藝方面，采用了淬火+亞溫淬火的方式，改變了鐵素體形態(tài)，并且細(xì)化了奧氏體晶粒。具體的工藝見圖6。

圖6 淬火+亞溫淬火工藝Figure 6 The processes of quenching and intercritical quenching

采用以上工藝后鐵素體網(wǎng)被打斷，形成了比網(wǎng)狀鐵素體小得多的小塊狀鐵素體，奧氏體晶粒度也得到細(xì)化，影響超聲檢測的粗晶問題也得到解決。

3 結(jié)論

(1)55#鋼這類亞共析鋼在正火或完全奧氏體化淬火時，容易沿原奧氏體晶界形成包裹整個晶粒的網(wǎng)狀鐵素體，在超聲檢測時，形成粗晶，造成散射，影響檢測。

(2)采用淬火+亞溫淬火的熱處理方式，可以打斷鐵素體網(wǎng)，形成小塊狀鐵素體，同時細(xì)化了奧氏體晶粒，解決了超聲檢測的雜波問題。

(3)因受鍛件余量限制，本文未進(jìn)行鍛造工藝變形對晶粒度影響的研究。