40CrNiMoA鋼曲軸毛坯的試制

涂明金 胡永平 王交其 趙烏云畢力格 沈厚發(fā)

(1. 內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古014030；2. 清華大學(xué)材料學(xué)院，北京100084)

40CrNiMoA鋼因其具有強(qiáng)度較高，韌性良好，淬透性好及熱穩(wěn)定性較佳的特點(diǎn)，適用于制造強(qiáng)度要求高且韌性要求好的重要零件，通常用于制造汽車曲軸、汽輪機(jī)葉片和大型飛機(jī)起落架等[1]。使用40CrNiMoA鋼生產(chǎn)的曲軸廣泛應(yīng)用在柴油發(fā)動機(jī)上，由于其長期受到高溫、腐蝕和交變應(yīng)力的作用，工作環(huán)境十分惡劣[2]，從而對曲軸材料的要求非常嚴(yán)格，要求材料具有較高的純凈度和較佳性能。隨著柴油發(fā)動機(jī)效率的提升，對曲軸原材料的質(zhì)量提出了嚴(yán)格的要求，尤其是在曲軸毛坯點(diǎn)狀偏析和超聲檢測方面要求近乎苛刻，為解決上述兩方面問題，公司制定了試制方案進(jìn)行攻關(guān)。

1 曲軸毛坯的主要技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分

40CrNiMoA鋼是在碳素鋼基礎(chǔ)上添加適量合金元素而成的鋼種，具體化學(xué)成分要求見表1。

1.2 力學(xué)性能

同一母材任抽2支鍛坯在冒口端二分之一半徑處取樣，做縱向試驗(yàn)。力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

1.3 低倍組織

同一母材任抽2支鍛坯在冒口端切片，做低倍組織檢查，按照GB/T 1979—2001執(zhí)行，一般疏松≤1.5級，中心疏松≤1.5，錠型偏析、一般斑點(diǎn)狀偏析、邊緣斑點(diǎn)狀偏析均為0級，且不得有肉眼可見的縮孔殘余、中心裂紋、白點(diǎn)、氣泡、結(jié)疤等缺陷。

1.4 非金屬夾雜物

同一母材任抽2支鍛坯取非金屬夾雜物試樣，按照GB/T 10561—2005進(jìn)行檢測，各類夾雜物級別要求見表3。

表1 40CrNiMoA鋼的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements of 40CrNiMoA steel (mass fraction, %)

表2 40CrNiMoA鋼的力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical property requirements of 40CrNiMoA steel

表3 非金屬夾雜物要求Table 3 Non-metallic inclusions requirements

1.5 超聲檢測

粗加工后，每支毛坯均按照SEP 1921—1984進(jìn)行超聲檢測，要求鋼材表面至R/2處的缺陷當(dāng)量不得大于?1 mm，R/2至中心的缺陷當(dāng)量不允許大于?2 mm；不允許有連續(xù)性缺陷存在。

2 曲軸毛坯的試制

2.1 技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)對措施

技術(shù)條件要求鍛坯橫向低倍組織的一般斑點(diǎn)狀偏析、邊緣斑點(diǎn)狀偏析均為0級。一般斑點(diǎn)狀偏析及邊緣斑點(diǎn)狀偏析主要是由于鋼錠在凝固過程中的成分偏析和氣體聚集等原因造成[3]。應(yīng)對措施：(1)通過適當(dāng)延長VD真空除氣時間，降低母材中的氣體含量；(2)通過控制電極坯的澆注溫度，減小母材中成分的偏析；(3)充分烘烤電渣重熔所用的渣料，減少渣料中的氣體含量；(4)控制電渣重熔過程中的熔速，減小電渣錠的成分偏析。

毛坯表面至R/2處，允許缺陷當(dāng)量小于?1 mm，R/2至中心允許缺陷當(dāng)量小于?2 mm；不允許有連續(xù)性缺陷存在。應(yīng)對措施：(1)通過提高出鋼碳含量，減少脫氧劑的加入量，從而減少非金屬夾雜物的生成數(shù)量；(2)延長精煉時間，使非金屬夾雜物充分上浮。

2.2 試制工藝路線

該產(chǎn)品采用7.05 t電渣鋼錠進(jìn)行鍛造，工藝路線為：電弧爐冶煉→LF精煉→VD真空除氣→澆注電極坯→電渣重熔→電渣錠加熱→鍛造→鍛后熱處理→取樣試驗(yàn)→粗加工→無損檢測→檢驗(yàn)、交付用戶。

2.3 試制工藝

2.3.1 冶煉及澆注

電弧爐出鋼時鋼液溫度≥1650℃，[C]≥0.15%，出鋼過程中隨鋼流按0.8 kg/t～1.0 kg/t鋼的量加入鋁錠，禁止下渣。LF精煉過程中調(diào)整氬氣壓力與流量，并使用鋁粉、硅鐵粉、碳粉等脫氧劑進(jìn)行擴(kuò)散脫氧?？刂迫墼鼔A度在4.0左右，(FeO)≤1.0%時白渣保持時間≥40 min。VD真空除氣前將化學(xué)成分調(diào)整至要求范圍內(nèi)。VD真空除氣時，66.7 Pa以下保持時間≥20 min，軟吹>10 min后，溫度達(dá)到1540～1560℃時，吊包澆注。

2.3.2 電渣重熔

渣系采用“三七渣”(CaF2占70%，Al2O3占30%)，使用前在800℃的溫度下烘烤6 h以上，以充分去除渣中的水分。使用石墨電極造渣，渣精煉40 min后換金屬電極進(jìn)行重熔，控制電渣穩(wěn)態(tài)過程中的熔速為500 kg/h～550 kg/h，電渣錠補(bǔ)縮時間大于45 min。

2.3.3 鍛造及鍛后熱處理

鋼錠鍛造前加熱至1250℃保溫20 h。一火夾錠尾壓冒口為鉗把，掉頭從鋼錠中間向冒口、錠尾方向壓到560 mm；二火用上下砧滿砧大壓下量鍛造，每次為坯料高度的20%，拔到250 mm方，倒八方，換V砧，拔長精整至?235 mm。并根據(jù)技術(shù)條件要求，制定了鍛后熱處理工藝，以消除應(yīng)力并保證晶粒度、氫含量、硬度等指標(biāo)滿足要求。

3 產(chǎn)品質(zhì)量分析

3.1 化學(xué)成分分析

在鍛件上冒口端取樣進(jìn)行成品化學(xué)成分分析，化學(xué)分析結(jié)果見表4。氫含量的檢驗(yàn)結(jié)果為(0.5～0.7)×10-6，符合技術(shù)條件要求。

3.2 力學(xué)性能檢驗(yàn)

同一母材任抽2支鍛件，在冒口端取200 mm長試料，熱處理后進(jìn)行力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果見表5。

3.3 低倍組織檢驗(yàn)

同一母材任抽2支鍛件，在冒口端切片做低倍組織檢測，檢測結(jié)果見表6。

表4 40CrNiMoA鋼化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 The test results of chemical compositions of 40CrNiMoA steel(mass fraction, %)

表5 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 The test results of mechanical properties

表6 低倍組織檢測結(jié)果Table 6 The macrostructure test results

表7 非金屬夾雜物檢測結(jié)果Table 7 The test results of non-metallic inclusions

3.4 非金屬夾雜物檢驗(yàn)

同一母材任抽2件鍛件，在冒口端取樣做非金屬夾雜物檢測，結(jié)果見表7。

3.5 超聲檢測

超聲檢測100%合格。

4 結(jié)論

(1)通過減少電極坯氣體含量、減小電極坯的成分偏析、充分烘烤電渣所用渣料、控制穩(wěn)態(tài)熔速、合理鍛造等一系列手段，可將電渣40CrNiMoA鋼的鍛件一般斑點(diǎn)狀偏析及邊緣斑點(diǎn)狀偏析控制在0級。

(2)通過提高電極坯的純凈度、控制電渣過程中的熔速及合理的鍛造可將鍛件中的無損檢測缺陷當(dāng)量控制在?1 mm以下。

(3)按試制的40CrNiMoA曲軸坯生產(chǎn)工藝規(guī)程控制，滿足了用戶的要求，試制產(chǎn)品全部一次合格。