ZG50SiMn鋼起重機(jī)車輪水淬油冷熱處理工藝

張淑杭

山東石橫特鋼集團(tuán)有限公司 山東泰安 271612

1 序言

起重機(jī)是鋼鐵行業(yè)應(yīng)用最普遍、最廣泛的重要運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備之一，由于使用頻繁、使用環(huán)境比較惡劣，起重機(jī)車輪在工作過(guò)程中不斷承受周期性變化的應(yīng)力作用，是易損件，每半年或一年就要進(jìn)行檢修，這就影響了生產(chǎn)，增加了維修費(fèi)用，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)起重機(jī)車輪的使用特點(diǎn)，對(duì)其踏面硬度要求較高，并且有一定的深度和過(guò)渡層，以提高承載能力、耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度等性能[1]。合理的熱處理工藝，能夠充分發(fā)揮材料的潛力，提高力學(xué)性能，延長(zhǎng)材料的使用壽命，節(jié)約能源。因此，選擇合理的熱處理工藝對(duì)起重機(jī)車輪的使用尤為重要。

傳統(tǒng)起重機(jī)車輪熱處理工藝一般是先經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后再進(jìn)行表面淬火，但是由于表面淬火硬度過(guò)渡層不好控制，容易剝落和輪緣磨損嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作后，在交變應(yīng)力的作用下，起重機(jī)車輪踏面容易產(chǎn)生裂紋或突然斷裂，導(dǎo)致疲勞失效，嚴(yán)重影響起重機(jī)車輪的質(zhì)量和使用壽命。

2 工藝分析

鑄鋼與鍛鋼相比，具有對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)、材料利用率高、價(jià)格低廉、加工周期短等優(yōu)點(diǎn)，但鑄鋼鑄態(tài)組織晶粒粗大，有魏氏組織和成分偏析等很多不可避免的缺陷，對(duì)熱處理工序產(chǎn)生不利的影響。魏氏組織的存在使鑄鋼的塑性，特別是沖擊韌度下降，因此鑄鋼件需要在淬火前進(jìn)行熱處理以消除魏氏組織。組織晶粒粗大，容易在淬火時(shí)產(chǎn)生開(kāi)裂，必須在淬火前進(jìn)行退火或正火處理，為細(xì)化晶粒和淬火作組織準(zhǔn)備[2]。圖1為ZG50SiMn鋼直接調(diào)質(zhì)，用4%硝酸酒精溶液腐蝕后的魏氏組織。

圖1 ZG50SiMn鋼魏氏組織

ZG50SiMn鋼屬于低合金鋼中的硅錳鋼，化學(xué)成分見(jiàn)表1。Si與Mn的配合使用，可以有效地減少M(fèi)n元素對(duì)晶粒粗化的影響；Si、Mn均能固溶于鐵素體中，起到固溶強(qiáng)化的作用，使鋼的強(qiáng)度和硬度上升。Si、Mn均能穩(wěn)定過(guò)冷奧氏體，使C曲線向右移，顯著提高鋼的淬透性。Si、Mn元素有促進(jìn)雜質(zhì)元素偏聚的作用，促進(jìn)回火脆性的發(fā)生[3]。

表1 ZG50SiMn化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

JB/T 6392—2008《起重機(jī)車輪》中對(duì)熱處理的技術(shù)要求[4]如下：

1）熱處理車輪表面狀態(tài)應(yīng)符合不同直徑車輪的熱處理技術(shù)要求，見(jiàn)表2。

表2 不同直徑車輪的熱處理技術(shù)要求

2）車輪內(nèi)部質(zhì)量要求：對(duì)于鑄造車輪其質(zhì)量應(yīng)符合JB/T 5000.14—2007中2級(jí)要求。

3）車輪踏面和輪緣內(nèi)側(cè)表面硬度：車輪踏面和輪緣內(nèi)側(cè)表面硬度檢驗(yàn)時(shí)，用硬度計(jì)在車輪踏面上沿圓周等分測(cè)3點(diǎn)，其中2點(diǎn)硬度達(dá)到技術(shù)要求，即為合格。當(dāng)某檢測(cè)點(diǎn)的硬度值不符合要求時(shí)，沿該點(diǎn)的軸線方向加測(cè)2點(diǎn)，如該2點(diǎn)硬度均達(dá)到技術(shù)要求即為合格。

4）淬硬層深度的要求：測(cè)定淬硬層深度時(shí)，先將車輪切割開(kāi)（用氣割時(shí)為了消除熱影響區(qū)，加工余量至少為20mm），再加工成徑向剖面試樣。從踏面（見(jiàn)圖2）開(kāi)始用硬度計(jì)沿徑向每隔3～5mm測(cè)1點(diǎn)，測(cè)出硬度≥260HBW處的深度，即為淬硬層深度。

圖2 踏面淬硬層硬度試驗(yàn)

3 試驗(yàn)方法

本文研究的對(duì)象為山東石橫特鋼集團(tuán)有限公司使用的冶金專用起重機(jī)鑄造車輪，如圖3所示，材質(zhì)為ZG50SiMn鋼，化學(xué)成分見(jiàn)表3，車輪結(jié)構(gòu)尺寸為φ800mm×150mm，重量為416kg，圖樣要求踏面處硬度300～380HBW，距踏面20mm處的硬度≥260HBW。車輪粗車后用于本試驗(yàn)。

圖3 起重機(jī)鑄造車輪

表3 ZG50SiMn鋼車輪的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

（1）工裝 采用芯軸保護(hù)內(nèi)孔的方法進(jìn)行裝爐，將車輪平放到焊有底盤的工裝上，工裝如圖4所示。用黏土和石棉繩將內(nèi)孔與芯軸之間的縫隙密封，上部用端蓋壓緊。

圖4 車輪內(nèi)孔芯軸保護(hù)工裝

（2）熱處理工藝 由于車輪調(diào)質(zhì)+表面淬火的熱處理工藝容易產(chǎn)生很多質(zhì)量問(wèn)題，直接淬油時(shí)，容易出現(xiàn)淬火硬度軟點(diǎn)、硬度偏低等情況；直接水淬時(shí)，此材料的開(kāi)裂傾向較大。因此，采用退火+淬火（水淬油冷）+中溫回火的熱處理工藝，水淬油冷也叫雙液淬火，即把奧氏體化的零件放入冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)中，冷卻到Ms點(diǎn)附近，再立即轉(zhuǎn)移到冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變。最常用的方法就是水淬油冷，水淬油冷的優(yōu)點(diǎn)就是能把兩種冷卻能力不同的介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，既保證了淬火質(zhì)量，又減少了淬火應(yīng)力，在很大程度上防止了變形和淬火開(kāi)裂。鑄鋼件加熱時(shí)，為了避免過(guò)大的熱應(yīng)力，應(yīng)該控制工件的裝爐溫度和加熱速度，因此確定在爐溫350℃以下裝爐，控制升溫速度≤250℃/h。

（3）熱處理工藝參數(shù) 退火830℃×3h，爐冷；淬火840℃×2h，水冷40s，油冷15min；回火490℃×4h，水冷，入爐溫度≤350℃，升溫速度≤250℃/h，工藝曲線如圖5所示。

工藝說(shuō)明：

1）保溫。工件加熱到溫后，應(yīng)保溫一定的時(shí)間，根據(jù)有效厚度、裝爐系數(shù)計(jì)算出保溫時(shí)間為2h，使工件透熱，以保證工件奧氏體化完全。

2）冷卻。水淬油冷，如果工件在水中冷卻時(shí)間過(guò)短，轉(zhuǎn)移過(guò)程中奧氏體可能發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)軟點(diǎn)，或淬不上火的現(xiàn)象。如果水冷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，零件在未轉(zhuǎn)移到油中就發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，失去了水淬油冷的意義，增大了工件開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定水冷時(shí)間在40～50s，油冷15min。

圖5 起重機(jī)車輪熱處理工藝曲線

3）回火。根據(jù)圖樣的硬度要求，將溫度定在中溫回火區(qū)間的470～510℃，保溫足夠的時(shí)間，使馬氏體組織分解完全，消除淬火應(yīng)力。根據(jù)有效厚度、回火溫度、裝爐系數(shù)，確定回火保溫時(shí)間為4h。由于此材料具有回火脆性，因此回火后采取快冷的冷卻方式，即水冷。

4 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)熱處理后的起重機(jī)車輪進(jìn)行了超聲波、硬度和淬硬層深度的檢測(cè)，并且檢測(cè)了車輪踏面的金相組織。

（1）超聲波檢測(cè) 對(duì)熱處理后的車輪內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，即對(duì)輪輞進(jìn)行超聲波檢測(cè)，內(nèi)部質(zhì)量符合JB/T 5000.14—2007中2級(jí)要求。

（2）硬度檢測(cè) 將車輪踏面外圓圓周等分3點(diǎn)，選取踏面及輪緣內(nèi)側(cè)進(jìn)行硬度測(cè)試，實(shí)測(cè)硬度情況見(jiàn)表4。

表4 車輪踏面及輪緣硬度情況

（3）淬硬層深度檢測(cè) 根據(jù)JB/T 6392—2008《起重機(jī)車輪》要求，對(duì)車輪進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，將車輪刨開(kāi)，加工成徑向剖面試樣，如圖6所示，進(jìn)行淬硬層深度檢測(cè)，從車輪踏面開(kāi)始每隔10mm檢測(cè)一組硬度點(diǎn)，選取硬度試驗(yàn)點(diǎn)分布情況如圖7所示，并將硬度情況進(jìn)行記錄匯總，見(jiàn)表5。

圖6 淬硬層深度破壞性試驗(yàn)實(shí)物

圖7 硬度檢測(cè)點(diǎn)

表5 淬硬層深度硬度分布 （HBW）

（4）金相分析 在踏面處取樣進(jìn)行金相組織觀察，用4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察組織為回火屈氏體，如圖8所示。屈氏體具有高的彈性極限與屈服強(qiáng)度，同時(shí)又有足夠的韌性和塑性。對(duì)于450～500℃回火，也是本材料疲勞極限出現(xiàn)最大值的回火溫度區(qū)間[2]。

圖8 ZG50SiMn鋼車輪淬火+中溫回火顯微組織（500×）

以上數(shù)據(jù)表明，因?yàn)榇慊饡r(shí)水淬時(shí)間較短，輪緣及踏面部位水冷強(qiáng)烈，所以心部來(lái)不及冷卻就轉(zhuǎn)到了冷卻緩慢的淬火油中，形成一定的硬度梯度。車輪硬度在同一深度，不同位置比較一致，從踏面往里，硬度成梯度逐漸降低，具有較厚的淬硬層，使踏面有較好的耐磨性。由于硬度呈梯度分布，過(guò)渡均勻，使心部具有較好的韌性，金相組織均勻，因此水淬油冷熱處理工藝能達(dá)到ZG50SiMn鋼起重機(jī)車輪的圖樣硬度設(shè)計(jì)要求，具有良好的使用性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）水淬油冷熱處理工藝能達(dá)到起重機(jī)車輪圖樣硬度設(shè)計(jì)要求和國(guó)標(biāo)使用要求。

2）起重機(jī)車輪踏面硬度層呈梯度分布，使踏面有較好的耐磨性，心部有較好的韌性，減少了脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，有利于延長(zhǎng)車輪的使用壽命。

3）水淬油冷熱處理工藝對(duì)設(shè)備條件要求低，淬火冷卻介質(zhì)來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，工藝操作簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程。

4）起重機(jī)車輪整體水淬油冷熱處理工藝可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的調(diào)質(zhì)+表面淬火工藝。