20CrMnTiH鍛造余熱淬火工藝在實踐中的推廣和應(yīng)用

文/艾鳳明，侯嘉強·大同機車鍛造有限責任公司

馮銳·中車大同電力機車有限公司

為實現(xiàn)鍛造余熱淬火工藝在實踐中的推廣和應(yīng)用，本文結(jié)合公司實際設(shè)備情況，設(shè)計了復合切邊沖孔模，縮短了工序，節(jié)約了時間，解決了實現(xiàn)鍛造余熱淬火的關(guān)鍵問題，為公司降本增效作出了突出貢獻。

鍛造余熱淬火是鍛件在鍛造成形以后立即在高溫狀態(tài)下進行淬火熱處理，并在合適溫度下回火，實現(xiàn)代替調(diào)質(zhì)處理，也就是在穩(wěn)定的奧氏體范圍內(nèi)形變后產(chǎn)生馬氏體相變的高溫形變熱處理。它的優(yōu)勢在于將鍛造與熱處理工藝有效的結(jié)合起來，減少了金屬材料的氧化、脫碳、變形等熱處理缺陷，在省去重新高溫加熱淬火工序的同時，獲得優(yōu)良的鍛件綜合力學性能，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益，在實踐中應(yīng)用廣泛。

我公司生產(chǎn)的煤機長環(huán)鍛件(圖1)，材質(zhì)20CrMnTiH，技術(shù)要求調(diào)質(zhì)處理，硬度在30～42HRC(表1)。原工藝采用傳統(tǒng)鍛后調(diào)質(zhì)處理，性能不穩(wěn)定，勉強達到合格要求。通過不斷探索、改進，采用鍛后余熱淬火工藝，綜合性能提升顯著，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

表1 20CrMnTiH鍛件技術(shù)要求

圖1 20CrMnTiH鍛件實物

前后工藝對比

原生產(chǎn)工藝流程為：下料→加熱→鍛造→切邊→沖孔→校正→空冷→淬火→回火，工藝曲線如圖2所示。

圖2 原生產(chǎn)工藝曲線

改進后的工藝流程為：下料→加熱→鍛造→切邊沖孔→鍛熱淬火→高溫回火，工藝曲線如圖3所示。

圖3 改進后生產(chǎn)工藝曲線

工藝改進難點

20CrMnTiH鍛后余熱淬火要求鍛件終鍛溫度在900℃以上，而原工藝長環(huán)終鍛后經(jīng)過切邊、沖孔、校正三道工序后，鍛件與模具接觸三次，溫度迅速下降，很難達到要求，特別是冬天生產(chǎn)，廠房內(nèi)室溫只有幾攝氏度，鍛件出爐后迅速降溫，溫度難以控制。

要想實現(xiàn)鍛后余熱淬火，只有將終鍛到淬火之間的工序縮短，三道工序整合為一道工序，同時完成切邊、沖孔、校正，但公司切邊設(shè)備為500噸單點閉式曲柄壓力機，無導柱導套及下頂出裝置，鍛件切邊沖孔同時完成后，會套在兩個沖頭上無法取出，如何利用現(xiàn)有設(shè)備快速出模是工藝改進的難點。

切邊模具設(shè)計

通過對鍛件形狀及現(xiàn)有設(shè)備進行分析，結(jié)合公司實際設(shè)備情況，設(shè)計出復合切邊模具(見圖4)，切邊、沖孔在壓力機一個行程內(nèi)同時完成，鍛件與切邊模接觸一次，終鍛后到入水前間隔不超過10s，入水溫度能夠保證在850℃以上。

圖4 長環(huán)切邊沖孔復合模

本套復合模具將下頂出改為鏈條式結(jié)構(gòu)，由上滑塊帶動鏈條將鍛件托出沖頭，無需借助下頂桿也可實現(xiàn)切邊后鍛件的頂出。在鍛件鍛造完成后，將其放在復合切邊模具上，壓力機滑塊向下運動，同時完成切邊、沖孔工序，滑塊向上運動時利用鏈條和托板將鍛件從下模中托出。

由于沖孔工序與切邊工序同時完成，沖孔沖頭給予鍛件的剪切力與切邊沖頭給予鍛件的剪切力大小相等，方向相反，所以鍛件變形量很小，無需校正工序即可滿足圖紙要求。

鍛后余熱淬火和高溫回火

鍛造加熱采用中頻感應(yīng)加熱，加熱溫度為(1170±50)℃，生產(chǎn)節(jié)拍保持在每分鐘2件。鍛后余熱淬火溫度在(870±30)℃，冷卻方式為水冷。鍛件按鍛造節(jié)拍逐個成形，切邊后立即放入淬火水槽逐個冷卻，入水1分鐘內(nèi)迅速攪拌，然后緩慢攪拌約6～8min，鍛件冷卻至100℃以下?lián)瞥??；鼗鸩捎孟涫诫娮锠t，溫度在(460±10)℃，保溫時間4～6h，冷卻方式為水冷。

實踐應(yīng)用

工藝改進后，通過幾個批次長環(huán)鍛件的跟蹤驗證，與原工藝對比，機械性能(表2)、淬火硬度(圖5)均得到不同程度的提升，特別是沖擊韌性提高顯著，鍛件質(zhì)量十分穩(wěn)定，可以批量推廣生產(chǎn)。

表2 20CrMnTiH鍛件力學性能對比

圖5 20CrMnTiH鍛件硬度對比

目前，公司已交付客戶萬余件產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量得到客戶認可。下一步準備將此工藝推廣至公司其他合適產(chǎn)品。

結(jié)束語

鍛后余熱淬火，既可以省掉熱處理時對鍛件重新加熱所需要的時間，縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約加熱時消耗的能源，又可以提高鍛件各項性能指標，是一種非常經(jīng)濟環(huán)保的生產(chǎn)方法，具有廣泛的推廣價值。但在生產(chǎn)實踐中，往往因為鍛件結(jié)構(gòu)復雜，鍛造工序多，鍛造設(shè)備限制等因素錯過淬火時機而得不到應(yīng)用，如何結(jié)合實際情況優(yōu)化鍛造工藝，合理調(diào)整工藝流程是一線工藝人員需要研究和解決的重點。