42CrMo鋼車軸熱處理工藝

張 斌，薛振峰，鄭 毅，張勤帥，王艷芳，高曉文

(太原重工軌道交通設(shè)備有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

目前42CrMo鋼車軸市場(chǎng)占有率穩(wěn)定，太原重工軌道交通設(shè)備有限公司接到該種材質(zhì)車軸的訂單數(shù)量逐年上升，客戶對(duì)該材質(zhì)車軸的各項(xiàng)指標(biāo)也提出了嚴(yán)格的要求，車軸組織中不允許存在鐵素體，使得該種材質(zhì)車軸熱處理難度加大。以往熱處理42CrMo鋼車軸，主要使用間歇性熱處理爐加熱，多軸同時(shí)淬火冷卻。為了更好地發(fā)揮本公司設(shè)備優(yōu)勢(shì)，提高該材質(zhì)車軸熱處理后的質(zhì)量，我公司引入了國(guó)內(nèi)首條懸掛式單軸調(diào)質(zhì)/正火熱處理生產(chǎn)線，它是一條功能齊全的連續(xù)式單軸淬火車軸熱處理生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線特點(diǎn)為步進(jìn)式單軸淬火冷卻，相比臺(tái)車爐加熱淬火可有效地提高車軸淬透性及車軸各部位調(diào)質(zhì)性能均勻性，在技術(shù)上可克服生產(chǎn)周期長(zhǎng)、人為影響大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)連續(xù)式批量化生產(chǎn)。

1 試驗(yàn)材料及方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)得知，42CrMo鋼車軸熱處理方式為正火+調(diào)質(zhì)處理[1]。

1.1 車軸原材料化學(xué)成分內(nèi)控

由于42CrMo鋼中C、Si、Mn、Cr、Mo化學(xué)成分范圍較寬，為了更好地滿足42CrMo鋼車軸的力學(xué)性能和金相要求，依據(jù)AISI 4140鋼對(duì)42CrMo鋼的化學(xué)成分進(jìn)行內(nèi)控，具體見(jiàn)表1。

表1 42CrMo鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 熱處理工藝的制定

該材質(zhì)的理論完全奧氏體化溫度約為800 ℃[2]，初步制定以下兩條工藝：工藝一：T1(高于奧氏體化溫度)加熱，然后直接入油淬火60 min～80 min，T2(低于奧氏體化溫度)回火；工藝二：(T1+40 ℃)正火，(T1+10 ℃)淬火加熱，雙液淬火后(T2+50 ℃)回火。

1.3 車軸熱處理后性能指標(biāo)及組織

車軸熱處理后性能指標(biāo)要求見(jiàn)表2。表2中的沖擊試驗(yàn)采用Ku2沖擊(J)，5 mm缺口。

表2 車軸性能指標(biāo)

車軸熱處理后晶粒度≥5級(jí)、組織為回火馬氏體/貝氏體，不允許出現(xiàn)鐵素體。

2 試驗(yàn)階段

2.1 熱處理工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程

2.1.1 車軸首次熱處理檢驗(yàn)

為了加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度，分別按工藝一、工藝二對(duì)車軸進(jìn)行熱處理，熱處理后延長(zhǎng)體力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，延長(zhǎng)體金相結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 首次熱處理后力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3、表4結(jié)果可知:按工藝一熱處理后的性能指標(biāo)雖然滿足標(biāo)準(zhǔn)(表2)要求，但是晶粒度結(jié)果(6級(jí))偏低，組織為回火馬氏體+回火貝氏體+少量鐵素體(約為5%)，不滿足標(biāo)準(zhǔn)(回火馬氏體+貝氏體)要求；按工藝二熱處理后的性能指標(biāo)和晶粒度、組織結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是屈服強(qiáng)度為553 MPa，僅僅高出標(biāo)準(zhǔn)要求43 MPa(標(biāo)準(zhǔn)要求值為≥510 MPa)，富裕量較小，抗拉強(qiáng)度770 MPa，接近標(biāo)準(zhǔn)要求下極限值(730 MPa)。綜上所述，工藝二各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于工藝一，且按工藝二熱處理后車軸組織滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)工藝一處理的車軸雖然力學(xué)性能和晶粒度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是顯微組織不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，主要是由于使用“油”為淬火介質(zhì)，較工藝二其冷卻速度較慢，在淬火過(guò)程中容易產(chǎn)生少量鐵素體。

表4 首次熱處理后組織晶粒度試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 車軸本體驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證工藝二的合理性，在車軸最大截面位置進(jìn)行解剖試驗(yàn)，車軸熱處理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，金相結(jié)果見(jiàn)表6。

根據(jù)表5、表6結(jié)果可知：按工藝二熱處理后的性能指標(biāo)和晶粒度、組織結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度仍有優(yōu)化空間，可適當(dāng)降低回火工藝溫度[3]。

表5 首次熱處理后車軸最大截面處力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表6 首次熱處理后車軸最大截面處組織晶粒度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 優(yōu)化車軸熱處理工藝

根據(jù)上述結(jié)論，可在工藝二的基礎(chǔ)上降低車軸回火工藝溫度(降低10 ℃),熱處理后車軸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，金相結(jié)果見(jiàn)表8。車軸外表面、1/2半徑處和心部的組織分別如圖1～圖3所示。

表7 熱處理工藝優(yōu)化后力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表8 熱處理工藝優(yōu)化后組織和晶粒度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 車軸外表面組織 圖2 車軸1/2半徑處組織 圖3 車軸心部組織

將工藝二和優(yōu)化工藝后的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、縱向沖擊功和橫向沖擊功進(jìn)行對(duì)比，分別見(jiàn)圖4～圖7。

圖4 屈服強(qiáng)度對(duì)比

圖5 抗拉強(qiáng)度對(duì)比

圖6 縱向沖擊功對(duì)比

圖7 橫向沖擊功對(duì)比

車軸按優(yōu)化熱處理工藝處理后，其力學(xué)性能和金相組織均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且抗拉強(qiáng)度約為830 MPa,處于標(biāo)準(zhǔn)要求范圍的中線位置，沖擊性能結(jié)果超出標(biāo)準(zhǔn)下限值25 J以上，力學(xué)性能優(yōu)良，截面各個(gè)位置處晶粒度均為7級(jí)，一致性良好，組織為回火馬氏體+貝氏體，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 應(yīng)用階段

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，將(T1+40 ℃)正火，(T1+10 ℃)淬火加熱，雙液淬火后(T2+40 ℃)回火工藝作為42CrMo鋼車軸的批量化生產(chǎn)工藝，熱處理后的性能結(jié)果見(jiàn)表9。由表9可知，車軸整體性能基本一致，該熱處理工藝合理，熱處理后各項(xiàng)性能結(jié)果合格并穩(wěn)定[4]。

表9 優(yōu)化工藝后車軸熱處理性能結(jié)果

4 總結(jié)

此次通過(guò)研究42CrMo鋼熱處理特性，確定了42CrMo鋼車軸按(T1+40 ℃)正火，(T1+10 ℃)淬火加熱，雙液淬火后(T2+40 ℃)回火工藝熱處理,熱處理后車軸各項(xiàng)性能穩(wěn)定且都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，熱處理后車軸的各項(xiàng)指標(biāo)均有足夠的富余量。

本次研究成功，說(shuō)明太原重工軌道交通設(shè)備有限公司具有熱處理42CrMo鋼車軸的能力，完全掌握了該材質(zhì)車軸的熱處理特性，為我公司鞏固車軸市場(chǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為公司未來(lái)的發(fā)展做出了優(yōu)越的技術(shù)準(zhǔn)備。