34CrMo1A轉(zhuǎn)軸鍛件綜合性能解剖分析

劉世超 李光磊

(太原重工股份有限公司，山西030024)

34CrMo1A為中小型發(fā)電機(jī)用轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子類鍛件的常用材料，對(duì)該材質(zhì)進(jìn)行深入解剖分析，更好地掌握其性能熱處理后各區(qū)域的綜合性能表現(xiàn)，對(duì)優(yōu)化相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)制造工藝，提高該類產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，降低制造成本具有十分重要的實(shí)踐價(jià)值。

34CrMo1A材質(zhì)的轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子類產(chǎn)品，其外形特點(diǎn)主要為中間部位軸身截面直徑較大，兩端軸頭部位截面直徑較小，截面直徑落差較大，保證產(chǎn)品整體具有較高綜合性能的工藝過(guò)程復(fù)雜、難度高，生產(chǎn)實(shí)踐中，通常僅要求對(duì)兩端軸頭部位軸向、切向力學(xué)性能等進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)中間軸身部位不做硬性檢測(cè)，為進(jìn)一步提高產(chǎn)品整體綜合力學(xué)性能，開發(fā)研究成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品制造工藝流程，更好指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，特針對(duì)該類34CrMo1A轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子類產(chǎn)品制定了本次鍛件綜合性能解剖分析試驗(yàn)方案。

1 34CrMo1A轉(zhuǎn)軸試驗(yàn)件概述

1.1 化學(xué)成分

試驗(yàn)件材質(zhì)為34CrMo1A，其熔煉分析要求符合表1的規(guī)定。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements(mass fraction, %)

成品分析時(shí)，其化學(xué)成分允許偏差如表2所示。

表2 成品分析上、下限允許偏差(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 The allowable deviation of the upper and lower limits of the finished product chemical analysis(mass fraction, %)

1.2 試驗(yàn)件規(guī)格

該試驗(yàn)件為空心轉(zhuǎn)軸類鍛件，中間軸身部位尺寸為?940 mm×800 mm，兩端軸頭部位尺寸為?550 mm×300 mm，截面直徑差390 mm，轉(zhuǎn)軸中心通孔尺寸為?300 mm×1400 mm，具體尺寸及三維立體模型如圖1所示，鍛件成品重量為4.7 t。

圖1 試驗(yàn)件Figure 1 Test piece

1.3 制造工藝流程

試驗(yàn)件制造工藝流程為：鋼錠加熱→鍛造成形→鍛后熱處理→粗加工→無(wú)損檢測(cè)→深孔加工→性能熱處理→綜合性能試驗(yàn)。

2 34CrMo1A轉(zhuǎn)軸試驗(yàn)件檢測(cè)項(xiàng)目及要求

2.1 金相檢測(cè)

試驗(yàn)件經(jīng)過(guò)鍛后熱處理后，在鍛件毛坯兩端各切取一片低倍試片，進(jìn)行低倍分析，要求不允許出現(xiàn)裂紋、縮孔、白點(diǎn)、重皮等缺陷，點(diǎn)狀偏析和一般疏松不得超過(guò)GB/T 1979—2001的第3評(píng)級(jí)圖第2級(jí)別圖片要求。

利用?550 mm位置處切向沖擊試棒殘樣進(jìn)行晶粒度檢測(cè)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6394—2017，要求晶粒度等級(jí)≥4級(jí)。

2.2 力學(xué)性能檢測(cè)

試驗(yàn)件性能熱處理后，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行解剖分析，按圖2所示將其鋸切成件1和件2兩部分，選取件1進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測(cè)。

在?940 mm橫截面處，沿縱橫中心線對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行硬度均勻性檢測(cè)，每條母線分別檢測(cè)4處，合計(jì)檢測(cè)8處，具體檢測(cè)點(diǎn)位如圖3所示，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 231.1—2018，硬度值要求在200～250HBW范圍內(nèi)。

圖2 解剖示意圖Figure 2 Anatomical diagram圖3 ?940 mm位置處的硬度檢測(cè)示意圖Figure 3 Schematical diagram of hardness test at ?940 mm position

在?940 mm位置和?550 mm位置處，沿縱向、切向各自分別套取兩套拉伸試棒、兩套沖擊試棒，拉伸試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2010，沖擊試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2020，具體取樣位置如圖4、圖5所示，性能指標(biāo)檢測(cè)符合表3要求。

圖4 ?550 mm位置取樣示意圖Figure 4 Schematical diagram of sampling at ?550 mm position

圖5 ?940位置取樣示意圖Figure 5 Schematical diagram of sampling at ?940 mm position

在?940 mm位置處進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，要求殘余應(yīng)力值≤切向?qū)崪y(cè)屈服值的10%。

利用?550 mm位置處縱向拉伸試棒殘樣進(jìn)行最終成品分析，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20123—2006、GB/T 20125—2006，檢測(cè)指標(biāo)要求見表1和表2。

表3 力學(xué)性能指標(biāo)Table 3 Mechanical performance indicators

2.3 無(wú)損檢測(cè)

試驗(yàn)件性能熱處理后，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行超聲檢測(cè)，超聲檢測(cè)方法執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM A388/A388M-2007，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)采用JB/T 7026—2004，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)符合以下規(guī)定：

(1)不允許有裂紋、白點(diǎn)及縮孔等缺陷；

(2)當(dāng)量直徑小于2 mm缺陷不計(jì)；

(3)允許有當(dāng)量直徑2～6 mm分散的單個(gè)缺陷存在，但相鄰兩個(gè)缺陷的距離不小于其較大缺陷直徑的5倍；

(4)不允許有連續(xù)缺陷和密集缺陷；

(5)鍛件兩端?550 mm處，當(dāng)量直徑5～6 mm的缺陷個(gè)數(shù)均不允許超過(guò)10個(gè)。

3 重點(diǎn)生產(chǎn)制造過(guò)程

3.1 鍛造過(guò)程

該轉(zhuǎn)軸試驗(yàn)件在我公司125 MN雙柱式快速鍛造油壓機(jī)上鍛造成形，為確保鍛件充分鍛透，獲得均勻的鍛態(tài)組織，使鍛造纖維流暢，并能顯著提高產(chǎn)品力學(xué)性能，采用上下平砧寬砧強(qiáng)壓成形工藝，進(jìn)行兩次鐓粗拔長(zhǎng)兩火次成形，通過(guò)合理控制各部位鍛造壓下量、鍛造余量，保證底冒口留有充足的切除量，該試驗(yàn)件鍛件實(shí)際鍛造比達(dá)到4.2，鋼錠利用率高達(dá)73%。

具體鍛造工藝如下：

第一火，壓鉗把、倒棱、切底錐，鐓粗尺寸到?1360 mm×820 mm，拔長(zhǎng)壓圓尺寸到?900 mm；

第二火，鐓粗尺寸到?1350 mm×815 mm，拔長(zhǎng)壓圓尺寸到?1025 mm、號(hào)印、各臺(tái)階成形。

3.2 性能熱處理

該試驗(yàn)件性能熱處理采用調(diào)質(zhì)處理。常規(guī)34CrMo1A材質(zhì)實(shí)心鍛件淬火時(shí)一般采用水淬油冷方式，淬火應(yīng)力較大，存在一定的淬火開裂風(fēng)險(xiǎn)。該34CrMo1A轉(zhuǎn)軸試驗(yàn)件采用空心淬火方式，淬火過(guò)程中內(nèi)孔與外壁溫差較大，淬裂風(fēng)險(xiǎn)更為嚴(yán)重，對(duì)淬火液流速、各介質(zhì)淬火時(shí)間等工藝參數(shù)提出更大挑戰(zhàn)。

為保障該試驗(yàn)件性能合格，同時(shí)最大限度地降低開裂風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)工藝技術(shù)人員反復(fù)論證，對(duì)水淬油冷工藝不斷優(yōu)化調(diào)整，最終確定最佳的調(diào)質(zhì)熱處理工藝方案，如圖6所示。

圖6 熱處理曲線Figure 6 Heat treatment curve

4 綜合性能檢測(cè)結(jié)果

圖7所示為解剖后的試驗(yàn)件，鋸切后在件1上進(jìn)行試樣的制取及各項(xiàng)檢測(cè)。

圖7 解剖后試驗(yàn)件Figure 7 Test piece after anatomy

4.1 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

成品分析結(jié)果如表4所示，各元素成分均控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，且P、S等有害元素含量控制在了非常低的水平，有效保障了鍛件產(chǎn)品最終各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到工藝技術(shù)要求。

表4 成品化學(xué)分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Chemical composition analysis results of finished products(mass fraction, %)

4.2 金相檢測(cè)結(jié)果

制取的低倍試片經(jīng)過(guò)酸浸及硫印檢測(cè)后，檢測(cè)結(jié)果如表5所示，各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果均符合要求。晶粒度檢測(cè)結(jié)果為7.5級(jí)，符合要求。

表5 低倍檢測(cè)結(jié)果Table 5 Macroscopic detection results

4.3 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)件解剖后，對(duì)其?940 mm軸身內(nèi)部進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度檢測(cè)結(jié)果見表6，鍛件內(nèi)部各部位硬度均符合要求，最大硬度差值為15HBW，每條母線內(nèi)部與外表面硬度差最大為15HBW，最小為2HBW，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理后，軸身整個(gè)截面均達(dá)到性能要求。

表6 硬度檢測(cè)結(jié)果Table 6 Hardness test results

綜合力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果如表7所示，可以看出，各項(xiàng)力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果均合格，且遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，試驗(yàn)件軸身部位雖然截面較大，不易鍛透，仍獲得較好的力學(xué)性能。殘余應(yīng)力檢測(cè)值為8.29 MPa，符合檢測(cè)要求。

表7 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 7 Test results of mechanical properties

4.4 無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

該試驗(yàn)件性能熱處理完成后，對(duì)全部外圓進(jìn)行超聲檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示鍛件無(wú)可記錄缺陷，無(wú)超標(biāo)缺陷，符合超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)34CrMo1A材質(zhì)轉(zhuǎn)軸鍛件的解剖試驗(yàn)及綜合性能分析，得出以下結(jié)論：

(1)針對(duì)大截面、截面差較大的34CrMo1A轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子類鍛件，采用本試驗(yàn)方案中的寬砧強(qiáng)壓鍛造工藝以及改良后的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，能夠充分有效的鍛透大截面部位，同時(shí)有效提高了34CrMo1A材質(zhì)的淬透深度，轉(zhuǎn)身部位與軸頭部位晶粒度均為7.5級(jí)，說(shuō)明鍛件晶粒度均勻，鑄態(tài)組織缺陷完全消除，鍛態(tài)組織纖維流暢，產(chǎn)品力學(xué)性能、無(wú)損檢測(cè)性能優(yōu)良。

(2)軸身截面硬度均勻性較好，且無(wú)明顯的硬度變化趨勢(shì)，由此可見，該試驗(yàn)件整體硬度均勻性較好，充分鍛透，保證了較好的整體力學(xué)性能。

(3)不論軸身大截面處，還是軸頭小截面處，其軸向性能和切向性能相比較，屈服強(qiáng)度差值均在50MPa以內(nèi)，遠(yuǎn)低于常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求的70MPa，說(shuō)明鍛件整體性能均勻，一致性較好。

(4)通過(guò)解剖分析，本產(chǎn)品制造工藝流程方案完全滿足34CrMo1A中小型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子類鍛件生產(chǎn)制造需求，對(duì)穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本、開展生產(chǎn)實(shí)踐具有十分重要的指導(dǎo)意義。