汽車曲軸用調(diào)質(zhì)鋼42CrMo生產(chǎn)工藝研究

楊雪春

(黎明職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程系,福建泉州362000)

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、居民收入不斷提高,中國汽車需求量日益增長,這促進(jìn)了汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,拉動了汽車專用鋼的快速發(fā)展。特別是隨著中國加入世貿(mào)組織以來,國外各大汽車制造公司為了迅速占領(lǐng)中國市場,紛紛成立外資、合資汽車制造公司,為了降低成本,汽車零部件國產(chǎn)化勢在必行,這就直接導(dǎo)致汽車發(fā)動機(jī)主要零部件-曲軸的市場急劇增大[1]。文章為摸索汽車曲軸用調(diào)質(zhì)鋼42CrMo具體生產(chǎn)中的各種生產(chǎn)工藝參數(shù),了解不同熱處理狀態(tài)下的性能水平進(jìn)行試驗研究,為以后批量生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗用料

為摸索、掌握42CrMo鋼熱處理組織及力學(xué)性能的變化規(guī)律,任意切取爐號08303160354、規(guī)格φ 250 mm料進(jìn)行試驗。

42CrMo化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)對比見表1。

表1 42CrMo化學(xué)成分(%)

2 試驗過程

2.1 工藝路線

熱軋材調(diào)質(zhì)工藝與鍛造調(diào)質(zhì)工藝相比,取消退火、車削加工工序,可較大幅度縮短生產(chǎn)周期,利用現(xiàn)有的工裝設(shè)備,采用的調(diào)質(zhì)路線如下:

坯料驗收→清理→裝爐調(diào)質(zhì)(淬火+回火)→取樣(判定)→成品檢查、探傷→上交。

2.2 42CrMo調(diào)質(zhì)工藝

淬火工藝和回火工藝曲線見圖1和圖2。

2.3 操作要點(diǎn)

2.3.1 坯料驗收

試驗料083031603545.17 t*7φ 250 mm,鋼錠頭部650 mm,尾部560 mm,平均605 mm,壓縮比為7.45。按82%成材率計算,等切兩段,每段長度為5.5 m,實際長度5.7～5.9 m,軋鋼廠緩冷坑出爐后,扒皮機(jī)扒皮,表面較好,但局部有裂紋近10 mm深,冷拔廠局部清理。先清理后調(diào)質(zhì),調(diào)質(zhì)后成品探傷。

2.3.2 裝爐、調(diào)質(zhì)

⑴裝爐:根據(jù)卡片的重量和來料支數(shù),裝兩層。兩層中間墊小墊鐵,根據(jù)來料長度,間隔每米一個,根據(jù)生產(chǎn)安排在地上擺好后,待上爐,出爐后吊上。每爐要調(diào)整大墊鐵與小墊鐵對齊。

⑵必須仔細(xì)核對來料尺寸規(guī)格,嚴(yán)格按照調(diào)質(zhì)工藝執(zhí)行。

⑶熱處理作業(yè)區(qū)提前組織準(zhǔn)備,到保溫時間后及時淬水。

a、淬火前必須將將水管閥門調(diào)至最大,水槽注滿并保持一定流量。

b、淬火前,保證水槽水溫為常溫。如果水槽水溫高于常溫,提前注水,將水溫置換成常溫。

c、淬火時兩臺天車同時操作。從摘罩到入水,控制時間＜4 min,盡最大可能控制在3.5 min以內(nèi)。在水中每間隔1.5 min,吊起后再入水中,在水中具體時間按工藝要求,出槽溫度≤200℃。

d、回火:提前準(zhǔn)備好回火爐。淬火后為適當(dāng)降低鋼材的表面溫度,在1～2 h裝爐內(nèi)回火,根據(jù)料與小墊鐵的情況進(jìn)行調(diào)整大墊鐵距離;回火出爐后空冷,可進(jìn)行溫校。

e、加熱爐為罩式加熱爐,爐溫均勻,但長度小于6m為宜(可裝料6.5m,但兩端在煙道處,溫度低)。淬火加熱時間(均溫后)按0.12 h/m,回火按0.2 h/m。

f、冷拔廠采用18#爐加熱,均溫2 h,加熱3 h 50 min。14支分兩次裝爐,每爐 7支,中間用墊鐵隔開,上三支下四支。

3 試驗結(jié)果

3.1 力學(xué)性能

在42CrMo試驗料的不同位置取樣檢驗力學(xué)性能見表2。

表2 42CrMo力學(xué)性能表[2]

由表2可以看出:滿足技術(shù)條件情況下允許有一個沖擊值低于35 J的2/3的要求,12.5 mm處硬度272 HB,25mm處硬度249HB,根據(jù)25 mm處達(dá)到的力學(xué)性能及硬度,盡管淬火條件不好,但水淬可淬透25 mm。

3.2 42CrMo試驗料的金相組織[3]

在熱軋空冷、正回火、調(diào)質(zhì)狀態(tài)下,試樣(沖擊試樣)在金相顯微鏡下的組織觀察見圖3～6。

沖擊值高試樣是在取低倍試片后切取,如果第一個力學(xué)性能檢驗不合再重新向里切取,從金相組織及熱處理爐加熱、淬水的實際情況分析,由于端部靠近罩式、井式爐煙道,并且頭尾部加熱溫度低,出爐淬水時間達(dá)到4 min 40s,使頭尾部冷卻速度快,根據(jù)42CrMo變形的CCT曲線看,冷卻速度快而又達(dá)不到水冷速度時,轉(zhuǎn)變進(jìn)入貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū),發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。熱處理工藝需進(jìn)一步完善。

4 分析討論

⑴42CrMo為中淬透性調(diào)質(zhì)鋼,以前生產(chǎn)過程中由于工藝需要,為防止淬裂,采用出爐后空冷8 min,結(jié)果表明,即使是表面也未獲得馬氏體組織,因此此次生產(chǎn)使用靠近水槽的18#爐,達(dá)到盡快入爐。一臺天車的最大起吊重量為15 t,從摘罩、掛鏈子、吊起至入水需4 min 40 s,比較緊湊,但時間仍然較長。

⑵淬水用水槽尺寸為7 m×3 m,較小,而且沒有水循環(huán)裝置,依靠水槽下方管道排水,起不到循環(huán)作用。15 t鋼材入水后6～10 min,水溫即由近20℃升高到70～80℃。根據(jù)水、油等冷卻介質(zhì)性質(zhì),為達(dá)到力學(xué)性能指標(biāo),42CrMo適合水淬油冷,冷拔熱處理廠只有水槽,沒有油槽,無法實現(xiàn)水淬油冷,而水冷卻在高溫區(qū)冷卻能力低,在低溫區(qū)冷速大,并且水溫對冷卻能力影響非常大,18℃水冷卻強(qiáng)度650～550℃,H=1;50℃H=0.17;300～200℃H=1。由此看出,由于水槽小,導(dǎo)致水溫快速提高,沒有起到水淬油冷的作用,因水在200～300℃(42CrMo Ms點(diǎn)310℃)冷卻能力強(qiáng),易引起變形、開裂[4]。

⑶針對以上問題,采取水冷時間為20 min,上下串動,以破壞水的蒸汽膜。出水后料溫在100℃左右,1 h內(nèi)裝爐回火。

5 問題及改進(jìn)

42CrMo調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行分段切削加工,用于結(jié)構(gòu)件、軸的生產(chǎn)制造,在規(guī)格小于310 mm時與鍛材調(diào)質(zhì)鋼相比具有以下特點(diǎn):生產(chǎn)速度快、周期短及裝爐量大,有很好的發(fā)展趨勢。

目前42CrMo經(jīng)過生產(chǎn)試驗,在技術(shù)條件、生產(chǎn)工藝、現(xiàn)場操作、檢驗等方面經(jīng)驗比較成熟,但還存在一些問題,針對這些問題進(jìn)行改進(jìn)的措施如下:

⑴42CrMo在半徑1/2處取樣,而該鋼種實際淬透性為25 mm,改為半徑1/3處取樣,有利于沖擊功檢驗穩(wěn)定性;

⑵根據(jù)檢驗結(jié)果,進(jìn)行調(diào)質(zhì)工藝的調(diào)整:減少淬火保溫時間,適當(dāng)增加回火保溫時間,并按不同規(guī)格延長水冷時間;

⑶規(guī)范操作,每熱處理爐次處理重量由原15 t增加到25 t以上,即每熱處理爐次處理一電爐,產(chǎn)能提高一倍,從摘罩到入水時間控制在3 min以內(nèi);

⑷規(guī)范取樣項目、方法及取樣位置;

⑸投入兩臺熱處理爐進(jìn)行淬火,一到兩臺熱處理爐進(jìn)行回火,以平均裝爐量25 t計算(淬火加熱總時間按規(guī)格不同為15～20 h),每天可處理50 t,每月按30 d計算,每月可處理1500 t,可以滿足生產(chǎn)需求。

[1]閻承沛.典型零件熱處理缺陷分析及對策[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[2]束德林.金屬力學(xué)性能[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1987.

[3]程金元.金屬材料學(xué)[M].西安:陜西人民教育出版社,1989.

[4]中國機(jī)械工程學(xué)會熱處理分會.熱處理工程師手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.