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      4140鋼熱軋調(diào)質(zhì)材生產(chǎn)工藝

      2010-11-30 02:09:40白廣成
      中國重型裝備 2010年2期
      關(guān)鍵詞:調(diào)質(zhì)鋼材淬火

      白廣成 崔 波

      (東北特殊鋼集團技術(shù)中心北滿基地分中心,黑龍江161041)

      調(diào)質(zhì)鋼是機械制造行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的重要材料之一。2008年我公司首次以軋代鍛生產(chǎn)供出口的?254 mm~?310 mm大規(guī)格4140鋼熱軋調(diào)質(zhì)材。生產(chǎn)中利用罩式退火爐和水槽對鋼材進行調(diào)質(zhì)處理,對工藝流程和工藝參數(shù)我們也進行了一系列的試驗研究。

      1 4140鋼的技術(shù)要求

      用戶對4140鋼的化學(xué)成分要求見表1。

      成品圓鋼表面下25.4 mm處的縱向力學(xué)性能及鋼材表面硬度要求見表2。

      鋼材奧氏體晶粒度要求為5~8級。

      表1 4140鋼要求的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),%)

      表2 4140鋼力學(xué)性能要求

      2 4140鋼調(diào)質(zhì)材生產(chǎn)工藝

      4140鋼調(diào)質(zhì)材生產(chǎn)工藝流程為:電爐冶煉(EBT)→LF爐精煉→鋼錠澆注→熱送→均熱爐→軋機軋制→緩冷→表面扒皮清理→淬火→回火→鋼材矯直→清理→檢驗、上交。

      為保證鋼材力學(xué)性能要求,精煉時按照化學(xué)成分內(nèi)控標準進行控制,內(nèi)控成分見表3。

      表3 4140鋼內(nèi)控化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),%)

      2.1 4140鋼軋制工藝

      鋼錠在825 mm軋機上軋制成?180 mm~?310 mm規(guī)格的鋼材。因為4140鋼含Mn、S,在生產(chǎn)中對熱送的5.8 t鋼錠采用均熱溫度1 260℃,均熱時間3 h,這保證了鋼錠透燒以使軋制變形均勻。軋后鋼材入緩冷坑緩冷60 h,出坑后經(jīng)表面扒皮清理轉(zhuǎn)到冷拔熱處理廠進行調(diào)質(zhì)處理。

      2.2 4140鋼調(diào)質(zhì)工藝

      在淬火加熱裝爐前需要對鋼材表面進行臺架檢查清理,保證表面無裂紋缺陷,以防止在淬火過程中由表面裂紋導(dǎo)致產(chǎn)生淬火裂紋。

      鋼材淬火加熱在罩式爐進行,裝爐量控制在20 t左右,勻速升溫至(890±10)℃,均溫、保溫。淬火前水槽注滿并保持一定流量,水溫為10~40℃。時間控制為從摘罩到入水時間在10 min以內(nèi)。鋼材在水中每間隔2 min吊起后再入水中。淬火總時間30 min,出水時鋼材表面溫度達到200℃以下。

      鋼材淬火后,盡快裝爐回火?;鼗饻囟?80℃,均溫后保溫(6~8)h。出爐后水槽快冷到400℃以下,然后空冷。

      3 4140鋼調(diào)質(zhì)材質(zhì)量分析

      3.1 力學(xué)性能檢驗

      力學(xué)性能檢驗結(jié)果見表4。從表4可以看出,設(shè)計的工藝路線、化學(xué)成分內(nèi)控標準、各工藝操作規(guī)程合理準確,使4140熱軋調(diào)質(zhì)材的綜合性能均滿足技術(shù)指標的要求。

      表4 4140鋼力學(xué)性能檢驗結(jié)果

      3.2 4140鋼的晶粒度檢驗

      采用喂鋁線、加釩鐵的方法使釩、鋁化合物以細小彌散質(zhì)分布于晶界,阻止了晶粒長大,達到了細化晶粒的目的,使晶粒度級別穩(wěn)定在7~8級。

      3.3 調(diào)質(zhì)材組織情況

      沿調(diào)質(zhì)后鋼材的半徑方向,從表面到心部位置分三段取樣做金相組織檢驗,結(jié)果見圖1。圖1顯示,接近表面處完全淬透,調(diào)質(zhì)后得到回火索氏體組織。1/2R處得到大部分索氏體組織,而接近鋼材心部為混合組織。

      3.4 淬火裂紋的產(chǎn)生原因及控制措施

      第一批鋼材試制時,在調(diào)質(zhì)后的鋼材上發(fā)現(xiàn)了31%的淬火縱向裂紋和37%的端頭環(huán)裂。裂紋的形貌見圖2、圖3。

      結(jié)合實際生產(chǎn)情況分析認為產(chǎn)生淬火裂紋的主要原因是:(1)因為是采用水作為淬火介質(zhì),其在高溫區(qū)間冷卻速度快而在Ms點以下的低溫區(qū)間冷卻速度較慢。水溫升高后在高溫區(qū)間的冷卻能力降低,而在低溫區(qū)間的冷卻能力則幾乎沒有變化。在冷卻到Ms點以下的溫度時,鋼發(fā)生馬氏體相變,體積膨脹,產(chǎn)生第二類畸變、第二類應(yīng)力及宏觀的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力,因而易產(chǎn)生淬火裂紋;(2)在試制中發(fā)現(xiàn)多數(shù)的縱向裂紋都是在回火之后上臺架清理時出現(xiàn),這說明縱向裂紋是由于回火時冷卻過快產(chǎn)生的組織應(yīng)力造成的。

      圖1 4140鋼淬火、回火金相組織
      Figure 1 Metallurgical phase structure of tempering and quenching for 4140 steel

      圖2 4140鋼調(diào)質(zhì)產(chǎn)生的縱向裂紋Figure 2 Longitudinal crack of 4140 steel produced by tempering and quenching process

      圖3 4140鋼調(diào)質(zhì)產(chǎn)生的端部環(huán)形裂紋Figure 3 Head circumferential crack of 4140 steel produced by tempering and quenching process

      在之后的試生產(chǎn)中我們縮短了淬水時間,將鋼材淬火出水溫度控制在250℃左右。同時控制回火冷卻速度,快速水冷到450℃后空冷到室溫,隨后裝爐進行400℃以下的消除應(yīng)力回火。這一系列措施避免了淬火縱向裂紋的產(chǎn)生。

      鋼材端部的環(huán)形裂紋則是由于端部倒角不均勻,在淬火時產(chǎn)生應(yīng)力集中造成的。在以后的生產(chǎn)中嚴格執(zhí)行均勻45°倒角,使環(huán)形裂紋的發(fā)生率降到3%以下。

      4 結(jié)論

      我公司在2008~2009年生產(chǎn)4140鋼熱軋調(diào)質(zhì)材300多噸,其生產(chǎn)工藝路線合理,技術(shù)措施得當,各項檢驗指標完全滿足了用戶對力學(xué)性能、晶粒度、低倍組織的要求。尤其對控制鋼材在調(diào)質(zhì)過程中產(chǎn)生裂紋所采取的措施是非常有效的,使調(diào)質(zhì)材的綜合合格率穩(wěn)定在97%以上。有利于今后積極開發(fā)國內(nèi)外市場,擴大生產(chǎn)規(guī)模。

      [1] 項程云.合金結(jié)構(gòu)鋼.北京:冶金工業(yè)出版社.

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