李玉芳

(東北特殊鋼集團(tuán)北滿(mǎn)基地，黑龍江161041)

傳動(dòng)軸殼體是螺桿鉆具的重要部件，工作中主要承受傳遞動(dòng)力和扭矩。要求具有良好的綜合力學(xué)性能，既要有良好的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，同時(shí)還應(yīng)有良好的塑性和韌性。我們進(jìn)行了傳動(dòng)軸殼體的試制，最終獲得成功，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均達(dá)到了技術(shù)條件要求，從而達(dá)到批量生產(chǎn)。

1 主要技術(shù)條件

1.1 化學(xué)成分及冶煉方法

冶煉方法采用電爐冶煉+真空精煉?；瘜W(xué)成分見(jiàn)表1。

1.2 力學(xué)性能

鍛件經(jīng)整體熱處理后，縱向力學(xué)性能，試驗(yàn)方法及試樣制備按GB/T 228—2002、GB/T 229—2007標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。檢驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿(mǎn)足表2的規(guī)定。

1.3 低倍檢驗(yàn)

在橫截面酸浸低倍組織試片上，不得有目視可見(jiàn)的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮及白點(diǎn)、晶間裂紋。低倍組織按GB/T 1979—2001標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，中心疏松、一般疏松、錠型偏析全部≤2.0，不允許有一般點(diǎn)狀偏析、邊緣點(diǎn)狀偏析。

1.4 非金屬夾雜物

在鍛件的一端(相當(dāng)于帽口端)上取樣，按GB 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)JK評(píng)級(jí)圖評(píng)定。A粗≤2.0級(jí)、A細(xì)≤2.0級(jí)，B粗≤2.0級(jí)、B細(xì)≤2.0級(jí)，C粗≤2.0級(jí)、C細(xì)≤2.0級(jí)，D粗≤2.0級(jí)、D細(xì)≤2.0級(jí)。

表1 AISI4145HMoD熔煉化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The Chemical compositions of AISI4145HMOD(mass fraction，%)

表2 AISI4145HMoD 力學(xué)性能(中間壁厚)Table 2 The mechanical properties of AISI4145HMOD(mid wall)

1.5 晶粒度

按GB/T 6394—2002標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)晶粒度，實(shí)際晶粒度細(xì)于5級(jí)。

1.6 超聲波探傷

要求探傷無(wú)裂紋、夾渣、氣孔等缺陷；小臺(tái)階超聲波探傷起始靈敏度為?2 mm當(dāng)量。軸身探傷合格級(jí)別單點(diǎn)缺陷為不大于?5 mm當(dāng)量，連續(xù)缺陷不大于?3 mm當(dāng)量。

2 生產(chǎn)試制工藝流程

傳動(dòng)軸殼體的 工藝流程為：電爐+LF+VD→澆注鋼錠→鋼錠熱送→鋼錠入待料爐→高溫爐加熱→鍛造→退火→粗加→探傷→調(diào)質(zhì)→取樣檢驗(yàn)→檢查、上交。

3 生產(chǎn)試制

3.1 電爐冶煉

為了滿(mǎn)足力學(xué)性能的嚴(yán)格要求，制定了內(nèi)控化學(xué)成分，大幅度降低N、P、S、Cu、Sn、As、Sb等有害元素含量，同時(shí)提高M(jìn)n、Si、Cr、Mo下限含量，見(jiàn)表3。

表3 內(nèi)控化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 The internally piloting chemical compositions (mass fraction，%)

采用偏心底出鋼爐、氧化法冶煉。精選優(yōu)質(zhì)廢鋼和生鐵，冶煉過(guò)程根據(jù)渣況隨時(shí)加入適量石灰和少量螢石調(diào)渣，使渣量保持在鋼水量的4%～5%左右。氧化期脫碳量應(yīng)≥0.30%，在爐內(nèi)造泡沫渣，碳低時(shí)向爐中不斷地加入碳粉，并保證有足夠的沸騰時(shí)間。氧化末深吹氧時(shí)間≥10 min，以促進(jìn)夾雜物和氣體的上浮，并采取熔化期流渣強(qiáng)力去磷操作方式，過(guò)程中隨時(shí)補(bǔ)充新渣料。當(dāng)[P]≤0.006%，溫度≥1 600℃出鋼入紅鋼包，出鋼同時(shí)加入合金及石灰等渣料。出鋼前鋼水有害元素Sb、Sn、As含量必須小于0.020%，否則改鋼種。

3.2 LF精煉

鋼包到LF位后吹氬給電加熱，過(guò)程中分批加入FeSi粉、Al粒擴(kuò)散脫氧，使?fàn)t渣變白，取樣全分析，根據(jù)結(jié)果將成分調(diào)到內(nèi)控要求，精煉過(guò)程保證白渣操作。白渣下精煉時(shí)間≥20 min。當(dāng)S≤0.007%，溫度≥1 630℃時(shí)吊鋼包倒渣后進(jìn)真空位。

3.3 VD真空

進(jìn)入真空位繼續(xù)吹氬，喂鋁線(xiàn)150 m。扣真空蓋后逐級(jí)開(kāi)啟真空泵，在真空度≤67 Pa時(shí)保持時(shí)間≥15 min，去除鋼水中大顆粒夾雜和溶解的氣體。破真空放散后，加保溫劑50 kg/爐，減小氬氣壓力，氬氣壓力 大小以渣面微動(dòng)，不裸露鋼液為準(zhǔn)，軟吹時(shí)間≥15 min，促進(jìn)細(xì)小夾雜物上浮。

3.4 鋼錠加熱、鍛造

鋼錠脫模后，在50 min內(nèi)熱送至鍛造分廠(chǎng)，裝入待料爐。待料爐溫度650～750℃，均溫≥10 h。鋼錠加熱曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 鋼錠加熱曲線(xiàn)Figure 1 The ingot heating curve

鋼錠在30 MN水壓機(jī)上進(jìn)行鍛造，鍛造余量35 mm。采用一鐓一拔工藝，使用弧形鐓粗板，鍛比≥3.5。鐓粗后采用大壓下量拔長(zhǎng)，保證一道次壓下量大于200 mm，一火出成品。由于軸身、軸頸的落差大，鍛造過(guò)程中對(duì)鍛件的彎曲度、同心度也做了重點(diǎn)控制。

3.5 鍛后預(yù)備熱處理

鍛后預(yù)備熱處理工藝見(jiàn)圖2。

3.6 調(diào)質(zhì)前粗車(chē)圖及調(diào)質(zhì)后取樣位置

AISI4145HMoD傳動(dòng)軸殼體形狀為帶孔的斜面階軸。調(diào)質(zhì)前粗車(chē)尺寸及調(diào)質(zhì)后取樣位置見(jiàn)圖3。

3.7 調(diào)質(zhì)熱處理

3.7.1 工藝制定及難點(diǎn)分析

調(diào)質(zhì)工藝采用840～860℃水淬油冷，回火溫度為590～ 640℃。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，調(diào)質(zhì)后各項(xiàng)力學(xué)性能均能達(dá)到技術(shù)要求，但存在的問(wèn)題是：若冷卻速度慢水冷時(shí)間偏短則沖擊性能易低于標(biāo)準(zhǔn)值；若冷卻速度快水冷時(shí)間偏長(zhǎng)則易產(chǎn)生淬火裂紋。因此正確選擇水冷速度及水冷時(shí)間是制定調(diào)質(zhì)工藝的關(guān)鍵。

3.7.2 提高調(diào)質(zhì)一次合格率

(1)存在的問(wèn)題

圖2 預(yù)備熱處理曲線(xiàn)Figure 2 The conditioning treatment curve

圖3 調(diào)質(zhì)前粗車(chē)尺寸及調(diào)質(zhì)后取樣位置Figure 3 Rough turn size before hardening and tempering and sampling location after hardening and tempering

表4 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 The check results of mechanical properties

由于中心鉆孔后再調(diào)質(zhì)，加之形狀復(fù)雜，調(diào)質(zhì)時(shí)有2支產(chǎn)生淬火裂紋。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)裂部位位于內(nèi)孔壁上，裂紋沿軸向分布，由表面延伸至心部，裂紋深而長(zhǎng)，呈縱向分布。工件加熱與冷卻工藝均符合要求。從工件尺寸因素檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)軸殼體較薄處正處于該鋼種臨界直徑D0水D0油附近，淬火水冷時(shí)過(guò)渡區(qū)存在較大組織應(yīng)力，該部位易產(chǎn)生裂紋。另一方面，階軸形狀也對(duì)預(yù)防裂紋產(chǎn)生不利影響。淬火冷卻時(shí)，內(nèi)孔處冷卻慢，熱應(yīng)力小，內(nèi)孔表面主要是組織應(yīng)力，呈切向拉應(yīng)力分布。當(dāng)切向拉應(yīng)力高于斷裂強(qiáng)度時(shí)，內(nèi)孔壁上會(huì)產(chǎn)生縱向裂紋。另外，研究表明，Si、Mn含量超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力增大，使鍛件內(nèi)孔開(kāi)裂。

(2)改進(jìn)措施

(a)嚴(yán)格控制化學(xué)成分，確保每個(gè)冶煉爐號(hào)的化學(xué)成分均勻一致；

(b)進(jìn)一步完善調(diào)質(zhì)加熱工藝。由于軸身直徑變化較大，為避免產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力采用兩次預(yù)熱。淬火冷卻時(shí)，嚴(yán)格控制冷卻時(shí)間，并跟蹤每爐水冷后的終冷溫度。參照每爐化學(xué)成分修訂計(jì)算出合理的冷卻時(shí)間，進(jìn)一步保證淬火質(zhì)量，確保不出現(xiàn)淬火裂紋。

(3)取得的效果

采取上述措施后沒(méi)有發(fā)生淬火裂紋且沖擊性能較好，調(diào)質(zhì)合格率由原來(lái)的62%提高到100%。

4 檢驗(yàn)結(jié)果

4.1 經(jīng)檢驗(yàn)AISI4145HMoD傳動(dòng)軸殼體的力學(xué)性能全部合格，具體指標(biāo)詳見(jiàn)表4。

4.2 化學(xué)成分、低倍、夾雜、性能、冷彎和超聲波探傷檢驗(yàn)結(jié)果也全部合格，完全滿(mǎn)足用戶(hù)技術(shù)條件的要求。

5 結(jié)論

AISI4145HMoD傳動(dòng)軸殼體近半年的試生產(chǎn)及批量生產(chǎn)結(jié)果表明：在冶煉時(shí)嚴(yán)格控制成分及夾雜物，鍛造時(shí)保證有足夠的變形量，控制好最后一火的變形量及溫度，合理調(diào)整調(diào)質(zhì)熱處理參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量完全能滿(mǎn)足技術(shù)條件要求。

[1] 束德林.金屬力學(xué)性能.北京：機(jī)械工作出版社.1999.10.

[2] 康大韜，等.大型鍛件材料及熱處理，北京：龍門(mén)書(shū)局.1998.