中國(guó)南車戚墅堰機(jī)車有限公司 (江蘇 213011) 李 麗
我公司開(kāi)發(fā)研制并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的時(shí)速為180km的280系列內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)的精密螺栓、曲軸、連桿等關(guān)鍵零部件的材料主要選用42CrMo鋼。因?yàn)椴裼蜋C(jī)關(guān)鍵零部件的工作狀況非常惡劣,所以材料的選用、熱處理、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用非常慎重。42CrMo鋼常規(guī)熱處理工藝是將淬火和高溫回火合在一起進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,淬火時(shí)將鋼加熱到高溫奧氏體狀態(tài),保溫一段時(shí)間后快速冷卻下來(lái),得到高硬度馬氏體組織,再進(jìn)行高溫回火,即加熱到500~650℃,保溫后出爐自然冷卻,其目的是為了獲得較高的強(qiáng)度和韌性等相匹配的綜合力學(xué)性能。
從表1中42CrMo的化學(xué)成分及臨界溫度可以看到,42CrMo鋼屬于亞共析鋼,緩冷到室溫的組織是珠光體+鐵素體。從鋼的分類來(lái)看,42CrMo鋼屬調(diào)質(zhì)鋼,其中,Cr元素可以提高淬透性,Mo元素可防止回火脆性。42CrMo材料調(diào)質(zhì)后具有一定的硬度、強(qiáng)度和韌性,適合連桿在高速運(yùn)行時(shí)的拉力,主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)多角度受到的剪切力和精密螺栓拉力等的材料特性。故認(rèn)為42CrMo材料完全符合柴油機(jī)工況的應(yīng)用。圖1、圖2為使用42CrMo材料制造的產(chǎn)品。
(1)淬火加熱溫度 42CrMo鋼屬于亞共析鋼,淬火溫度選擇Ac3以上30~50℃,在此溫度下可獲得全部為細(xì)晶粒的奧氏體組織,淬火后能得到全部為細(xì)晶粒的馬氏體組織,如果加熱溫度過(guò)高,則會(huì)引起奧氏體晶粒的長(zhǎng)大,淬火后得到粗晶粒的馬氏體組織,韌性變差。如果加熱溫度過(guò)低,在Ac1、Ac3之間則有部分鐵素體未能溶入到奧氏體中,淬火后組織中除了馬氏體,還有柔軟的鐵素體,淬火就達(dá)不到所要求的硬度。
表1 42CrMo的化學(xué)成分及臨界溫度
圖1 連桿
圖2 平衡塊螺釘
(2)淬火加熱時(shí)間 加熱的主要目的是為了使工件整個(gè)截面都能夠熱透,不但表面,而且中心也能達(dá)到淬火加熱溫度。熱量由表面?zhèn)鞯街行男枰欢螘r(shí)間,因此要有保溫過(guò)程,時(shí)間不能太短,否則組織轉(zhuǎn)變不完全,保溫時(shí)間太長(zhǎng),會(huì)使奧氏體晶粒粗大。在實(shí)際操作過(guò)程中加熱時(shí)間=加熱系數(shù)×工件裝爐系數(shù)(1.5)×工件有效厚度。
(3)淬火冷卻介質(zhì) 要選擇合適的淬火冷卻介質(zhì),否則在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用下,會(huì)引起變形和開(kāi)裂。理想的淬火冷卻介質(zhì)應(yīng)具備的條件是既能淬成馬氏體,又不致引起太大的淬火應(yīng)力。這就要求在奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的鼻子以上溫度緩冷,以減小急冷所產(chǎn)生的熱應(yīng)力,在鼻子處具有保證奧氏體不發(fā)生分解的冷卻速度,而在馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí),即在Ms點(diǎn)以下時(shí),冷卻速度盡量小,以減少組織轉(zhuǎn)變的應(yīng)力。本文主要采用油冷方式。
(4)回火加熱溫度 工件經(jīng)淬火后,一般都要進(jìn)行回火。這是因?yàn)榇慊鸷蟮玫降鸟R氏體性能很脆,并存在較大的內(nèi)應(yīng)力,如不及時(shí)回火,時(shí)間久了有可能引起工件發(fā)生開(kāi)裂。回火就是將淬火后的工件重新加熱到Ac1以下某一溫度,保溫一段時(shí)間,然后取出工件以一定的冷卻方式冷卻下來(lái)。回火的主要目的:降低脆性,消除內(nèi)應(yīng)力,使淬火組織趨于穩(wěn)定;使工件獲得滿意的綜合力學(xué)性能。調(diào)質(zhì)回火后主要得到回火索氏體組織,是顆粒狀滲碳體和鐵素體組成的機(jī)械混合物,具有良好的綜合力學(xué)性能。回火溫度的選擇是回火操作中很重要的環(huán)節(jié)。若回火溫度過(guò)低,回火后的硬度就會(huì)偏高,這時(shí)要再回火一次。如果回火溫度過(guò)高,回火后的硬度就會(huì)偏低,此時(shí)要重新淬火。
(5)回火加熱時(shí)間 回火加熱時(shí)間=加熱系數(shù)(3)×工件裝爐系數(shù)×工件有效厚度。我公司的回火工藝采用空冷的冷卻方式。
(1)水平螺栓 以公司產(chǎn)品水平螺栓調(diào)質(zhì)要求在260~300HBW的工藝試驗(yàn)為例。
淬火工藝的制訂:確定加熱溫度810~830℃,加熱時(shí)間=1.2×1.5×31=55.8min,故采用60min,冷卻方式為油冷。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,淬火溫度高點(diǎn),一般在(860±10)℃,這樣使得加熱時(shí)間變短,即珠光體和鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體快一點(diǎn),工件熱透,防止出現(xiàn)欠熱的現(xiàn)象。但溫度不宜太高,否則會(huì)使晶粒粗大,獲得的馬氏體也粗大,使鋼變脆。采用較低溫度淬火,主要是防止變形,但容易出現(xiàn)欠熱的情況,即工件很難達(dá)到完全奧氏體化。圖3為水平螺栓淬火工藝曲線。淬火后自檢硬度為45HRC、45HRC、46HRC。
圖3 水平螺栓淬火曲線
回火工藝的制訂:根據(jù)淬火后硬度確定回火工藝參數(shù),回火溫度590℃,回火加熱時(shí)間=加熱系數(shù)(3.0)×工件有效厚度(31mm)×裝爐系數(shù)(1.2)=111.6,取120min,冷卻方式為空冷,圖4為水平螺栓淬火、回火曲線?;鼗鸷笞詸z硬度為28HRC、29HRC、30HRC,符合產(chǎn)品技術(shù)要求。
圖4 水平螺栓淬回火曲線
(2)輸入軸 輸入軸調(diào)質(zhì)要求為240~280HBW。調(diào)質(zhì)熱處理工藝見(jiàn)圖5,淬火溫度為860℃,淬火加熱時(shí)間為=1.2×1.5×143=257.4min,故采用260min,冷卻方式為油冷?;鼗饻囟?00℃,保溫時(shí)間=加熱系數(shù)(3.0)×工件有效厚度(143mm)×裝爐系數(shù)(1.2)≈520min,冷卻方式為空冷。調(diào)質(zhì)后自檢硬度為25HRC、26HRC、27HRC,符合產(chǎn)品技術(shù)要求。
圖5 輸入軸淬回火曲線
(3)螺栓 螺栓調(diào)質(zhì)技術(shù)要求為硬度280~320HBW。此工藝可以根據(jù)調(diào)質(zhì)要求在240~280HBW的調(diào)質(zhì)工藝制訂中推測(cè)出,一般情況下,硬度要求低些,回火溫度偏高些,硬度要求高些,回火溫度低些。螺栓硬度要求比水平螺栓高些,故回火溫度可以適當(dāng)?shù)托?,采?80℃回火,調(diào)質(zhì)后自檢硬度為30HRC、31HRC、31HRC,符合產(chǎn)品技術(shù)要求。
(4)氣缸蓋螺栓 氣缸蓋螺栓技術(shù)要求為280~320HBW、Rm≥1080MPa、Rp0.2≥930MPa、A≥12%、Z≥45%、aK≥78.4J/cm2。此類產(chǎn)品我們主要以自檢硬度為主線,只要回火后硬度在技術(shù)要求范圍內(nèi),便可以送上一級(jí)檢測(cè)中心進(jìn)一步作性能檢測(cè)。正常情況下,力學(xué)性能完全合格。
在這幾種常見(jiàn)不同技術(shù)要求的工藝試驗(yàn)下,42CrMo鋼調(diào)質(zhì)后都獲得了所要求的硬度,調(diào)質(zhì)后得到回火索氏體組織,具有良好的綜合力學(xué)性能。
(20130728)