陳 洪 王雷剛 錢喜根 潘正華 賀佳陽

(1.江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇212013；2.張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司，江蘇215600)

礦山電鏟設備核心部件的技術(shù)要求和質(zhì)量指標異常嚴格，因為礦山機械用環(huán)鍛件主要用于礦山機械如挖掘機、起重機、制砂機等的承重與傳動件，需要具有良好組織結(jié)構(gòu)的材料，晶粒度大于6級，材料具有較高機械強度、硬度、耐磨性、韌性及低溫性能。按照國內(nèi)外顧客要求和美國對環(huán)鍛件產(chǎn)品性能的標準，我們確立了電鏟系列環(huán)鍛件的材質(zhì)指標，并對鍛造工藝、熱處理工藝進行了試驗，以滿足電鏟設備的使用性能和要求。

1 礦山電鏟環(huán)鍛件生產(chǎn)中的問題

按常規(guī)工藝生產(chǎn)礦山電鏟環(huán)鍛件產(chǎn)品時合格率低，環(huán)件淬火后極易出現(xiàn)開裂。通過斷裂處夾雜物與金相檢測分析，顯示存在非金屬夾雜物超標及魏氏組織。針對這些問題，對常規(guī)生產(chǎn)工藝進行了全面評價：

(1)選材原因。環(huán)件有裂紋和性能未達標，可能的原因是所選鋼錠未經(jīng)真空脫氣，氫氧含量未達標，或是鋼錠化學成分及澆鑄不當，材料內(nèi)部有裂紋。

(2)未對不同材質(zhì)與用途的環(huán)件分類管理。對有特殊要求的礦山電鏟環(huán)鍛件，按一般鍛件編制工藝規(guī)程，缺乏有針對性的工藝規(guī)范。

(3)材料加熱后經(jīng)制坯、碾鍛，但未作多次鐓拔變形，未達到≥6的鍛造比。

(4)鍛造、熱處理設備及檢測條件的局限。主要是設備使用年限過長，難以達到質(zhì)量要求和精度。

(5)工藝規(guī)程未進行全過程嚴格的工藝監(jiān)督與質(zhì)量見證。如個別鍛件金相檢驗顯示魏氏組織，說明鍛件升溫過熱，缺乏溫控過程的監(jiān)督。

綜上所述，礦山電鏟產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，包括材料的選用、加熱、鍛制、熱處理和金加工，特別是調(diào)質(zhì)熱處理，對材料的力學性能與內(nèi)在質(zhì)量有很大的影響，需要針對礦山電鏟的使用要求進行工藝研發(fā)和特殊的質(zhì)量控制。

2 礦山電鏟環(huán)鍛件生產(chǎn)工藝路線

礦山電鏟環(huán)鍛件試制所用的材料為4150H鋼，通過多批工藝投料試驗與試制，制訂了MPP工藝規(guī)程。具體試制工藝為：原材料復驗→下料→加熱→制坯→碾環(huán)→粗車→無損檢測→熱處理(正火)→粗加工→無損檢測→熱處理(調(diào)質(zhì))→精加工。試制工藝示意圖見圖1。

圖1 試制工藝示意圖Figure 1 Schematic drawing of trial manufacture process

牌號CSiMnPSCrNiMoCuAlPbVTi4150H0.48～0.530.15～0.350.80～1.10≤0.015≤0.0150.90～1.200.15～0.300.20～0.25≤0.25≤0.015≤0.005≤0.08≤0.02

注：[O]≤20×10-6，[H] ≤1.8×10-6，N≤0.010

表2 4150H鋼的非金屬夾雜物Table 2 Non-metallic inclusions of 4150H steel

表3 4150H鋼的低倍組織Table 3 Macrostructure of 4150H steel

3 礦山電鏟環(huán)鍛件用4150H的試制工藝

3.1 原材料選擇

礦山電鏟環(huán)鍛件對所需的原材料有嚴格的質(zhì)量要求，根據(jù)美國某公司的要求，按美標和歐標調(diào)整了化學成分，確定了材料的P、S、H、O含量與非金屬夾雜物及材料的低倍組織要求。材料的化學成分、非金屬夾雜物及低倍組織要求分別如表1、表2和表3所示。

3.2 鍛造工藝改進 [1～4]

根據(jù)4150H鋼的技術(shù)特性，采取如下的爐溫控制措施：(1)材料裝爐加熱位置避開火焰噴嘴直射處，避免坯料局部過熱；(2)校準熱電偶測溫儀，嚴格控制爐子升溫和保溫時間，監(jiān)控與記錄加熱溫度；(3)使用便攜式側(cè)溫儀對加熱過程進行動態(tài)監(jiān)控與記錄，并與爐上熱電偶測溫情況進行對比，確保鍛坯材料加熱到規(guī)定溫度，不發(fā)生過燒。

為最大程度地打碎樹枝晶組織，鍛合材料內(nèi)部的縮孔等缺陷，工藝規(guī)程上明確了自由鍛和壓機制坯的鍛造比。寫明了反復錘打與鍛制的頻數(shù)與尺寸，以確保達到鍛造比≥6的要求。防止材料內(nèi)部存在較大的鑄態(tài)樹枝晶組織，以免造成對后續(xù)熱處理工藝產(chǎn)生影響。而且為保證材料在鍛造過程中保持足夠的塑性，鍛造加熱保溫溫度為1 250℃±20℃，始鍛溫度為1 150℃，終鍛溫度為850℃。環(huán)件在軋制過程中應注意芯輥和錐輥的進給速度比值，否則若其比值較大，則環(huán)件軋制后的上下表面以及側(cè)面會出現(xiàn)凹槽。若凹槽太深，超過了其所給的余量，就會造成環(huán)件的報廢。通過DEFORM-3D有限元模擬，得出其適當?shù)谋戎禐?。

圖2 4150H鋼異形環(huán)鍛件的形狀和尺寸Figure 2 Shapes and sizes of 4150H steel abnormity ring forging

3.3 熱處理工藝設計[5]

根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)標準，設計礦山電鏟環(huán)鍛件的熱處理工藝曲線。根據(jù)環(huán)鍛件的尺寸規(guī)格、壁厚等因素，確定進爐后的升溫、保溫時間。在熱處理正火后，先進行粗車，然后再進行調(diào)質(zhì)處理，從而確保了環(huán)鍛件最終的性能指標。4150H鋼異形環(huán)鍛件的尺寸與形狀如圖2所示，熱處理工藝曲線如圖3所示。

4 試制檢驗結(jié)果

4150H鋼異形環(huán)鍛件試制完成后，對其進行超聲波、力學性能及晶粒度檢測。其超聲檢測合格，力學性能和晶粒度都達到了技術(shù)要求。力學性能檢測結(jié)果如表4所示，晶粒度照片如圖4所示。

圖3 4150H鋼異形環(huán)鍛件的熱處理工藝Figure 3 Heat treatment process of 4150H steel abnormity ring forging

表4 4150H鋼異形環(huán)鍛件的力學性能Table 4 Mechanical properties of 4150H steel abnormity ring forging

圖4 4150H鋼異形環(huán)鍛件的力學性能Figure 4 Mechanical properties of 4150H steel abnormity ring forging

5 結(jié)論

(1)為保證材料在鍛造過程中有足夠的塑性以及鍛造后有良好的組織結(jié)構(gòu)， 4150H鋼環(huán)鍛件的鍛造加熱保溫溫度為1 250℃±20℃，始鍛溫度為1 150℃，終鍛溫度為850℃。材料的鍛造比應不小于6。

(2)為得到優(yōu)良的組織，保證環(huán)鍛件的力學性能達到技術(shù)要求，鍛坯采用的是870℃淬火+540℃回火。熱處理后材料的力學性能達到了技術(shù)要求，且晶粒度達到了6級。

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