侯友武 孫守田
(棗莊通晟實業(yè)有限公司,山東 棗莊 277011)
機(jī)械制造企業(yè)中,材料熱處理工藝應(yīng)用較為廣泛。而在我國一些中小規(guī)模機(jī)械制造企業(yè),因為技術(shù)能力、裝備水平、員工素質(zhì)等因素影響,鋼材熱處理技術(shù)一直困擾著企業(yè)的健康發(fā)展。
棗莊通晟實業(yè)有限公司為中等規(guī)模械制造企業(yè),其生產(chǎn)的礦用運(yùn)輸機(jī)配件、汽車零部件等產(chǎn)品機(jī)械綜合性能高,需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。采取傳統(tǒng)的淬火—回火熱處理工藝,產(chǎn)品質(zhì)量性能不穩(wěn)定,常出現(xiàn)斷裂、彎曲變形等情況,引發(fā)質(zhì)量糾紛,嚴(yán)重影響了企業(yè)形象和經(jīng)濟(jì)效益。棗莊通晟實業(yè)有限公司熱處理技術(shù)人員通過對45#熱處理工藝過程分析,優(yōu)化均質(zhì)化熱處理工藝,以解決產(chǎn)品實際使用過程中斷裂、彎曲變形等問題。
鋼的淬火和回火是最重要的熱處理工藝。淬火與不同溫度回火工藝結(jié)合,可顯著提高鋼的硬度,獲得不同強(qiáng)度、塑性和韌性的合理配合,滿足各種機(jī)械零件對材料力學(xué)性能的要求。
圖1 亞共析鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖(TTT圖)
圖1為亞共析鋼的TTT圖,從圖中得知,45#等亞共析鋼的淬透性差,且在淬火階段由于冷卻蒸汽泡膜的存在極易形成硬度不均的情況,造成熱處理后機(jī)加工困難、強(qiáng)度性能不良。若想獲得硬度較高的馬氏體(貝氏體)組織,需要在很短的時間內(nèi)將工件溫度降至Ms點(diǎn)以下,這也是45#等在淬火階段需要用水冷卻而不是油或者空冷的原因。
熱處理過程中冷卻介質(zhì)常采用空氣、水、鹽溶液、油等,實際應(yīng)用中多采用自來水??諝狻⒆詠硭子讷@取,成本低,但冷卻效果差;淬火油多用于模具等特殊鋼材,成本較高;與空氣、自來水、油相比,鹽溶液不僅提高45#淬火冷卻階段的冷卻速率,成本也沒有較大增加,同時還能防止工件表面遇冷時形成蒸汽泡膜影響局部淬火效果。
根據(jù)《熱處理實用數(shù)據(jù)速查手冊》、《金屬熱處理原理與工藝》等,結(jié)合企業(yè)實際情況對熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,冷卻介質(zhì)由普通自來水改為10%的NaCl水溶液。
3.2.1 淬火階段
將鋼加熱到臨界點(diǎn)以上一定溫度,保溫一定時間,然后以適當(dāng)速度冷卻獲得馬氏體或馬氏體加貝氏體組織。在中小機(jī)械制造企業(yè)中,實際操作時由于操作工的職業(yè)素養(yǎng)參差不齊,完全憑借個人經(jīng)驗來確定加熱工藝參數(shù),這就導(dǎo)致了產(chǎn)品熱處理質(zhì)量的不穩(wěn)定性。
表1 加熱計算經(jīng)驗公式及碳鋼和合金鋼的加熱系數(shù)
中小機(jī)械制造企業(yè)通常采用臺車式空氣電阻爐加熱和樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式堆放工件,故α取1min/mm,K取1.3。
表2 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的臨界溫度及常規(guī)熱處理工藝參數(shù)
由表2知,淬火溫度為840℃。
3.2.2 淬火冷卻階段
表3 常用淬火介質(zhì)的淬冷烈度H值(單位:cm-1)
淬冷烈度是表征冷卻介質(zhì)冷卻能力大小的重要指標(biāo),H值越大則冷卻能力越強(qiáng)。由表3知,45#冷卻介質(zhì)應(yīng)采用淬冷烈度H=2的10%濃度的NaCl水溶液冷卻方式。若采用H=1的水冷卻,則易在淬火冷卻階段水遇高溫生成的水蒸氣泡膜依附于工件表面,形成局部軟點(diǎn)而造成淬火結(jié)果不理想。
將冷卻介質(zhì)改為10%濃度的NaCl溶液,并在一側(cè)加裝電泵使介質(zhì)加速循環(huán)流動,并利用行車提供動力對熱處理物品上下運(yùn)動,通過加速冷、熱介質(zhì)對流,實現(xiàn)均質(zhì)化處理目標(biāo)。
3.2.3 回火階段
回火是鋼件淬硬后,再加熱到Ac1以下保溫一定時間,然后冷卻到室溫的工藝?;鼗鸬哪康氖欠€(wěn)定組織,減小或消除殘余應(yīng)力,提高鋼件的性能。
中小機(jī)械制造企業(yè)需要對回火工藝參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行量化,不能全憑操作者的經(jīng)驗。若零件硬度要求在220~260HB,由表2知,回火溫度選為580±10℃?;鼗鸺訜釙r間根據(jù)小批量試回火實驗確定為2h,實際生產(chǎn)中可根據(jù)裝爐量的大小自行調(diào)整,適當(dāng)延長或減少。
3.2.4 回火冷卻階段
基于熱處理產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜,且45#不存在第二類回火脆性,因此回火冷卻用水冷或空冷均可。
圖2 45#熱處理工藝曲線
熱處理工藝改進(jìn)前,產(chǎn)品熱處理硬度在200~240HB中間浮動,極個別部位甚至出現(xiàn)190HB這樣的軟點(diǎn)區(qū)域,分布區(qū)間較大,抗拉強(qiáng)度σb在640~820MPa之間,性能不穩(wěn)定。
采用均質(zhì)化熱處理工藝后,同一回火溫度下,產(chǎn)品硬度在220~240HB浮動,未發(fā)現(xiàn)軟點(diǎn)部位,抗拉強(qiáng)度σb上升至730~820MPa之間,力學(xué)性能提升明顯,產(chǎn)品顧客滿意度由原先的75.3%上升至96.5%。
針對45#熱處理時淬透性差、局部易出現(xiàn)軟點(diǎn)的情況,本文提出用濃度為10%的NaCl水溶液均質(zhì)化工藝,確保了整體淬火的一致性。對淬火溫度、淬火時間、冷卻介質(zhì)、冷卻方式、回火溫度、回火時間進(jìn)行優(yōu)化確認(rèn),并制作成工藝卡片確保嚴(yán)格執(zhí)行,從而使產(chǎn)品質(zhì)量得到了有效控制,給一些中小企業(yè)提供了較好的參考和借鑒價值。