劉東海,蘇 日

(中國第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部,黑龍江 齊齊哈爾 161000)

中間軸是大型交、直流電機(jī)中的關(guān)鍵部件,通常在巨大交變載荷下工作,承受較大的扭矩和彎矩。因此,對(duì)零件的內(nèi)部質(zhì)量要求極其嚴(yán)格。我公司為某電機(jī)廠生產(chǎn)的兩件大型交、直流電機(jī)中間軸在第一次調(diào)質(zhì)熱處理后局部強(qiáng)度不合格,且兩端強(qiáng)度波動(dòng)較大。因此,分析導(dǎo)致工件強(qiáng)度低及波動(dòng)大的原因成為了制定返修工藝的首要問題。

1 技術(shù)要求

中間軸驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 1271—2014交、直流電機(jī)軸鍛件 技術(shù)條件,中間軸35CrMo的化學(xué)成分要求見表1,力學(xué)性能要求見表2。

表1 35CrMo中間軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 中間軸的力學(xué)性能要求

2 粗加工取樣圖

中間軸形狀為兩端帶法蘭的長軸類件,要求在鍛件兩端法蘭位置切取試樣,每端各取2個(gè)拉力試樣和2個(gè)沖擊試樣,且取樣位置在離法蘭表面1/3半徑處,如圖1所示。

圖1 粗加工取樣圖Fig.1 Rough machining sampling diagram

3 調(diào)質(zhì)熱處理

由于工件尺寸較長(9955 mm),考慮裝爐及減少變形,采用大型井式爐進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理。為保證淬火效果最佳,出爐到入油時(shí)間控制在4 min以內(nèi),油溫控制在50 ℃以上,淬火時(shí)油循環(huán)。另外,為了消除長軸類件在井式爐垂直加熱、井式油槽垂直淬火時(shí)工件起吊端先出爐、后入油,導(dǎo)致工件上下兩端淬火溫度相差較大,影響淬火效果的不利因素,實(shí)際生產(chǎn)過程中淬火保溫時(shí),起吊端爐溫按工藝上限控制,如圖2所示。

圖2 熱處理工藝曲線Fig.2 The heat treatment process curve

4 性能測試結(jié)果與分析

調(diào)質(zhì)熱處理后試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果見表3。由表3可知,兩件中間軸上端法蘭(X1)的力學(xué)性能均合格,下端法蘭(X2)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均不合格。

表3 力學(xué)性能測試結(jié)果

根據(jù)表3測試結(jié)果分析,兩件中間軸下端法蘭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)異常低,且下端法蘭的屈強(qiáng)比也低于上端法蘭,這是由于淬火時(shí)下端法蘭冷卻不足而導(dǎo)致。

為找出下端法蘭冷卻不足的原因,查閱了大量相關(guān)資料并進(jìn)行了討論。在淬火初期階段,工件表面均形成蒸汽膜區(qū);隨著淬火過程的進(jìn)行,工件下表面蒸汽膜內(nèi)的熱氣體可通過工件表面進(jìn)入工件上方側(cè)面蒸汽膜內(nèi);然后工件側(cè)面蒸汽膜內(nèi)的熱氣體進(jìn)入工件水平向上表面蒸汽膜內(nèi),水平向上表面可將這部分熱氣體以氣泡形式排出[1-3]。從淬火過程中熱氣體流動(dòng)規(guī)律可以看出,工件水平向上表面散熱途徑主要有:從蒸汽膜內(nèi)向外排出熱氣泡、對(duì)流散熱、蒸汽膜內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)以及工件表面熱輻射等。工件側(cè)面散熱主要途徑有:對(duì)流散熱、蒸汽膜內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)以及工件表面熱輻射。而工件水平向下表面的散熱較為困難,尤其是下端為大截面工件,水平向下表面蒸汽膜內(nèi)的熱氣體很難通過工件表面進(jìn)入上方側(cè)面蒸汽膜內(nèi),隨著淬火過程氣體層厚度迅速增大而成為氣體堆,氣體堆的底部平面朝上、頂尖部朝下,成倒立狀。氣體堆內(nèi)部氣體不能發(fā)生流動(dòng),主要靠氣體的熱傳導(dǎo)和工件表面的熱輻射來散熱,氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)很小,氣體堆具有遠(yuǎn)大于普通蒸汽膜的厚度,熱傳導(dǎo)的熱量與氣體層的厚度成反比。因此,倒立氣體堆覆蓋的工件表面冷卻速度非常慢,倒立氣體堆可能覆蓋位置見示意圖3[4-5]。

圖3 氣體堆可能覆蓋位置 Fig.3 Possible coverage location of gas reactor

為驗(yàn)證以上分析及討論結(jié)果,選取了一件中間軸在表面進(jìn)行了硬度檢測,檢測位置如圖4所示,硬度檢測結(jié)果見表4。由表4可知,工件水平向下表面(C面和F面)硬度相比其他表面硬度偏低,尤其是截面較大的F面極為明顯。這也證明,當(dāng)大截面工件垂直淬火時(shí),水平向下表面確實(shí)形成氣體堆,影響淬火冷卻效果,從而導(dǎo)致強(qiáng)度偏低。

圖4 硬度檢測位置Fig.4 Hardness testing position

表4 硬度檢測結(jié)果(HB)

5 返修工藝方案制定

根據(jù)上述原因分析及討論結(jié)果,重新制定熱處理工藝以消除或減小淬火過程中產(chǎn)生的氣體堆。由于原調(diào)質(zhì)熱處理工藝的兩件中間軸上端法蘭(X1)部位性能均合格,且各項(xiàng)指標(biāo)均較穩(wěn)定,從而主要調(diào)整了淬火冷卻方式。由于油的粘稠度較水要高,為了破碎淬火時(shí)形成的氣體堆,淬火冷卻方式采用了水冷15 min,入水后工件上下竄動(dòng)10 min;然后油冷200 min,入油后工件上下竄動(dòng)10 min,返修熱處理工藝曲線如圖5所示。

圖5 返修熱處理工藝曲線Fig.5 Rework heat treatment process curve

返修熱處理后,兩件中間軸下端法蘭(X2)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯提升,兩端強(qiáng)度波動(dòng)值大的問題也得到了較好的改善,各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,力學(xué)性能測試結(jié)果見表5。

表5 返修后力學(xué)性能測試結(jié)果

6 結(jié)論

本文通過對(duì)大截面35CrMo中間軸鍛件調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度不合格問題進(jìn)行了分析、討論,得出如下結(jié)論:

1)大截面鍛件淬火時(shí),在水平向下表面易形成氣體堆,影響冷卻效果,從而導(dǎo)致強(qiáng)度不合格;

2)可通過適當(dāng)調(diào)整冷卻方式及操作過程,可以消除或減小淬火過程中產(chǎn)生的氣體堆,有效改善強(qiáng)度不合格問題。