42CrMo4钢锻辗齿圈的调质处理分析

42CrMo4钢是含碳量为0.38% ~0.45%的中碳合金结构钢,一般用于制造大型齿轮、大型齿圈、齿轮轴等重要零件,经过调质处理后,能获得良好的综合力学性能。根据生产实践经验,钢的含碳量大于0.40% 、Ms点温度<330℃时,钢制零件有淬火开裂的危险。42CrMo4钢是一种淬透性较好的钢,同时有淬火开裂的倾向。因此,42CrMo4钢锻辗齿圈通常采用油冷或水淬油冷双液淬火。但是,受到淬火冷却设备的限制,我们采用了无机水溶性淬火液来代替油冷淬火,这样就强化了42CrMo4钢淬火时的冷却能力,同时也增加了钢在淬火时开裂的危险性。所以,在编制热处理调质工艺时,应着重考虑如何保证齿圈在调质淬火时不产生裂纹的前提下获得良好的综合力学性能,特别是低温冲击韧性。

42CrMo4钢锻辗齿圈曾在调质过程中产生过淬火裂纹,经过对调质工艺的不断改进,增加淬火液浓度为8% ~10% ,改进淬火冷却工艺参数,*解决了淬火开裂难题。经调质处理后,齿圈的综合力学性能良好,产品质量稳定。

1.1锻件用钢

齿圈锻件用钢采用42CrMo4合金结构钢制造。钢的化学成分应符合表1的规定。钢的冶炼采用电弧炉或氧气转炉＋钢包精炼，为加铝脱氧的细晶粒镇静钢。浇注过程采用保护措施,以防钢水再次氧化。

1.2锻造成形

锻件采用钢锭直接锻制时,锻造比为3.5 :1。采用连铸坯锻制时,锻造比为5:1。

1.3热处理

齿圈采用调质处理,工艺温度、保温时间、冷却介质等工艺参数由供方决定。

1.4质量要求

调质处理后检查齿圈的力学性能,测试结果应符合表2的规定。检查非金属夹杂物、晶粒度和显微组织,检查结果应符合表3的规定。超声检测按SEP1921第三组E/e执行。对出厂产品进行尺寸、标识和表面质量检查，不允许存在裂纹.折叠等其他影响工件质量的缺陷。

2.1锻造工艺

坯料进厂质量检验合格后,锯切下料。坯料在燃气炉中加热,加热温度为1 230 ±10℃ ,第一火在30 MN液压机上进行锻粗、拔长.锻粗、冲孔,然后回炉加热。第二火在30MN液压机上进行扩孔、平整,然后回炉加热。第三火在O7000mm辗环机上进行辗环成形,直接加工到D2375/2 030 mm x 175 mm。锻件重量1 640 kg,总锻造比为6.97。锻后采用堆冷方式。

2.2热处理工艺

锻件锻后为了细化晶粒,改善组织状态,为调质处理做好组织准备,锻件在电阻炉中进行了锻后热处理,如图1所示。锻件经粗加工后,进行超声检测(内控)。调质前齿圈的粗加工尺寸为22358/2 051 mm ×156 mm。按图2工艺进行调质处理。

齿圈在井式热处理炉中加热,每炉装入1挂，每挂6件,工件之间用50 mm厚的垫铁支垫,使工件在加热或冷却时温度均匀。42CrMo4 钢制零件在正常调质处理的淬火冷却工艺中,一般采用油冷淬火或水淬油冷淬火工艺。由于受淬火油槽的限制,需要采用淬火液调质淬火冷却,为了预防齿圈产生淬裂缺陷,采取了以下技术措施:

( 1)工件淬火保温出炉后,在空气中预冷使工件表面温度降至约780℃左右,再进入淬火液中冷却。

(2)工件在淬火液中冷却一定时间后,提出工件空冷1.0 min ~ 1.5 min ,减少工件截面温差，再进入淬火液中继续冷却一定时间,再次提出空冷,这样反复几次。

(3)控制工件淬火冷却时的终冷表面温度在230℃左右。

(4)工件淬火冷却后,必须及时装炉回火,消除淬火产生的热应力和组织应力。

(5)在钢的Ms点温度附近进行低温回火保温,使工件外部加热升温回火,使内部继续降温转变。

力学性能

42CrMo4钢锻辗齿圈粗加工调质处理后的力学性能见图10。丛图10可町以看出,力学性能试样的取样部位不同,所测力学性能数值是不相同的。在齿圈近表面取样较内部取样所测强度和塑性略高,但数值比较接近,而低温缺口冲击功却相差甚远,并且内部的低温缺口冲击功约有30%的试验数值低于35J,没有达到技术标准的规定。这是受到42CrMo4钢淬透性的影响,齿圈在淬火冷却时表面的冷却速度大于内部的冷却速度,并且内部的冷却速度小于该钢的临界淬火速度。因此,在齿圈的内部显微组织中有块状铁素体析出,在外部和内部强度数值差别不大的情况下,却显著降低了钢的低温冲击韧性,提高了钢的韧脆转变温度( FATT50)。

结论

( 1)42CrMo4钢锻辗齿圈粗加工后进行调质处理,其调质淬火用冷却介质可以使用8%~10%的无机水基淬火液,但需要采用预冷淬火、降温淬火或亚温淬火工艺。并且在淬火冷却过程中,应在淬火液中冷却和提出液面在空气中交替冷却,直至达到控制的工件表面终冷温度为止。然后及时装炉回火,消除淬火应力。目的是尽量降低淬火过程中产生的热应力和组织转变应力，有效的预防工件产生淬火裂纹缺陷。

(2)42CrMo4钢锻辗齿圈调质过程中产生的淬火裂纹缺陷是由于锻件用钢中存在非金属夹杂物等冶金缺陷,在淬火液的冷却速度过大的情况下,工件所产生的淬火应力大于裂纹处材料的破断强度所引起的。

(3 )42CrMo4钢齿圈经过调质处理后,工件表面所产生的氧化脱碳层深度约在0.72 mm左右。因此,在检查表面硬度时,工件表面的打磨深度必须大于0.8 mm,去除氧化脱碳层,这样表面硬度的测试结果才会真实、准确,工件表面的硬度均匀性才会得到提高。

(4)42CrMo4钢齿圈经过调质处理后,在其近表面与内部取样部位的强度和塑性数值相接近的情况下,低温冲击吸收功却相差很远。这是由于钢的淬透性影响,在淬火时工件内部的冷却速度小于钢的临界淬火速度,在内部的显微组织中出现较多的铁素体,降低了钢的低温冲击韧性的结果。