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            滚筒中频淬火

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            45Mn2材料水-空淬火工艺

            发布日期:2014-10-14 00:00 来源:http://www.nidaislam.com 点击:

            我公司采用的中碳合金钢材料种类主要有42CrMo、40Mn2、45Mn2等,其中45Mn2钢约占20%,45Mn2钢传统工艺采用油进行淬火。采用油淬存在以下不足:一是淬火时产生大量的油烟,不仅污染环境,而且危害操作工人的身体健康;二是油的成本远远大于水的成本,且油容易老化,老化后,换新油成本太高,不换则产品质量不好保证,经常出现工件调质后硬度不满足技术的情况,容易造成返工;三是淬火时如操作不当,容易发生火灾。

            近几年来,我们已积累了42CrMo、40Mn2等材料的水-空控时淬火工艺,并已经广泛的应用于公司多种产品,积累了中碳合金钢水-空控时淬火的实际经验。但45Mn2材料含C、Mn元素较高,薄壁套类零件在淬火过程中容易开裂。为消除油淬火带来的不利影响,经充分讨论,热处理技术人员决定大胆创新,组织对45Mn2材料产品进行水-空控时淬火试验。

            1、试验材料

            材料45Mn2具体成分如表1所示。技术要求:调质处理280~320HBW(相当于30~35HRC),调质处理后工件无裂纹。试验件工艺路线:锻造→粗车→调质→加工;数量:3件,规格:φ70mm×300mm。

            试验用45Mn2的材料化学成分(质量分数) %

            C

            Mn

            Si

            S

            P

            0.440

            1.590

            0.250

            0.022

            0.017

            2、试验参数及方法

            本次试验采用普通箱式台车电阻炉,功率100kW。

            (1)调质工艺参数的选择 对45Mn2材料试棒进行水-空、油、淬火液三种淬火冷却介质进行淬火,45Mn2属于亚共析钢,材料的Ac3为770℃,通常淬火温度选取以Ac3以上30~50℃,根据选取的淬火冷却介质冷却能力的大小选择适当的淬火温度。油的冷却速度慢,所以油淬火温度选择常规淬火温度860℃;水基淬火液和水的冷却速度非常快,所以在试验时先采用800℃作为淬火温度。

            因油在低温区具有较慢的冷却速度,所以试棒采用油进行淬火,入油冷却时间取5s/mm;水基淬火液在高温区具有较快的冷却速度,但当工件温度低于300℃后冷却速度相当于油的冷却速度,所以水基淬火液冷却时间与油相同;因水在工件温度低于300℃后具有较快的冷却速度,为了防止工件在低温区淬火开裂,冷却时间取1~1.5s/mm。具体参数见表2。

            2  45Mn2试棒调质处理工艺参数

            淬火冷却介质

            淬火温度/℃

            保温时间/h

            总冷却时间/s

            每次冷却时间/s

            回火温度/℃

            保温时间/h

            油淬

            860

            2

            350

            350

            480

            2

            水基淬火液

            800

            2

            350

            350

            550

            2

            -

            800

            2

            70-105

            30-40

            550

            2

            (2)硬度、金相显微组织、力学性能检测 对试棒淬火、回火处理后进行硬度、金相组织、力学性能检测,其中试棒表面硬度检测采用HBC型锤击式布氏硬度计,按照GB/T231-2009《金属材料 布氏硬度试验》规定检测试棒布氏硬度;试棒切片采用TH301洛氏硬度计检测硬度;用光学显微镜DM13000M,按照GB/T13298-1991《金属显微组织检验方法》规定检测显微组织。按GB/T228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第一部分:室温试验方法》规定检测材料抗拉强度、延伸强度、断后伸长率和断面收缩率;按照GB/T229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》规定检测常温冲击吸收能量。

            (3)对比采用三种不同的淬火冷却介质进行调质处理后,试棒的硬度、金相显微组织、试棒切片硬度的区别。同时,根据试棒水-空控时淬火试验数据,制定产品调质工艺参数。

            3、45Mn2材料试棒试验结果与分析

            采用表2中参数处理后试棒切片如图1,淬火后切片硬度如表3,回火后切片硬度如表4,回火后相对应的金相显微组织如图2所示,金相结果如表5所示,力学性能如表6所示。

            1 试棒切片及硬度检测部位示意

            3  采用不同淬火介质淬火后切片的硬度值(HRC

            距表面距离/mm

            5

            10

            15

            20

            25

            30

            35

            45.0

            44.0

            40.0

            39.0

            34.5

            34.0

            31.0

            水基淬火液

            49.5

            48.5

            47.0

            45.0

            43.5

            41.0

            38.0

            -

            50.0

            48.5

            49.0

            49.0

            48.0

            45.0

            40.0

            4  采用不同淬火介质调质后切片的硬度梯度值(HRC

            距表面距离/mm

            5

            10

            15

            20

            25

            30

            35

            30.0

            29.3

            28.0

            26.3

            26.6

            26.0

            24.0

            水基淬火液

            28.9

            28.3

            28.6

            28.5

            27.6

            27.5

            27.0

            -

            35.0

            32.5

            32.0

            31.0

            29.6

            32.0

            32.0

            a860℃油淬火,480℃回火

            b800℃水基淬火液淬火,550℃回火

            c800℃水-空淬火,550℃回火

            2采用三种介质调质处理后45Mn2试棒金相组织图

            5  不同冷却介质调质处理后金相结果

            淬火介质

            金相显微组织及级别

            油淬

            回火索氏体+珠光体+条状及块状铁素体,45

            水基淬火液

            回火索氏体+铁素体,3

            -

            回火索氏体+铁素体,34

            6不同热处理冷却介质下的力学性能结果

            淬火介质

            δb/MPa

            δs/MPa

            δ5%

            ψ%

            ak/J/cm2

            油淬

            960

            965

            720

            720

            17.0

            17.0

            51.0

            51.0

            29.4

            26.9

            水基淬火液

            895

            880

            730

            705

            20.0

            18.0

            51.0

            51.0

            57.5

            51.4

            -

            910

            965

            735

            810

            16.0

            19.0

            55.0

            60.5

            58.8

            69.8

            从表3、表4分析得出:采用三种不同的淬火介质处理后,工件淬火后都得到马氏体组织(45Mn2材料半马氏体硬度为45HRC),其中,采用油淬火后淬硬层深度为10mm,采用淬火液淬硬层深度为20mm,采用水-空淬火淬硬层深度为30mm,采用表2工艺参数回火后,因回火温度高,油淬试块切片硬度与淬火液试块切片硬度低于技术要求,水-空淬火试块切片硬度符合技术要求。

            从图2、表5分析得出:金相显微组织采用水基淬火液组织Z好,水-空淬火次之,油淬火组织Z差为4~5级。采用油淬火组织差的原因主要是油的冷却速度慢,在淬火过程中,部分奥氏体因冷却速度不足,发生珠光体转变,甚至有部分条状及块状铁素体析出。

            从表6可以看出:各项力学性能油的抗拉强度Z好,水-空次之;但水-空的屈服强度、伸长率、断面收视率、冲击功Z好。所以综合考虑水-空淬火各项性能较佳。

            综合考虑硬度、淬硬层深度、金相显微组织、各项力学性能,认为45Mn2材料水-空淬火工艺可行,制定45Mn2材料轴承座调质工艺。

            4、45Mn2材料水-空控时淬火工艺在轴承座调质处理应用实例

            (1)轴承座技术要求及调质热处理参数 技术要求:调质处理280~320HBW,工艺径向留加工量4mm。要求工件处理后径向变形≤2mm。调质工艺参数:装炉方式见图3,淬火温度选择800℃,回火温度550℃,保温时间90min。每次水冷却时间计算方式为取1~1.5s/mm。共试验10件,具体调质参数及实验结果见表7。


            7  轴承座调质处理工艺参数及实验结果

            外圆直径/mm

            工件有效厚度/mm

            总冷却时间/s

            每次冷却时间/s

            回火后硬度HBW

            径向变形量/mm

            有无

            裂纹

            496

            35.5

            3654

            1520

            280

            0.75

            460

            50

            5988

            2025

            320

            0.30

            460

            59

            5988

            2025

            310

            0.40

            460

            59

            5988

            2025

            315

            0.35

            390

            45

            4560

            2025

            298

            0.45

            390

            20

            2035

            1015

            283

            0.45

            390

            20

            2035

            1015

            290

            0.85

            335

            49.5

            5075

            1520

            290

            0.8

            335

            24.5

            2540

            1015

            300

            0.65

            360

            37.5

            3654

            1015

            310

            0.25

            (2)试验结果与分析 从表7分析得出,轴承座采用上述工艺参数处理后,硬度满足技术要求280~320HBW,且工件外圆径向变形小于1.0mm,满足工艺变形要求,工件无开裂现象。

            采用水-空控时淬火变形小的原因是工件在淬火过程中,工件各处冷却速度相当;工件在高温期冷却速度快,热应力增大,热应力增大的同时抵消了大部分组织应力。

            采用水-空控时淬火的关键点在于控制工件在高温期快的冷却速度、低温期慢的冷却速度。在高温期采用水作为淬火介质,从而获得大于临界淬火速度,确保奥氏体不发生珠光体转变,大部分直接转变为马氏体,然而在低于Ms点以下的低温区,采用空气作为淬火介质,以获得较低的冷却速度,以减少工件的组织应力。如在高温期冷却速度不足,则造成工件淬火后硬度不足,如在低温区冷却速度太快,则会造成工件组织应力过大,当组织应力超过材料的抗拉强度时,工件就会开裂。

            5、结语

            (1)根据实际淬火经验得出,45Mn2材料采用水-空控时淬火工艺可行,淬火温度选择800℃,当工件的有效厚度≤60mm时,水冷却总时间计算方式为取1~1.5s/mm(水温低取下限,水温高选择上限),分2~3次进行冷却。空冷时间以工件在空气中返热温度超过320℃为界限,当工件返热温度超过320℃,工件再次入水冷却(45Mn2材料Ms点为320℃)。

            (2)采用此种工艺方式处理后,工件硬度满足技术要求,变形≤1mm,金相组织满足GB/T13298-1991《金属显微组织检验方法》标准要求。

            (3)采用此种工艺的优点一是节约成本,就轴承座与原来的工艺相比,每年可节约工装成本8000元,节约电费14000元,节约油耗32000元,总计54000元;二是减少油烟对环境的污染,改善了员工的作业环境,同时在淬火过程中不会发生火灾。但缺点是淬火操作过程中对操作者的技能要求高,在淬火过程中如操作不当,容易造成工件开裂。所以建议购买新的淬火设备,实现通过数控控制工件冷却时间,减少人为淬火因素,稳定产品质量。


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