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大直径轴类零件调质工艺研究与改进

首页 > 新闻中心 > 技术资料    发布时间:2019/8/28 6:14:35 点击量:

摘 要:轴类零件通常在比较大的动载荷作用下工作,它们承受着拉伸、压缩、弯曲、扭转或剪切的作用,并且轴承位表面还要有一定的硬度,有利于后续的磨削加工,所以此类零件常通过调质处理来增强其性能。由于尺寸效应,大直径轴类零件淬火后并不能得到马氏体组织(根据淬火后的硬度值对比其半马氏体硬度值得出)。本文介绍了正火+改进后的调质工艺的具体实施方案,并在生产中得到了很好的应用。

  关键词:45钢;大直径;轴类零件;调质
0 引言
本厂的分离机械都是在一定的旋转速度下工作的,动力传输主要靠轴类零件的扭转来实现。对于这些轴类零件,它们要承受弯曲、扭转等复合应力的作用,所以这些轴类零件需要进行调质处理来达到最佳使用状态。我们在实际生产过程中发现:小直径轴类零件(直径尺寸小于80mm)的调质处理都不会出现问题,而大直径轴类零件,尤其是直径超过200mm的零件,按照热处理规范加热、保温、冷却后出现淬火硬度不足,表面硬度甚至都没有达到半马氏体的硬度。因此后续的回火处理也得不到回火索氏体组织。但为了达到技术要求的硬度值,通常就采用中温或低温回火或来适当降低或者不降硬度值的回火方式。回火过程仅仅相当于一次去应力处理,并没有达到回火的真实目的――得到回火索氏体组织。问题的根源我们就一目了然了,就是要在淬火的这个步骤使零件有效层深度达到半马氏体的状态,得到我们需要的马氏体组织,实际生产中我们没有条件也没有必要每件零件都去做金相试验检测马氏体含量,其实我们可以通过测量其淬火硬度来间接检测马氏体含量。
  1 淬火硬度不足的理论分析
为什么小直径零件淬火后有效深度内的硬度能超过半马氏体硬度,而大直径零件甚至连表面都不行呢?其实这涉及到钢的尺寸效应,即同样的钢种,随着尺寸增大而淬火硬度降低。一般,碳钢质量效应大,特殊钢质量效应小。因此,对于碳钢来说,大尺寸零件就不能充分淬硬,而特殊钢即使是大尺寸零件也能充分淬硬。
  尺寸效应也可以用另一种方式来阐述,由于碳钢零件的Ms点较低,所以要求零件淬火过程中在冷却介质中的冷却速度要快。然而大直径零件充分加热后,由于自身体积大,吸收的热量多,钢件导热系数等影响,在冷却介质中并不能短时间冷却下来,冷却速度达不到奥氏体转变为马氏体的临界速度,因而尺寸效应较大,转变后得到的组织与正火后的类似。而合金钢本来导热系数比碳钢小,又由于加入了合金元素后,提高了马氏体转变Ms点,从而要求的冷却速度可以更慢些,使淬火变得更容易,故合金钢的尺寸效应较小。在我们不能改变零件材质固有性能和淬火介质的冷却能力的情况下,结合碳钢零件的淬透深度为3mm左右,我们可以制定一种新的工艺参数来克服大直径零件的尺寸效应。
  2 改进的工艺方案及效果
目前工艺内容制定为正火+调质处理:正火的目的是改善锻件的内部组织、消除锻造应力、细化晶粒、使碳化物分布均匀化、降低锻件的淬火的裂纹倾向,为获得后续的良好的力学性能或为后续的热处理做好组织准备。由于零件在炉内的均温是通过传导传热的方式进行的,所以我们可以通过控制保温时间来得到我们需要的均温厚度。这样一来,零件吸收的热量减少了,而经过有效加热的一定深度的外层组织就可以在淬火介质中快速、充分的冷却,很容易超过马氏体转变的临界冷却速度,得到所需要的淬火组织――马氏体组织。
  2.1热处理工艺主要参数
我们选用GK1600A.3-6主轴为试验对象,此主轴的材质为45钢,有效直径为226mm,长度为1694mm。在本厂内属于典型大直径工件。加热炉选用140KW井式炉,加热方式采用竖直吊装在井式炉中。采用此方式加热,工件变形量小,受热均匀快速,出炉方便快捷,入水后轴身各处的冷却速度均匀。
  热处理工艺参数值如下:
正火,加热温度860-880℃,保温时间150-180min,冷却方式空冷;
淬火,加热温度820-840℃,保温时间90-120min,冷却方式水冷;
回火,加热温度560-590℃,保温时间120-150min,冷却方式空冷;
2.2热处理后的技术指标
因GK1600-NA、GKH1250-NK、GKH1250-NW等机型的主轴有效截面尺寸相近,而近期又有一定的生产量,所以选作为此次的试验对象。在此类主轴零件的生产过程中,通过修改为相应的试验工艺参数,跟踪记录处理后的数据,以边生产边试验的方式检验修改后的工艺参数的可行性。
  三种机型的主轴件处理后记录的硬度值如下:
GK1600A.3-6主轴,淬火后的硬度值(HB)520,半马氏体硬度值(HB)391,半马氏体硬度值(HB)265;
GK1250K.3-4主轴,淬火后的硬度值(HB)530,半马氏体硬度值(HB)391,半马氏体硬度值(HB)288;
GK1250W.3-4主轴,淬火后的硬度值(HB)570,半马氏体硬度值(HB)391,半马氏体硬度值(HB)284;
2.3小结
从上面硬度值数据可知:淬火后的表面硬度值远高于半马氏体硬度值,由此可判定淬火后的有效层组织为马氏体组织,经过高温回火后转变为回火索氏体组织,淬火后的金相组织符合热处理规范要求。
  经查表可知:直径大于200mm的工件在尺寸效应影响下,淬火后的表面硬度值为HB250左右,试验得到的淬火硬度值反映出修改后的热处理工艺规避了碳钢的尺寸效应,从而验证了试验工艺参数在实际生产中的可行性。
  3 结论
经过上述工艺试验的论证,对于大直径零件的调质工艺完全可以按照上述工艺参数生产。淬火保温时间作为本工艺的一个最重要、最核心的参数,试验中得出的经验数据很重要。时间过短,吸热量不足,达不到奥氏体化温度,组织不发生转变,得不到淬火结果。时间过长,吸热量过多,由于尺寸效应,也得不到淬火结果。根据多次生产试验跟踪后得出淬火保温时间的经验数据为50min/100mm。对于具体零件尺寸,可先按此保温数据试验一件,根据实际情况作必要的调整后,再进行批量生产。
 
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