42CrMo的临界冷却速度大概是多少?

42CrMo的临界冷却速度大概是多少?
42CrMo的临界冷却速度大概是多少?

42CrMo的临界冷却速度大概是多少?
调质热处理工艺参数的优化
褚锦辉1 刘时雨2
(1. 第一重型机械集团公司有限公司冶金科; 2. 第一重型机械集团公司冶金研究所,黑龙江161042)
摘要:对42CrMo高硬度支重轮的调质热处理工艺进行了优化.降低淬火温度,冷却方式为水淬油冷.用
优化工艺处理的支重轮综合性能更加优良.
关键词: 42CrMo;电铲支重轮;热处理;工艺
中图分类号: TF124. 8 + 3 文献标识码:B
The Op timization of Quenching and Tempering
Process Parameter for 42CrMo High Hardness ThrustWheel
Chu J inghui, L iu Sh iyu
Abstract: The quenching and tempering p rocess for 42CrMo high hardness thrustwheel has been op timized by de2
creasing the quenching humidity and using the water2quenching and oil2cooling as cooling method. And the combined
p roperty of thrustwheel after treated by op timized p rocess has been better.
Key words: 42CrMo; electric thrustwheel; heat treatment; technology
1 前言
中国一重集团与美国P&H公司合作,先后为
平朔、准格尔制造了十余台矿用电铲,所提供的设
备最大铲斗容量已达到35 m3.经过十几年的检
验,矿用挖掘设备的各项性能指标达到了国外同
类产品的先进水平,目前正在制造58 m3 电铲.
2300XP挖掘机电铲是一重公司与美国P&H
公司先期合作项目,该产品主要用于大型露天煤
矿生产.由于电铲在大型露天煤矿作业,工作温
度随季节变化较大,运行时支重轮承受着机器及
装载物的重量,并与高锰钢履带板上下接触、摩
擦,其工作条件极其苛刻,所以支重轮要求具有高
的表面硬度、好的基体强度、较好的综合性能和低
温韧性.支重轮国外公司材料代号120,相当于
国内材料42CrMo,但国外该材料性能远高于国内
标准,所以按以往国内生产经验虽然可以达到图
纸技术要求,但其综合性能较差,影响到工件的使
用性能和寿命.本文以2300XP挖掘机电铲支重
轮为例,进行热处理工艺参数优化.
2 23 m3 电铲42CrMo高硬度支重轮生产情况简介
42CrMo材料支重轮的化学成分见表1,调质
前粗加工基本尺寸见图1,临界温度见表2.生产
收稿日期: 2007—01—04
工序为炼钢→模锻→粗加工→调质热处理→精加
工.调质热处理后技术要求硬度达352 ～
402HBS.
表1 42CrMo材料化学成分(质量分数, %)
Table 1 The chem ica l composition
of 42CrMo (ma ss fraction, %)
C Si Mn Cr P S
含量
0. 38～
0. 45
0. 17～
0. 37
0. 50～
0. 90
0. 80～
1. 2
≤
0. 035
≤
0. 035
图1 支重轮基本尺寸
Figure 1 The basic size of thrustwheel
表2 42CrMo材料临界温度( ℃)
Table 2 The cr itica l hum id ity of 42CrMo ( ℃)
临界点AC1 AC3 Ms
温度730 780 310
由图1算出支重轮热处理有效截面尺寸为
300 mm左右,由此计算出热处理升温速度以及保
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No. 4 《大型铸锻件》
July 2007 HEAVY CASTING AND FORGING
持、高温保温、淬火冷却和回火保温时间.由表2
大致推算出42CrMo 材料理论调质高温温度为
810～830 ℃,淬火冷却终冷温度要低于300 ℃.
考虑到支重轮的有效截面较大,内部偏析不可避
免,为使支重轮负偏析区达到淬火温度,以适应由
偏析引起的各部位不同的转变特性,加之使用煤
气台车炉生产,所以支重轮的实际淬火高温温度
选用了840～870 ℃.
3 42CrMo高硬度支重轮工艺参数的优化
3. 1 42CrMo高硬度支重轮热处理调质工艺
开始生产时,投产了3炉次支重轮用钢,具体
化学成分见表3.为摸索热处理生产数据,随炉
投制了一些性能试料,试料随支重轮一起在台车
式煤气热处理炉进行热处理.根据以往的生产经
验,调质热处理采用了图2所示工艺参数.
图2 支重轮热处理工艺参数
Figure 2 The heat treatment p rocess
parameter of thrustwheel
表3 42CrMo材料实际化学成分(质量分数, %)
Table 3 The actua l chem ica l composition
of 42CrMo (ma ss fraction, %)
炉次C Si Mn Cr Mo
1
2
3
0. 43
0. 43
0. 38
0. 19
0. 31
0. 21
0. 75
0. 89
0. 75
0. 85
1. 04
0. 85
0. 22
0. 16
0. 25
图2中, 650～670 ℃中间保持的目的是: (1)
减小锻件内外温差,为高温相变作准备,使相变在
锻件的整个截面上均匀进行,可以避免产生较大
的组织应力; ( 2)减少高温均温时间.大锻件截
面较大,工件吸热量很大,不采用中间保持时,将
因高温阶段不易达到较大的加热速度而延长锻件
在高温的停留时间,造成较大的氧化和晶粒长大,
反之采用中间保持能克服这个缺点.(3)低温阶
段支重轮处于弹性状态,过高的温差易造成过大
的热应力而导致工件开裂.经中间保持后,锻件
表面和心部的温差基本消失,这时锻件心部的温
度较高,已处于塑性状态,所以这时继续升温可采
用较高的升温速度.即使这时会产生第二个温
差,对锻件也不会产生更大的危害.
均温完成后进入保温阶段.保温作用是使工
件心部温度也达到加热温度,并完成奥氏体转变.
由于工件有效截面较大,过快的冷却速度会产生
过大的热应力和组织应力引起开裂,所以采用油
冷却淬火,使奥氏体尽可能多的完全转变为马氏
体组织.
200～250 ℃低温保温目的是减小表面与心
部的温差,使心部过冷奥氏体组织继续转变.
回火目的是消除和降低淬火冷却过程中产生
的内应力,同时获得稳定的回火组织,达到图纸要
求的力学性能指标.
用上述工艺参数共处理了3个炉次、12件产
品.经检验,所有产品表面硬度都较低,无法满足
图纸要求.随炉性能热处理试样的检查结果见表
4.
表4 42CrMo材料支重轮试样热处理后力学性能
Table 4 The mechan ica l property of 42CrMo
thrust wheel sampling after hea t trea tmen t
Re /MPa Rm /MPa A (%) Z (%) Aku /J HBS
980
1 025
1 005
975
1 090
1 135
1 120
1 085
12
12. 5
13
13
45
47
45
43. 5
26
25
23
29
335
345
340
332
图3 支重轮热处理工艺参数
Figure 3 The heat treatment p rocess
parameter of thrustwheel
为提高支重轮热处理硬度及增大淬硬层,我
们适当提高了淬火温度,并降低回火温度,冷却仍
采用油循环冷却;具体参数见图3.经图3工艺
共处理了两炉次共18件产品,经检查硬度在352
～402HBS之间.可以看出经图3工艺热处理后,
表面硬度可以满足图纸要求,但支重轮硬度不均,
硬度差偏大.究其原因是热处理温度不均造成
的.热传递是一种复杂的物理现象,它分为传导、
对流和辐射三种基本形式,而低温阶段热传递主
要是传导、对流两种形式,温度越低热传递效果越
差.所以过低的回火温度使支重轮热处理生产用
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《大型铸锻件》No. 4
HEAVY CASTING AND FORGING July 2007
台车煤气炉温度场不均,导致工件本身及件与件
之间硬度不均.随炉试样性能检验结果见表5.
表5显示出虽然支重轮强度提高,但塑性、韧性很
差,尤其是冲击韧性指标远远没达到期望值.
表5 42CrMo材料支重轮试样热处理后力学性能
Table 5 The mechan ica l property of 42CrMo
thrust wheel sampling after hea t trea tmen t
Re /MPa Rm /MPa A (% ) Z (%) Aku /J HBS
1 180
1 220
1 205
1 150
1 270
1 330
1 310
1 295
12
11. 5
12. 5
11
43
44
45. 5
45
26
29
24
23
378
396
389
385
淬透性是大锻件用钢一个极其重要的热处理
参数,在普通小截面结构钢的热处理中,淬透性是
用心部获得50%马氏体的临界直径评定的.对
大锻件来说,由于一般冷却组织是贝氏体或贝氏
体和马氏体的混合组织,所以大锻件的淬透性通
常用心部不产生铁素体而以获得贝氏体或马氏体
的临界直径来表示.端淬试验可以初步反映出大
锻件材料的淬透性.我们用两件试料进行了端淬
试验, 结果如下: 1. 6 mm 处61. 6 ～59. 6HRC;
25. 4 mm处58. 5～56. 5HRC,晶粒度5～6级,结
果看出42CrMo材料淬硬性很好,通过改进热处
理参数,可以提高其综合力学性能.
3. 2 42CrMo高硬度支重轮调质热处理工艺优化
从支重轮的使用性能考虑,图3所示工艺参
数不合理,必须加以改进.
图4为支重轮改进后的调质热处理工艺,淬
火温度为850 ～870 ℃,较图3 淬火温度略有降
低,主要为深冷快冷淬火考虑.淬火方式改为水
淬油冷.水冷的优点是冷却能力强,不需要用较
贵的淬火油,操作方便,劳动条件好,可大大改善
锻件的综合力学性能和断裂韧性,充分发挥锻件
材料的潜力.但是,由于水的冷却能力很强,造成
锻件表面和中心的冷却速度差别很大,会使锻件
截面产生较大的温差,所以大锻件采用水冷工艺
应慎重,应有规定的截面尺寸和条件.为提高支
重轮的热处理效果,其淬火工艺采用水淬油冷,以
充分利用它们各自的优点.水淬冷却速度快,对
水冷时间和工件装炉方式要求较严.水冷时间按
以往经验确定为1. 5 min /100 mm.装炉时为保
证支重轮冷却均匀,采取单层摆放.工件下部与
料盘之间垫100 mm 垫块,件与件之间留有100
mm间隙.水冷淬火时为防止支重轮端面棱角处
冷却过快,高温保温后出炉进行适当的缓冷,冷却
时间以端面尖角变灰黑色时再水冷淬火.
6炉次共58件支重轮经图4 工艺热处理后,
硬度检查全部合格,随炉试料性能结果见表6.
图4 优化支重轮热处理工艺参数
Figure 4 The p rocess parameter of
op timized heat treatment for thrustwheel
表6 42CrMo材料支重轮试样优化热处理后力学性能
Table 6 The mechan ica l property of 42CrMo thrust
wheel sampling after optim ized the hea t trea tmen t
Re /MPa Rm /MPa A (%) Z (%) Aku /J HBS
1 195
1 220
1 240
1 210
1 290
1 320
1 335
1 305
13
13. 5
12. 5
14
47
48. 5
46. 5
49
87
63
76
73
386
392
395
388
表5、表6数据对比显示,热处理工艺优化后
的支重轮的硬度满足图纸技术要求,在抗拉强度
基本不变的基础上,屈服强度、延伸率及面缩率略
有提高,韧性指标明显增加.
4 结语
42CrMo材料支重轮采用热处理优化工艺处
理后,其综合力学性能和屈强比明显提高,充分发
挥出材料的性能潜力,极大地保证了支重轮的使
用性能和使用寿命.