42CrMo 鋼大型環(huán)鍛件的熱處理工藝改進
2021-05-28 12:23
admin
大型環(huán)鍛件不僅用于大型風電機組軸承和風塔法蘭，在石油化工壓力容器、港口機械塔吊回轉(zhuǎn)支承、重型燃汽輪機組環(huán)件、核電機組環(huán)件、大型運載火箭倉體等方面也有著廣泛的應用。大型環(huán)鍛件的應用領(lǐng)域決定了其復雜的工作服役條件，要求鍛件有較好的內(nèi)在質(zhì)量與使用性能。直徑9 m環(huán)鍛件零件。 該零件采用高淬透性的42CrMo鋼錠鍛制而成，鋼錠采用“轉(zhuǎn)爐（電爐）+LF精煉+真空脫氣”工藝進行冶煉，盡可能減輕成分偏析及降低氣體和夾雜物含量
直徑9m環(huán)鍛件原熱處理工藝問題及分析
大型環(huán)鍛件不僅用于大型風電機組軸承和風塔法蘭，在石油化工壓力容器、港口機械塔吊回轉(zhuǎn)支承、重型燃汽輪機組環(huán)件、核電機組環(huán)件、大型運載火箭倉體等方面也有著廣泛的應用。大型環(huán)鍛件的應直徑9 m環(huán)鍛件原熱處理工藝為鍛造后進行調(diào)質(zhì)處理，其工藝曲線，經(jīng)該工藝處理后的環(huán)鍛件產(chǎn)品表面出現(xiàn)深度約為10 mm的裂紋，內(nèi)部組織粗大且不均勻。原熱處理工藝處理后環(huán)鍛件的表面裂紋和內(nèi)部顯微組織。直徑9 m環(huán)鍛件經(jīng)原工藝熱處理后的力學性能，其中“3/4處”的取樣位置為鍛件橫斷面上徑向厚度（由外向內(nèi)）的3/4處，“心部” 的取樣位置為鍛件橫斷面上徑向厚度與高度各1/2交 匯處。
大型環(huán)鍛件不僅用于大型風電機組軸承和風塔法蘭，在石油化工壓力容器、港口機械塔吊回轉(zhuǎn)支承、重型燃汽輪機組環(huán)件、核電機組環(huán)件、大型運載火箭倉體等方面也有著廣泛的應用。大型環(huán)鍛件的應環(huán)鍛件內(nèi)部組織粗大，會降低材料的力學性能，達不到技術(shù)要求，且大環(huán)件一旦產(chǎn)生裂紋就很難修復，致使零件報廢。由于環(huán)鍛件尺寸較大，因此較大的原始鋼錠在鑄造過程中結(jié)晶過程緩慢，造成鑄造組織異常粗大;又因為在鍛造過程中很難被鍛透，內(nèi)部組織中仍保留有粗大的鑄態(tài)組織,且大型環(huán)鍛件鍛造周期長,加 熱次數(shù)多，變形分布不均勻，在高溫區(qū)域保溫時間較長，熱處理后心部組織仍然比較粗大。原材料經(jīng)熱壓制坯及徑、軸向輾環(huán)軋制后，金屬纖維呈圓周向（即縱 向）分布，受軋制力、晶粒度及金屬流向影響，縱向強度高于橫向，導致其性能分布不均。由于零件截面尺寸較小，淬火時整個零件的組織全由奧氏體向馬氏體 轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生較大的組織應力，而零件在加熱、冷卻時由于較大的溫差而產(chǎn)生較大的熱應力，當內(nèi)應力超過材料的抗拉強度時，就會產(chǎn)生淬火開裂現(xiàn)象。而且該大型環(huán)鍛件在鍛造完成后沒有進行相應的去氫處理，這樣會導致鍛件內(nèi)部存在氫脆白點，加劇了材料的開裂傾向。
直徑9m環(huán)鍛件的鍛后熱處理
大型環(huán)鍛件不僅用于大型風電機組軸承和風塔法蘭，在石油化工壓力容器、港口機械塔吊回轉(zhuǎn)支承、重型燃汽輪機組環(huán)件、核電機組環(huán)件、大型運載火箭倉體等方面也有著廣泛的應用。大型環(huán)鍛件的應工件的鍛后熱處理又可稱為預備熱處理，它是大鍛件在熱處理前非常重要的工序。大型環(huán)鍛件經(jīng)鍛造后為防止白點的產(chǎn)生，需進行去氫處理，而鍛后熱處理可以達到這一目的，并且可以消除鍛造應力，調(diào)整與改善大型鍛件在鍛造過程中所形成的過熱和粗大組織， 降低環(huán)鍛件內(nèi)部化學成分與金相組織的不均勻性，為環(huán)鍛件的最終熱處理作組織準備。
42CrMo鋼的Ac3臨界點為780℃，考慮到鋼中Cr、Mo元素的作用，將42CrMo鋼奧氏體化溫度設為860℃，只要保證鍛件內(nèi)外溫度均勻，獲得全部奧氏體組織即可。
直徑9m環(huán)鍛件的調(diào)質(zhì)處理
為改進后的直徑9m環(huán)鍛件的調(diào)質(zhì)工藝曲線。 可以看出，在環(huán)鍛件加熱的過程中增加了幾個不同溫度的均熱過程，這樣可以減小環(huán)鍛件表面和心部的溫差，從而減小材料內(nèi)部的熱應力，降低環(huán)鍛件淬火開裂的幾率，而且可以縮短材料在高溫區(qū)間的保溫時間，對減小材料的晶粒度有一定的促進作用。 42CrMo鋼在730℃?780℃溫度范圍內(nèi)，其組織開始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。有研究表明42CrMo鋼在750℃均熱保溫時，在相變中球形奧氏體的生成與長大居于主導地位，隨著時間的延長，球形奧氏體數(shù)量增多并穩(wěn)定長大。但在相變初期，亦有少量針形奧氏體生成，不過隨著保溫時間的延長針形奧氏體逐漸被穩(wěn)定長大的球形奧氏體所吞食，終至完全消失，最后在相變完成時，粗大的原始奧氏體晶粒消失，鋼的組織得到明顯細化。而且在650℃以后的加熱速度比原工藝大了，因為此時材料已處于塑性狀態(tài)，盡量提高材料的加熱速度，可以加大材料在發(fā)生加熱轉(zhuǎn)變時的過熱度，爭取獲得一定程度的組織細化的效果。
改進后的工藝中，工件淬火冷卻前先預冷了一段時間。因840℃的淬火加熱溫度遠高于780℃的奧氏體化溫度，預冷處理可以適當降低其表面奧氏體化溫度，這樣就降低了馬氏體的形成速度，減小了馬氏體轉(zhuǎn)變過程中的組織應力，從而可以降低淬火開裂的幾率，同時預冷可以減少工件的蓄熱，增加工件的淬硬層深度。
環(huán)鍛件淬火后內(nèi)應力很大，需進行回火處理。同時由于其心部在淬火后尚有未充分轉(zhuǎn)變的過冷奧氏體，需將工件轉(zhuǎn)人回火爐并在低溫下保持一定時間使心部繼續(xù)冷卻，因此大鍛件淬火后應立即回火，中間停留一般不超過1 h。為避免工件表面與心部溫差過大，回火處理時的加熱升溫速度應不超過100℃/h。由于42CrMo鋼屬于具有高溫回火脆性的材料，回火時當溫度在275℃?500 ℃區(qū)間時必須采用水冷，當溫度低于 275℃后，可采用空冷進行冷卻，空冷時用石棉包裹冷卻，這樣可以起到緩冷的作用
從正火+調(diào)質(zhì)后的42CrMo鋼環(huán)鍛件上用火焰切割法截取試樣進行拉伸試驗和沖擊試驗，硬度測試直接在環(huán)鍛件上進行。各力學性能測試的標準為GB/T 228. 1一2010枟金屬材料拉伸試驗第1 部分:室溫試驗方法》、GB/T 229—2007枟金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》、GB/T 231—2009枟金屬材料布氏硬度試驗方法》。沖擊試樣采用夾角為45°、深度 為2 mm、底部曲率半徑為0.25 mm的V型缺口試樣。 硬度計型號為320HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計，其鋼球壓頭直徑為10 mm，加載載荷砝碼為3000 kg，保持時間為 10?15 s。數(shù)據(jù)表明，經(jīng)改進后熱處理工藝處理后的42CrMo鋼環(huán)鍛件的各項力學性能由工件表面向心部呈遞減趨勢，其中屈服強度的衰減最為顯著。
直徑9m環(huán)鍛件原熱處理工藝問題及分析
大型環(huán)鍛件不僅用于大型風電機組軸承和風塔法蘭，在石油化工壓力容器、港口機械塔吊回轉(zhuǎn)支承、重型燃汽輪機組環(huán)件、核電機組環(huán)件、大型運載火箭倉體等方面也有著廣泛的應用。大型環(huán)鍛件的應直徑9 m環(huán)鍛件原熱處理工藝為鍛造后進行調(diào)質(zhì)處理，其工藝曲線，經(jīng)該工藝處理后的環(huán)鍛件產(chǎn)品表面出現(xiàn)深度約為10 mm的裂紋，內(nèi)部組織粗大且不均勻。原熱處理工藝處理后環(huán)鍛件的表面裂紋和內(nèi)部顯微組織。直徑9 m環(huán)鍛件經(jīng)原工藝熱處理后的力學性能，其中“3/4處”的取樣位置為鍛件橫斷面上徑向厚度（由外向內(nèi)）的3/4處，“心部” 的取樣位置為鍛件橫斷面上徑向厚度與高度各1/2交 匯處。
直徑9m環(huán)鍛件的鍛后熱處理
大型環(huán)鍛件不僅用于大型風電機組軸承和風塔法蘭，在石油化工壓力容器、港口機械塔吊回轉(zhuǎn)支承、重型燃汽輪機組環(huán)件、核電機組環(huán)件、大型運載火箭倉體等方面也有著廣泛的應用。大型環(huán)鍛件的應工件的鍛后熱處理又可稱為預備熱處理，它是大鍛件在熱處理前非常重要的工序。大型環(huán)鍛件經(jīng)鍛造后為防止白點的產(chǎn)生，需進行去氫處理，而鍛后熱處理可以達到這一目的，并且可以消除鍛造應力，調(diào)整與改善大型鍛件在鍛造過程中所形成的過熱和粗大組織， 降低環(huán)鍛件內(nèi)部化學成分與金相組織的不均勻性，為環(huán)鍛件的最終熱處理作組織準備。
42CrMo鋼的Ac3臨界點為780℃，考慮到鋼中Cr、Mo元素的作用，將42CrMo鋼奧氏體化溫度設為860℃，只要保證鍛件內(nèi)外溫度均勻，獲得全部奧氏體組織即可。
直徑9m環(huán)鍛件的調(diào)質(zhì)處理
改進后的工藝中，工件淬火冷卻前先預冷了一段時間。因840℃的淬火加熱溫度遠高于780℃的奧氏體化溫度，預冷處理可以適當降低其表面奧氏體化溫度，這樣就降低了馬氏體的形成速度，減小了馬氏體轉(zhuǎn)變過程中的組織應力，從而可以降低淬火開裂的幾率，同時預冷可以減少工件的蓄熱，增加工件的淬硬層深度。
環(huán)鍛件淬火后內(nèi)應力很大，需進行回火處理。同時由于其心部在淬火后尚有未充分轉(zhuǎn)變的過冷奧氏體，需將工件轉(zhuǎn)人回火爐并在低溫下保持一定時間使心部繼續(xù)冷卻，因此大鍛件淬火后應立即回火，中間停留一般不超過1 h。為避免工件表面與心部溫差過大，回火處理時的加熱升溫速度應不超過100℃/h。由于42CrMo鋼屬于具有高溫回火脆性的材料，回火時當溫度在275℃?500 ℃區(qū)間時必須采用水冷，當溫度低于 275℃后，可采用空冷進行冷卻，空冷時用石棉包裹冷卻，這樣可以起到緩冷的作用
從正火+調(diào)質(zhì)后的42CrMo鋼環(huán)鍛件上用火焰切割法截取試樣進行拉伸試驗和沖擊試驗，硬度測試直接在環(huán)鍛件上進行。各力學性能測試的標準為GB/T 228. 1一2010枟金屬材料拉伸試驗第1 部分:室溫試驗方法》、GB/T 229—2007枟金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》、GB/T 231—2009枟金屬材料布氏硬度試驗方法》。沖擊試樣采用夾角為45°、深度 為2 mm、底部曲率半徑為0.25 mm的V型缺口試樣。 硬度計型號為320HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計，其鋼球壓頭直徑為10 mm，加載載荷砝碼為3000 kg，保持時間為 10?15 s。數(shù)據(jù)表明，經(jīng)改進后熱處理工藝處理后的42CrMo鋼環(huán)鍛件的各項力學性能由工件表面向心部呈遞減趨勢，其中屈服強度的衰減最為顯著。
