CN102560043A - 35CrMo钢大型轴类锻件的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了35CrMo钢大型轴类锻件的热处理工艺：将锻件在800℃以上完成一火次锻造后空冷至表面温度为500～600℃；再加热至870～880℃时保温3.8～4小时出炉，以2～3米/秒的速度垂直放入水中，待全部入水后便以3～5米/秒的速度提出，空冷至常温；初步切削加工后再次加热至600～620℃保温0.4～0.6小时，继续加热至830～850℃保温3.4～3.6小时出炉，以2～3米/秒的速度垂直放入AQ251溶液中冷却至室温；最后再加热至680～690℃时保温5.5～6小时出炉空冷。本发明能够有效地控制锻件加热时的内部应力，避免产生塑性变形及内部开裂，有效缩短锻件的加热时间，降低能源消耗。
Description
技术领域
本发明涉及钢质轴类锻件的加工方法，具体是指35CrMo钢大型轴类锻件的热处理工艺。
背景技术
大型轴类锻件一般是指重量为5吨以上、锻件直径为200mm以上的锻件，钢锭材质一般为中碳合金钢。由于这类锻件重量大，使用材料多，因此要严格控制零件加工时出现废品，除在锻造过程中要消除钢锭中不可避免地存在的一些疏松、气泡等缺陷之外，还要在锻造完成之后的热处理加热工序中严格控制锻件内部与表层之间的温度差，以防止由于锻件内部存在过大的应力而导致锻件开裂；同时由于零件尺寸较大，散热速度慢，还应设法缩短热处理过程所占用的时间。
在以往的大型轴类锻件的热处理过程中，往往存在如下几种情况：
一是由于机床加工能力不足，锻造成形加工速度较慢，导致需要对锻件进行分段加热和分段成形，即多火次分段锻造成形，最终完成锻造时锻件的大部分区域的温度已经很低，或者即使通过一火次锻造成形，也往往在进行热处理之前，锻件的温度已降至室温。这样在随后进行正火加热时，就必须占用较长的加热时间、消耗较多的能源对锻件分级升温，以防止锻件内部产生过大应力而导致开裂。
二是一火次锻造完成后直接进行正火加热，这时由于锻件表面的最低温度仍高于规定的终锻温度(800℃以上)，心部则存在更高的温度，这时直接进行正火加热，锻件心部就会较长时间处于高温之下，从而容易导致锻件心部晶粒粗大，降低材料力学性能。
三是在热处理空气环境冷却过程中，往往不采用其它方法，只是单纯放在空气中冷却，由于大型轴类锻件的直径和长度尺寸也比较大，所以散热速度慢，从而花费较多的工时。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种既能降低锻件内部应力、防止锻件晶粒粗大，又能减少热处理加热时间的热处理工艺。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
35CrMo钢大型轴类锻件的热处理工艺，包括如下步骤：
(1)降温预处理：大型轴类锻件在800℃终锻温度以上完成一火次锻造成形之后，在空气中将锻件表面温度降至500～600℃；所述大型轴类锻件为重量在5吨以上，直径在200mm以上的锻件；
(2)第一次热处理：将步骤(1)降温预处理后的大型轴类锻件温度升至870～880℃，保温3.8～4小时，将锻件出炉，以2～3米/秒的速度将大型轴类锻件垂直放入水中，待全部浸入水中之后便以3～5米/秒的速度向上提起，在空气中冷却至常温；
(3)加工余量：对第一次热处理后的大型轴类锻件进行初步切削加工，保留单边3～6mm的切削加工余量；
(4)第二次热处理：将切削加工后处于室温的大型轴类锻件温度升至600～620℃，保温0.4～0.6小时，然后加热至830～850℃，保温3.4～3.6小时，出炉，以2～3米/秒的速度将大型轴类锻件垂直放入AQ251溶液中冷却至室温；
(5)第三次热处理：将第二次热处理后的大型轴类锻件温度升至680～690℃，保温5.5～6小时，最后出炉在空气中冷却至室温。
所述一火次锻造成形是指只经过一次锻前加热将标准钢锭锻造成含有粗加工和精加工所需切削余量的轴类锻件。
所述初步切削加工是指将含有切削加工余量的锻件经过粗加工，并留有精加工的切削余量。
所述保留单边3～6mm的切削加工余量是指保留锻件半径比最终零件半径大出3～6mm。
以占材料的重量百分比计，所述35CrMo钢中C含量为0.32～0.4％；Mn为0.40～0.70％；Si含量为0.17～0.37％；P含量＜0.035％；S＜0.035％；Cr含量为0.80～1.1％；Ni含量＜0.03％；Mo含量为0.15～0.25％。也就是说本发明所述的大型轴类锻件的材质为35CrMo钢，除铁以外的化学成分可以参考表1，表1中wt％是指重量百分比。
表1
本发明在降温预处理时，锻件表面的最高温度为600℃；一般而言，在上述加热和保温时间的范围内，随着锻件主体直径的增加，时间均应取较大值；在上述锻件进入或离开水或AQ251溶液速度的范围内，随着锻件主体直径的增加，速度均应取较小值，但随着锻件总长度的增加，速度均应取较大值。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明将完成锻造的35CrMo钢大型轴类锻件冷却至表面温度为500～600℃，其心部温度已降至800～850℃，这时再进行热处理加热，不仅可以直接升温至870～880℃的正火温度，避免了从室温升温时的分级加热，大大减少了能耗，而且可以避免锻件心部长时间处于高温下而产生晶粒粗大，有利于保证零件的力学性能。因此本发明在降低能源消耗的同时，有效抑制锻件晶粒长大，保证了零件力学性能要求。
(2)本发明还在首次热处理加热保温后的冷却过程中，先将锻件放入水中冷却，待锻件全部浸入水中之后便立即取出，这样既能有效提高锻件的冷却速度，又不会对锻件的组织性能产生不利的影响，并可以在之后的两次热处理工序中最终实现所需要的力学性能指标。
(3)本发明的热处理工艺，能够有效地减小锻件加热时的内部应力，避免出现报废；
(4)本发明可以有效缩短锻件热处理的加热时间，与常规的热处理工艺相比，在第一次热处理加热阶段，加热时间缩短50％以上，第二及第三次热处理加热时间缩短20％以上。
附图说明
图1是本发明大型轴类锻件零件示意图。
图2是本发明实施例零件的热处理工艺图。
图3-1是本发明实施例1中大型轴类锻件零件位于横截面的外圆附近A1点金相采集点放大100倍的金相照片。
图3-2是本发明实施例1中大型轴类锻件零件位于1/2轴类零件半径附近A2点金相采集点放大100倍的金相照片。
图3-3是本发明实施例1中大型轴类锻件零件位于截面圆心附近A3点金相采集点放大100倍的金相照片。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。
实施例1
如图1所示，一种35CrMo钢大型轴类锻件主体直径D＝230mm，该大型轴类锻件有两段加粗段(法兰)，将大型轴类锻件分隔成两端头段和中间段；两端头段长度A＝300mm，中间段长度C＝14000mm，两加粗段长度B＝110mm；加粗段直径E＝450mm；中间段为大型轴类锻件主体，其直径D＝230mm。该大型轴类锻件的总重量为5吨。35CrMo钢除铁外的材料组份都在表1范围内。
首先按常规锻造工艺要求完成一火次锻造成形，即只经过一次锻前加热便将标准钢锭锻造成图1所示的含有粗加工和精加工所需切削余量的轴类锻件。刚完成锻造时锻件表面温度在终锻温度(800℃)以上，心部温度仍保持在1000℃以上。
该35CrMo钢大型轴类锻件的热处理工艺曲线如图2所示：将完成一火次锻造成形的锻件放在空气中冷却，并用测温枪对表面温度进行测量，由于锻件表面温度不可能非常均匀，当表面温度降至T1＝500～600℃时，将其放入加热炉中进行第一次热处理加热，当温度达到T2＝870℃时进行保温，当保温时间t2＝3.8小时后出炉，以3米/秒的速度垂直放入水中，待全部浸入水中之后便立即以5米/秒的速度向上提出(此时锻件心部温度仍高于800℃)，继续在空气中冷却至常温。
然后对工件进行初步切削加工，初步切削加工是指将含有切削加工余量的锻件经过粗加工，并留有精加工的切削余量，即将锻造成形后不太平直的锻件车削成满足要求的状态，并保留单边6mm的切削加工余量。保留单边6mm的切削加工余量是指保留锻件半径比最终零件半径大出6mm。由于该轴类零件的最终主体直径为200mm，故初步切削加工后的直径由原来的230mm变为212mm。
将处于室温的锻件进行再次热处理加热，当温度升至T3＝600℃时保温t3＝0.4小时，之后继续加热至T4＝830℃保温t4＝3.4小时，然后出炉并以3米/秒的速度垂直放入AQ251溶液中冷却至室温，AQ251溶液是将易溶于水的高分子聚合物AQ251溶于水得到的水溶液，作为冷却介质使用，在不同温度阶段具有不同的冷却能力，能够克服单纯的水冷会使工件容易开裂或单纯的油冷达不到工件力学性能要求的缺点。
最后将锻件进行第三次热处理加热，当温度升至T5＝680℃时保温t5＝5.5小时，最后出炉空冷，将锻件温度降至室温，并最终完成锻件的精车加工。
上述三次加热过程中，对四个应力观测点进行应力观测，四个点分别位于零件左端法兰的外圆表面P1和横截面中心P2、锻件长度中间截面的外圆表面P3和截面中心P4，如图1所示(图中实心圆点表示位于零件表面，空心圆点表示位于零件内部中心线上)，四个观测点的应力值采用数值模拟与试验验证相结合的方法，即采用有限元方法对四个点的应力数据进行仿真，对表面两个点P1和P3进行实际测量，并用这两个实测数据对有限元模型进行修正和重新仿真计算，直到两个实测点的实测数据与仿真数据相差小于工程上能够接受的3％以下，这时内部两个点P2和P4的模拟数据也是可靠的。结果表明：三次加热时，由于P1点位于法兰的外圆表面，温度变化最快，因此最大应力点都出现在P1点。三次的最大实测应力值分别为89Mpa、75Mpa和68Mpa。在出现最大应力的温度范围内对材料进行高温性能检测，屈服强度为150～185Mpa，该屈服强度证明在热处理加热过程中锻件不会出现应力过大而产生的内部裂纹和塑性变形。
完成上述热处理及切削加工之后，将图1所示锻件两端的200mm长范围截掉用于材料性能测量，这个截面位置的材料性能与锻件其它部位的性能基本相同。为了保证大型轴类锻件的可用性，在每一个锻件设计上都是将两端预留一定长度作为材料性能测量的试样，这样既能保证对每个锻件进行性能检测以监控产品质量，又不至于需要在其它有用部位截取试样而破坏产品的完整性并造成很大的浪费。其中进行硬度测量时，在所取横截面上任意取一条半径，并将其五等分，从该半径的外端到中心点的五等分点分别记为1、2、3、4、5、6点位，对六个等分点进行硬度测量，结果如表2所示，可见硬度指标满足170～190HBW的要求。
表2
对前面所截取的锻件横截面进行金相观测，选取三个观测点：A1点位于横截面的外圆附近，A2点位于1/2半径附近，A3点位于截面圆心附近。放大100倍时的结果如图3-1、图3-2和图3-3所示。可见，由锻件内部至表面的晶粒尺寸逐渐细化，满足实际使用条件对锻件性能的要求。
由于常规的锻件正火热处理加热(即第一次加热)都是在完成锻造成形之后先将锻件冷却至室温之后进行的，即先用大功率从常温加热到650℃，然后用小功率保温2小时，再继续用大功率加热到880℃，加热炉从常温加热到650℃所用时间为2.4h，从650℃加热到880℃所用的时间为2h，总加热时间为6.5h，单纯的大功率升温时间为4.4h。而本实施例是在完成锻造成形之后保留规定的较高温度直接进行加热，即只是从500～600℃加热到870℃，大功率升温时间仅为2.2h。因此与常规的热处理工艺相比，在第一次热处理加热阶段，加热时间缩短50％；而第二及第三次热处理，在加热温度和保温时间方面都给出了新的技术参数。第二次热处理过程中，传统工艺是先加热到650℃保温2h，再加热到860℃保温4.5h，而本发明是先加热到600℃保温0.4h，再加热到830℃保温3.4h；在第三次热处理加热过程中，传统工艺是加热到650℃保温8h，而本发明是加热到680℃保温5.5h。以加热炉为实测对象，结果表明，采用本发明的技术路线，在满足锻件要求的前提下第二及第三次热处理使得综合能耗降低20％。
实施例2
如图1所示，一种35CrMo钢大型轴类锻件主体直径D＝280mm，该大型轴类锻件有两段加粗段(法兰)，将大型轴类锻件分隔成两端头段和中间段；两端头段长度A＝200mm，中间段长度C＝10000mm，两加粗段长度B＝120mm；加粗段直径E＝500mm；中间段为大型轴类锻件主体，其直径D＝280mm。该大型轴类锻件的总重量为5.36吨。35CrMo钢除铁外的材料组份都在表1范围内。
首先按常规锻造工艺要求完成一火次锻造成形，即只经过一次锻前加热便将标准钢锭锻造成图1所示的含有粗加工和精加工所需切削余量的轴类锻件。刚完成锻造时锻件表面温度在终锻温度(800℃)以上，心部温度仍保持在1020℃以上。
该35CrMo钢大型轴类锻件的热处理工艺曲线如图2所示：将完成一火次锻造成形的锻件放在空气中冷却，并用测温枪对表面温度进行测量，由于锻件表面温度不可能非常均匀，当表面温度降至T1＝520～600℃时，将其放入加热炉中进行第一次热处理加热，当温度达到T2＝875℃时进行保温，当保温时间t2＝3.9小时后出炉，以2.5米/秒的速度垂直放入水中，待全部浸入水中之后便立即以4米/秒的速度向上提出(此时锻件心部温度仍高于800℃)，继续在空气中冷却至常温。
然后对工件进行初步切削加工，并保留单边4mm的切削加工余量。由于该轴类零件的最终主体直径为250mm，故初步切削加工后的直径由原来的280mm变为258mm。
将处于室温的锻件进行再次热处理加热，当温度升至T3＝610℃时保温t3＝0.5小时，之后继续加热至T4＝840℃保温t4＝3.5小时，然后出炉并以2.5米/秒的速度垂直放入AQ251溶液中冷却至室温。
最后将锻件进行第三次热处理加热，当温度升至T5＝685℃时保温t5＝5.8小时，最后出炉空冷，将锻件温度降至室温，并最终完成锻件的精车加工。
上述三次加热过程中，对图1所示的四个应力观测点进行应力观测，四个点分别位于零件左端法兰的外圆表面P1和横截面中心P2、锻件长度中间截面的外圆表面P3和截面中心P4。结果表明：三次加热时，由于P1点位于法兰的外圆表面，温度变化最快，因此最大应力点都出现在P1点。三次的最大实测应力值分别为95Mpa、80Mpa和72Mpa。在出现最大应力的温度范围内对材料进行高温性能检测，屈服强度为150～185Mpa，因此可以保证在热处理加热过程中不会出现应力过大而产生的内部裂纹和塑性变形。
完成上述热处理及切削加工之后，将图1所示锻件两端的200mm长范围截掉用于材料性能测量，其中进行硬度测量时，在所取横截面上任意取一条半径，并将其五等分，从该半径的外端到中心点的五等分点分别记为1、2、3、4、5、6点位，对六个等分点进行硬度测量，结果如表3所示，可见硬度指标满足170～190HBW的要求。
表3
对前面所截取的锻件横截面进行金相观测，选取三个观测点：A1点位于横截面的外圆附近，A2点位于1/2半径附近，A3点位于截面圆心附近。放大100倍时可见晶粒尺寸规格与图3-1、图3-2和图3-3相同。可见，由锻件内部至表面的晶粒尺寸逐渐细化，满足实际使用条件对锻件性能的要求。
常规的锻件正火热处理加热(即第一次加热)时先用大功率从常温加热到650℃，然后用小功率保温2.5小时，再继续用大功率加热到885℃，以常用加热炉为例，从常温加热到650℃所用时间为2.7h，从650℃加热到885℃所用的时间为2.3h，总加热时间为7.5h，单纯的大功率升温时间为5h。而本实施例从520～600℃加热到875℃，大功率升温时间仅为2.4h。因此与常规的热处理工艺相比，在第一次热处理加热阶段，加热时间缩短52％；而第二次热处理过程中，传统工艺是先加热到650℃保温2.5h，再加热到860℃保温5.2h，而本发明是先加热到610℃保温0.5h，再加热到840℃保温3.5h；在第三次热处理加热过程中，传统工艺是加热到650℃保温9h，而本实施例是加热到685℃保温5.8h。结果表明，采用实施例的技术路线，在满足锻件要求的前提下第二及第三次热处理使得综合能耗降低21％。
实施例3
如图1所示，一种35CrMo钢大型轴类锻件主体直径D＝325mm，该大型轴类锻件有两段加粗段，将大型轴类锻件分隔成两端头段和中间段；两端头段长度A＝200mm，中间段长度C＝5300mm，两加粗段长度B＝2650mm；加粗段直径E＝350mm；中间段为大型轴类锻件主体，其直径D＝325mm。该大型轴类锻件的总重量为7.67吨。35CrMo钢除铁外的材料组份都在表1范围内。
首先按常规锻造工艺要求完成一火次锻造成形，即只经过一次锻前加热便将标准钢锭锻造成图1所示的含有粗加工和精加工所需切削余量的轴类锻件。刚完成锻造时锻件表面温度在终锻温度(800℃)以上，心部温度仍保持在1050℃以上。
该35CrMo钢大型轴类锻件的热处理工艺曲线如图2所示：将完成一火次锻造成形的锻件放在空气中冷却，并用测温枪对表面温度进行测量，由于锻件表面温度不可能非常均匀，当表面温度降至T1＝550～600℃时，将其放入加热炉中进行第一次热处理加热，当温度达到T2＝880℃时进行保温，当保温时间t2＝4小时后出炉，以2米/秒的速度垂直放入水中，待全部浸入水中之后便立即以3米/秒的速度向上提出(此时锻件心部温度仍高于800℃)，继续在空气中冷却至常温。
然后对工件进行初步切削加工，并保留单边3mm的切削加工余量。由于该轴类零件的最终主体直径为295mm，故初步切削加工后的直径由原来的325mm变为301mm。
将处于室温的锻件进行再次热处理加热，当温度升至T3＝620℃时保温t3＝0.6小时，之后继续加热至T4＝850℃保温t4＝3.6小时，然后出炉并以2米/秒的速度垂直放入AQ251溶液中冷却至室温。
最后将锻件进行第三次热处理加热，当温度升至T5＝690℃时保温t5＝6小时，最后出炉空冷，将锻件温度降至室温，并最终完成锻件的精车加工。
上述三次加热过程中，对图1所示的四个应力观测点进行应力观测，四个点分别位于零件左端法兰的外圆表面P1和横截面中心P2、锻件长度中间截面的外圆表面P3和截面中心P4。结果表明：三次加热时，由于P1点位于法兰的外圆表面，温度变化最快，因此最大应力点都出现在P1点。三次的最大实测应力值分别为98Mpa、81Mpa和74Mpa。在出现最大应力的温度范围内对材料进行高温性能检测，屈服强度为150～185Mpa，因此可以保证在热处理加热过程中不会出现应力过大而产生的内部裂纹和塑性变形。
完成上述热处理及切削加工之后，将图1所示锻件两端的200mm长范围截掉用于材料性能测量，其中进行硬度测量时，在所取横截面上任意取一条半径，并将其五等分，从该半径的外端到中心点的五等分点分别记为1、2、3、4、5、6点位，对六个等分点进行硬度测量，结果如表4所示，可见硬度指标满足170～190HBW的要求。
表4
对前面所截取的锻件横截面进行金相观测，选取三个观测点：A1点位于横截面的外圆附近，A2点位于1/2半径附近，A3点位于截面圆心附近。放大100倍时可见晶粒尺寸规格与图3-1、图3-2和图3-3相同。可见，由锻件内部至表面的晶粒尺寸逐渐细化，满足实际使用条件对锻件性能的要求。
常规的锻件正火热处理加热(即第一次加热)时先用大功率从常温加热到650℃，然后用小功率保温3小时，再继续用大功率加热到890℃，以常用的加热炉为例，从常温加热到650℃所用时间为3.2h，从650℃加热到890℃所用的时间为2.7h，总加热时间为8.9h，单纯的大功率升温时间为5.9h。而本实施例从550～600℃加热到880℃，大功率升温时间仅为2.8h。因此与常规的热处理工艺相比，在第一次热处理加热阶段，加热时间缩短52.5％；而第二次热处理过程中，传统工艺是先加热到650℃保温3h，再加热到860℃保温6h，而本发明是先加热到620℃保温0.6h，再加热到850℃保温3.6h；在第三次热处理加热过程中，传统工艺是加热到650℃保温9.6h，而本发明是加热到690℃保温6h。结果表明，采用本实施例的技术路线，在满足锻件要求的前提下第二及第三次热处理使得综合能耗降低21.3％。
Claims (5)
1.35CrMo钢大型轴类锻件的热处理工艺，其特征在于包括如下步骤：
(1)降温预处理：大型轴类锻件在800℃终锻温度以上完成一火次锻造成形之后，在空气中将锻件表面温度降至500～600℃；所述大型轴类锻件为重量在5吨以上，直径在200mm以上的锻件；
(2)第一次热处理：将步骤(1)降温预处理后的大型轴类锻件温度升至870～880℃，保温3.8～4小时，将锻件出炉，以2～3米/秒的速度将大型轴类锻件垂直放入水中，待全部浸入水中之后便以3～5米/秒的速度向上提起，在空气中冷却至常温；
(3)加工余量：对第一次热处理后的大型轴类锻件进行初步切削加工，保留单边3～6mm的切削加工余量；
(4)第二次热处理：将切削加工后处于室温的大型轴类锻件温度升至600～620℃，保温0.4～0.6小时，然后加热至830～850℃，保温3.4～3.6小时，出炉，以2～3米/秒的速度将大型轴类锻件垂直放入AQ251溶液中冷却至室温；
(5)第三次热处理：将第二次热处理后的大型轴类锻件温度升至680～690℃，保温5.5～6小时，最后出炉在空气中冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的35CrMo钢大型轴类锻件的热处理工艺，其特征在于：所述一火次锻造成形是指只经过一次锻前加热将标准钢锭锻造成含有粗加工和精加工所需切削余量的轴类锻件。
3.根据权利要求1所述的35CrMo钢大型轴类锻件的热处理工艺，其特征在于：所述初步切削加工是指将含有切削加工余量的锻件经过粗加工，并留有精加工的切削余量。
4.根据权利要求1所述的35CrMo钢大型轴类锻件的热处理工艺，其特征在于：所述保留单边3～6mm的切削加工余量是指保留锻件半径比最终零件半径大出3～6mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的35CrMo钢大型轴类锻件的热处理工艺，其特征在于：以占材料的重量百分比计，所述35CrMo钢中C含量为0.32～0.4％；Mn为0.40～0.70％；Si含量为0.17～0.37％；P含量＜0.035％；S＜0.035％；Cr含量为0.80～1.1％；Ni含量＜0.03％；Mo含量为0.15～0.25％。
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