CN105369015A - 一种42CrMo轴类零件淬火热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，包括装炉工序、淬火工序、淬火冷却及回火工序。通过将现有的单介质淬火变为双介质淬火，将已奥氏体化的工件先在冷却能力较高的介质中冷却至Ms点稍高温度，然后立即转入冷却能力较低的介质中完成马氏体转变的热处理工艺方法。提高了42CrMo轴类产品力学性能指数，因此也同时提高了合格率，降低了返工成本，经过实验比对，42CrMo轴类零件使用双介质淬火后力学性能合格率≥85%，从数据可以看出本发明能够有效地提高产品的合格率。

Description

一种42CrMo轴类零件淬火热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种42CrMo轴类零件的热处理工艺，尤其是一种将已奥氏体化的42CrMo零件先在冷却能力较高的介质中冷却至Ms点稍高温度，然后立即转入冷却能力较低的介质中完成马氏体转变的热处理工艺方法，属于亚温淬火工艺技术领域。

背景技术

42CrMo钢属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。该钢适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具。该钢通常将调质后表面淬火作为热处理方案。

然而，42CrMo材料作为广泛使用的工程产品材料，特别是在工程锚绞机轴类零件中广泛使用的工程产品材料，该材料技术要求为调质处理。常规热处理工艺方法采用Ac3以上温度，一般为850℃～860℃保温，淬火冷却方式采用15#机油冷却(以下简称常规热处理)。常规热处理淬火温度高，耗能大，且淬火时油燃烧排放大量的有害气体，对人的身体健康有很大影响，还严重污染环境。

随着轴的有效截面的减小，42CrMo轴的综合力学性能验收指标相对提高。当零件来料为轧制件时，采用常规热处理工艺方法获得的综合机械性能不高，一般是塑韧性指标达不到设计要求。淬火时，工件截面上各处的冷却速度是不同的，工件淬硬层与冷却速度有一定的关系，表面冷却速度越快，越到中心冷却速度越慢。如果工件表面及中心的冷却速度都大于材料的临界冷却速度，则沿工件的整个截面都能获得马氏体组织，即钢被完全淬透。如中心部分的冷却速度低于临界冷却速度，则表面得到马氏体，心部获得非马氏体组织，表示工件未淬透。淬透性是指在规定的条件下，钢在淬火后获得淬硬层深度的能力，获得淬硬层越深，淬透性越好。淬透性是钢的主要热处理性能之一，与钢的临界冷却速度有密切的关系，属于材料本身固有特性。淬透性好的钢不仅有利于大截面零件获得均匀一致的组织和性能，而且在淬火时可采用比较缓和的淬火介质，减少工件的变形及开裂倾向。淬透性差的钢，需要采用冷速较快的淬火介质，这样才能保证零件获得需要的组织。42CrMo钢的淬透性属于中等，采用油淬后满足不了机械性能要求。采用水淬，开裂倾向很大，容易造成零件的报废。

目前，常规热处理方法是工件850℃加热保温后入油中冷却，处理后综合机械性能不高，往往不能满足设计要求。因此有必要采取新的热处理工艺方法提高综合机械性能，满足生产的要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提出一种42CrMo轴类零件双介质淬火热处理工艺，通过改变工艺方法，由单介质淬火变为双介质淬火，使得工件的力学性能能够满足设计的技术要求，满足不同等级的船检验收指标，有效降低零件的淬火开裂风险。

本发明通过以下技术方案解决技术问题：一种42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，包括装炉工序、淬火工序、淬火冷却工序及回火工序，其特征在于：所述淬火冷却工序中采用双介质冷却工艺。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，装炉工序中，将42CrMo轴类零件按顺序放入热处理炉的有效加入区内，打开开关；

淬火工序中，对42CrMo轴类零件开始进行淬火处理，在淬火操作中，淬火加热温度为830℃～850℃，并根据淬火保温时间公式t＝α·κ·H确定保温时间，其中t：保温时间(min)，α：钢在气体介质中加热时的保温系数(min/mm)，κ：零件装炉方式调整系数，H：零件有效厚度(mm)；

淬火冷却中，加热保温完成后进入淬火冷却工序，冷却介质为氯化钠溶液及机油，冷却时间为t(s)＝K·D,其中D为工件最易开裂处的厚度，K为常数；

回火工序中，42CrMo轴类零件在淬火处理后及时进行回火工序，42CrMo轴类零件回火温度以硬度和机械性能确定；回火加热完毕后，对42CrMo轴类零件进行回火冷却。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，42CrMo轴类零件含有以下质量百分比的化学成分：C0.38～0.45％，Si0.20～0.40％，Mn0.50～0.80％，Cr1.00～1.20％，Mo0.18～0.25％，P≤0.04％，S≤0.04％,Cu≤0.30％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，淬火冷却工序中，所述氯化钠溶液浓度为5～15％，当进行淬火工序时，所述42CrMo轴类零件首先吊入浓度为5～15％的氯化钠溶液冷却槽中进行冷却，后从装有氯化钠溶液的冷却槽中吊出，并立即吊入油槽中进行淬火处理。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，淬火工序中，淬火工序采用阶梯升温的方式；在升温中途进行一次650℃的保温，或利用较低的加热速度100℃/h，而不进行中间保温。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，淬火工序中，当零件有效厚度H≤50mm时，零件在780～900℃气体介质中加热时的保温系数为1.5～1.8；当零件有效厚度H＞50mm时，零件在780～900℃气体介质中加热时的保温系数为1.5～2.0。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，淬火冷却工序中，当工件最易开裂处的厚度D＜25mm时，常数K为0.2～0.3s/mm；当工件最易开裂处的厚度25≤D＜30mm时，常数K为0.5～0.6s/mm；当工件最易开裂处的厚度30≤D＜60mm时，常数K为0.7～0.8s/mm；当工件最易开裂处的厚度D≥60mm时，常数K为0.8～1.0s/mm。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，回火工序中，42CrMo轴类零件回火温度以硬度和机械性能来确定,回火温度为：当零件的轴直径d为160mm＜d≤250mm，且抗拉强度Rm为750～900Mp，硬度HB为240～270时，回火温度为640℃；当零件的轴直径d为100mm＜d≤160mm，且抗拉强度Rm为800～950Mp，硬度HB为260～290时，回火温度为620℃。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，回火工序中，回火加热时间为同种加热介质中，淬火加热时间的1.2～1.5倍；所述回火冷却方式为空冷或水冷方式冷却。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，热处理炉为台车式箱式空气电阻炉，所述设备等级为V级，控温精度为±10℃。

本发明的有益效果是：本发明提供的42CrMo轴类零件双介质淬火热处理工艺，通过将现有的单介质淬火变为双介质淬火，将已奥氏体化的工件先在冷却能力较高的介质中冷却至Ms点稍高温度，然后立即转入冷却能力较低的介质中完成马氏体转变的热处理工艺方法。提高了42CrMo轴类产品力学性能指数，因此也同时提高了合格率，降低了返工成本，经过实验比对，42CrMo轴类零件使用双介质)淬火后力学性能合格率≥85％，从数据可以看出本发明能够有效地提高产品的合格率。

附图说明

图1为本发明的零件装炉方式示意图。

图2为本发明的零件有效厚度H的一个实施例的计算示意图。

图3为本发明的零件有效厚度H的另一个实施例的计算示意图。

图4为本发明的零件有效厚度H的再一个实施例的计算示意图。

具体实施方式

实施例

以下结合实施例对本发明做进一步阐述。以φ200mm42CrMo锻件粗车后分别进行单介质淬火和双介质淬火工艺试验，分别标记为1#及2#。

该种42CrMo轴类零件，含有以下质量百分比的化学成分：C：0.38～0.45％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.50～0.80％，Cr：1.00～1.20％，Mo：0.18～0.25％，P≤0.04％，S≤0.04％,Cu≤0.30％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。

本实施例中采用台车式箱式(空气)电阻炉，设备等级为V级，控温精度为±10℃。

步骤一，装炉工序：将1#，2#试样同时装入台车式箱式电阻炉的有效加入区内，打开开关；有效加入区测定方法执行标准为GB/T9452-2012。

步骤二，淬火工序：在淬火操作中，淬火加热温度均为850℃。同时，为避免在加热过程中由于热应力过大造成变形，往往采用阶梯升温的工艺方法。一般采用在升温中途进行一次650℃保温，也可以采用较低的加热速度(＜100℃/h)，而不进行中间保温。由于零件在保温阶段加热停留的时间，决定了零件热处理的质量，加热时间与工件的成分、形状和尺寸、加热速度、加热介质、加热方式、装炉方式、装炉量等因素有关，因此根据亚温淬火保温时间公式t＝α·κ·H确定保温时间为300分钟，其中t：保温时间(min)，α：钢在气体介质中加热时的保温系数(min/mm)，当零件有效厚度H≤50mm时，所述零件在780～900℃气体介质中加热时的保温系数为1.5～1.8；当零件有效厚度H＞50mm时，所述零件在780～900℃气体介质中加热时的保温系数为1.5～2.0；如表1-1所示；κ：零件装炉方式调整系数，当工件最易开裂处的厚度D＜25mm时，常数K为0.2～0.3s/mm；当工件最易开裂处的厚度25≤D＜30mm时，常数K为0.5～0.6s/mm；当工件最易开裂处的厚度30≤D＜60mm时，常数K为0.7～0.8s/mm；当工件最易开裂处的厚度D≥60mm时，常数K为0.8～1.0s/mm；如图1所示；H：零件有效厚度(mm)，见图2-4。

表1-1钢在气体介质中加热的保温系数α

步骤三，淬火冷却：加热保温完成后进入淬火冷却工序。

其中，1#试样保温完成后采用单介质淬火冷却，即将试样放入15#机油中进行淬火冷却；

2#试样采用双介质淬火冷却，冷却介质为氯化钠溶液及机油，当进行淬火工序时，首先将42CrMo轴类零件吊入浓度为5～15％的氯化钠溶液冷却槽中进行冷却，后从装有氯化钠溶液的冷却槽中吊出，并立即吊入油槽中进行淬火处理。

而在氯化钠溶液中停留的冷却时间为t(s)＝K·D,其中D为工件最易开裂处的厚度，K为常数；计算后得出：2#试样在氯化钠溶液中停留的冷却时间为200S，后立即放入15#机油中再次进行冷却。

步骤四，回火工序：1#，2#试样在淬火处理后及时进行回火工序，42CrMo轴类零件回火温度以硬度和机械性能确定；其直径与强度关系执行EN10083-1,回火温度按下列要求给定：当零件的轴直径d为160mm＜d≤250mm，且抗拉强度Rm为750～900Mp，硬度HB为240～270时，回火温度为640℃；当零件的轴直径d为100mm＜d≤160mm，且抗拉强度Rm为800～950Mp，硬度HB为260～290时，回火温度为620℃。本实施例中选用零件的直径为φ200mm，因此根据标准，回火温度为640℃。

回火加热完毕后，对1#，2#试样进行回火冷却，回火加热时间为同种加热介质中，淬火加热时间的1.2～1.5倍，因此回火时间为360分钟。回火加热完毕后，采用水冷的方式对1#，2#试样进行回火冷却，将1#，2#试样放入氯化钠溶液中进行冷却。

将1#，2#试样取出后依次进行试验，

硬度试验：将1#、2#试样打磨表面在HL-D型硬度机上进行硬度测试。

拉伸试验：经热处理后的零件加工(线切割)成标准试样，室温下在WEW-600型微机屏显液压万能试验机上进行拉伸试验。

冲击试验：把经过热处理后的零件加工(线切割)成标准冲击试样，冲击试块三个，均为V型缺口，在JB30A型294/147冲击试验机上进行冲击试验(常温)，测定冲击韧性值。

试验完毕后得出结果为，42CrMo钢经单介质(15#机油)淬火和双介质(先盐水后15#机油)淬火热处理后，其力学性能如下所示。

	Rm(N/mm2)	Rp0.2(N/mm2)	A(％)	Z(％)	Akv(J)
						1#	805	617	14	56	353732
2#	821	653	16	59	706865

经过前期42CrMo轴类零件使用单介质(15#机油)淬火后力学性能统计得出合格率＜50％，42CrMo轴类零件使用双介质(先入盐水冷却再入15#机油中冷却)淬火后力学性能合格率≥85％，从数据可以看出本发明能够有效地提高产品的合格率。

Claims (10)

1.一种42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，包括装炉工序、淬火工序、淬火冷却工序及回火工序，其特征在于：所述淬火冷却工序中采用双介质冷却工艺。

2.根据权利要求1所述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，其特征在于：所述装炉工序中，将所述42CrMo轴类零件按顺序放入热处理炉的有效加入区内，打开开关；

所述淬火工序中，对所述42CrMo轴类零件开始进行淬火处理，在淬火操作中，所述淬火加热温度为830℃～850℃，并根据淬火保温时间公式t=α·κ·H确定保温时间，其中t：保温时间（min），α：钢在气体介质中加热时的保温系数（min/mm），κ：零件装炉方式调整系数，H：零件有效厚度（mm）；

所述淬火冷却中，加热保温完成后进入淬火冷却工序，所述冷却介质为氯化钠溶液及机油，所述冷却时间为t(s)=K·D,其中D为工件最易开裂处的厚度，K为常数；

所述回火工序中，所述42CrMo轴类零件在淬火处理后及时进行回火工序，42CrMo轴类零件回火温度以硬度和机械性能确定；回火加热完毕后，对所述42CrMo轴类零件进行回火冷却。

3.根据权利要求1所述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，其特征在于：所述42CrMo轴类零件含有以下质量百分比的化学成分：C0.38～0.45%，Si0.20～0.40%，Mn0.50～0.80%，Cr1.00～1.20%，Mo0.18～0.25%，P≤0.04%，S≤0.04%,Cu≤0.30%，其余为Fe及不可避免的杂质元素。

4.根据权利要求1所述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，其特征在于：所述淬火冷却工序中，所述氯化钠溶液浓度为5～15%，当进行淬火工序时，所述42CrMo轴类零件首先吊入浓度为5～15%的氯化钠溶液冷却槽中进行冷却，后从装有氯化钠溶液的冷却槽中吊出，并立即吊入油槽中进行淬火处理。

5.根据权利要求1所述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，其特征在于：所述淬火工序中，淬火工序采用阶梯升温的方式；在升温中途进行一次650℃的保温，或利用较低的加热速度100℃/h，而不进行中间保温。

6.根据权利要求1所述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，其特征在于：所述淬火工序中，当零件有效厚度H≤50mm时，所述零件在780～900℃气体介质中加热时的保温系数为1.5～1.8；当零件有效厚度H＞50mm时，所述零件在780～900℃气体介质中加热时的保温系数为1.5～2.0。

7.根据权利要求1所述的42CrMo轴类零件的淬火热处理工艺，其特征在于：所述淬火冷却工序中，当工件最易开裂处的厚度D＜25mm时，所述常数K为0.2～0.3s/mm；当工件最易开裂处的厚度25≤D＜30mm时，所述常数K为0.5～0.6s/mm；当工件最易开裂处的厚度30≤D＜60mm时，所述常数K为0.7～0.8s/mm；当工件最易开裂处的厚度D≥60mm时，所述常数K为0.8～1.0s/mm。

8.根据权利要求1所述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，其特征在于：所述回火工序中，42CrMo轴类零件回火温度以硬度和机械性能来确定,回火温度为：当零件的轴直径d为160mm＜d≤250mm，且抗拉强度Rm为750～900Mp，硬度HB为240～270时，回火温度为640℃；当零件的轴直径d为100mm＜d≤160mm，且抗拉强度Rm为800～950Mp，硬度HB为260～290时，回火温度为620℃。

9.根据权利要求1所述的42CrMo轴类零件淬火热处理工艺，其特征在于：所述回火工序中，回火加热时间为同种加热介质中，淬火加热时间的1.2～1.5倍；所述回火冷却方式为空冷或水冷方式冷却。

10.根据权利要求1所述的42CrMo轴类零件双介质淬火热处理工艺，其特征在于：所述热处理炉为台车式箱式空气电阻炉，所述设备等级为V级，控温精度为±10℃。