CN105401091A - 一种42CrMo轴类零件及其热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种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。所述其热处理工艺采用亚温淬火工艺，包括对前述钢种进行的装炉工序、淬火工序及回火工序。本发明有效提高了42CrMo零件的综合力学性能，降低了由于原材料材质及缺陷给淬火带来的危害，避免了裂纹的产生。同时具有降低能耗、提高产品的韧性、减少变形等优点，还减少了环境污染。

Description

一种42CrMo轴类零件及其热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种42CrMo轴类零件，尤其是一种利用亚温淬火热处理的42CrMo轴类零件，同时还涉及其处理工艺，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。42CrMo轴类零件按常规热处理工艺：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，调质后的理化性能不易达到设计图纸要求，不能满足船检验收标准，并且随着42CrMo零件的有效截面变化，其综合力学性能验收指标也相应改变。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。

此外，当原材料存在缺陷时，采用常规工艺(850～860℃，油冷却)的高温淬火也存在开裂的风险。采用常规工艺淬火所用的冷却介质为机油，油燃烧排放出大量的有害气体，不仅污染环境，还严重影响操作者身心健康。

因此，有必要采取新的工艺方法既能提高该材料的综合机械性能，同时又能有效避免产生裂纹，亚温淬火工艺是能达到这种要求的方法之一。亚温淬火工艺采用的淬火温度在Ac1～Ac3(730～800℃)区间，相比常规热处理淬火温度低、耗能少、能有效降低零件的淬火开裂风险、能获得良好的综合机械性能。

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轴类零件及其亚温淬火热处理工艺，通过制定亚温淬火工艺，能够获得良好的综合力学性能，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，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轴类零件的亚温淬火热处理工艺，所述热处理工艺采用亚温淬火工艺，包括对前述采用钢种进行的如下步骤：

步骤一，装炉工序：将需处理的42CrMo轴类零件按照截面大小分为大、中、小件；并将前述分拣出的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；

步骤二，淬火工序：开始进行亚温淬火处理，在淬火操作中，42CrMo轴类零件采用亚温淬火，温度为790℃～800℃，并根据亚温淬火保温时间公式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)；

步骤三，回火工序：42CrMo轴类零件在亚温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。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件的亚温淬火热处理工艺，步骤一中，42CrMo轴类零件按照截面大小分为大、中、小件，所述大件的直径为φ160mm＜d≤φ250mm，所述中件的直径为φ100mm＜d≤φ160mm及φ40mm＜d≤φ100mm，所述小件的直径为φ16mm＜d≤φ40mm；当截面大小不同的零件同时装炉时，按照炉膛从里至外的顺序，依次将大中小件放入炉内均匀温区内的装料架或炉底板上。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件的亚温淬火热处理工艺，步骤二中，对于大件的42CrMo轴类零件淬火工序采用阶梯升温的方式；在升温中途进行一次650℃或两次400～450℃、650℃的保温工序，或利用较低的加热速度，当处于30℃/h的低温阶段～100℃/h的600℃以上高温阶段，而不进行中间保温。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件的亚温淬火热处理工艺，步骤二中，42CrMo轴类零件装炉采用室式炉零件装炉方式，所述装炉方式调整系数κ为：当42CrMo轴类零件为单件架高装炉时，κ为1.0；当42CrMo轴类零件为单件不架高装炉时，κ为1.0；当42CrMo轴类零件为多件无间隙平铺装炉时，κ为2.0；当42CrMo轴类零件为多件间隙平铺装炉，且间隙＜10cm时，κ为1.5；当42CrMo轴类零件为多件间隙平铺装炉，且间隙＞10cm时，κ为1.3；当42CrMo轴类零件为多件无间隙叠放装炉时，κ为1.7。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件的亚温淬火热处理工艺，步骤二中，所述淬火工序中，冷却介质为氯化钠溶液。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件的亚温淬火热处理工艺，步骤三中，所述氯化钠溶液浓度为5～15％，使用温度小于60℃。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件的亚温淬火热处理工艺，步骤三中，回火温度为：当42CrMo轴类零件的轴直径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42CrMo轴类零件的轴直径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℃；当42CrMo轴类零件的轴直径d为40mm＜d≤100mm，且抗拉强度Rm为900～1100Mp，硬度HB为290～320时，回火温度为590℃；当42CrMo轴类零件的轴直径d为16mm＜d≤40mm，且抗拉强度Rm为1000～1200Mp，硬度HB为310～340时，回火温度为570℃。

进一步的，前述的42CrMo轴类零件的亚温淬火热处理工艺，步骤三中，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。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种42CrMo轴类零件及其亚温淬火热处理工艺，42CrMo轴类零件的亚温淬火是从低温加热升温进入临界区，亚温淬火加热温度在Ac1至Ac3之间，加热温度较低，淬火后实际晶粒细小而晶粒愈细晶粒强度愈高。由于细小均匀分部的铁素体有利于阻止裂纹扩展，引起脆性的杂质原子在残余铁素体中富集，减少了它们在奥氏体晶界偏聚的机会，未转变铁素体的存在有利于奥氏体晶粒细化，亚温淬火能很好地改善韧性。42CrMo轴采用亚温淬火处理能有效提高42CrMo销轴的综合力学性能。而且由于亚温淬火加热温度低，减小了淬火应力，降低了由于原材料材质及缺陷给淬火带来的危害，避免了裂纹的产生。亚温淬火因其加热温度是在奥氏体与铁素体之间的双向区域进行的，加热的温度比常规热处理温度低50℃以上，具有降低能耗、提高产品的韧性、减少变形等优点。由于亚温淬火工艺上淬火介质采用水冷却方式，减少了环境污染。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明的零件装炉方式示意图。

图3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4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5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φ40×200、φ60×200、φ160×200、φ230×200，轧制42CrMo圆钢为例，每种直径分别进行常规热处理与亚温淬火工艺试验。

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：将需处理的42CrMo轴类零件按照截面大小分为大、中、小件；其中，大件的直径为φ160mm＜d≤φ250mm，中件的直径为φ100mm＜d≤φ160mm及φ40mm＜d≤φ100mm，小件的直径为φ16mm＜d≤φ40mm；

并将前述分拣出的42CrMo轴类零件按顺序放入台车式箱式电阻炉的有效加入区内，该有效加入区测定方法的执行标准为：GB/T9452-2012，当截面大小不同的零件同时装炉时，按照炉膛从里至外的顺序，依次将大中小件放入炉内均匀温区内的装料架或炉底板上；并打开电阻炉开关。

步骤二，淬火工序：在淬火操作中，42CrMo轴类零件采用亚温淬火，由于42CrMo钢为亚共析钢，同时亚温淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶体为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织，而且要求其淬火组织中除了马氏体外，还保留一部分铁素体。因此亚温淬火加热温度取上限，温度为790℃～800℃。使用氯化钠水溶液作为冷却介质，氯化钠水溶液浓度控制在5～15％。

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，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)，见表1-1；κ：零件装炉方式调整系数，见图2；H：零件有效厚度(mm)，见图3至图5。

表1-1钢在气体介质中加热的保温系数α

计算得出加热时间为：①φ40亚温淬火回火温度为640℃，时间为120分；

②φ60亚温淬火回火温度为620℃，时间为150分；

③φ160亚温淬火回火温度为590℃，时间为270分；

④φ230亚温淬火回火温度为570℃，时间为300分。

在亚温淬火操作中，中小件不需要控制加热速度，但对于大件(吨位＞1吨)，为避免在加热过程中由于热应力过大造成变形和开裂，往往采用控制升温，即阶梯升温的工艺方法：在升温中途进行一次650℃或两次400～450℃，650℃保温，也可以采用较低的加热速度，30℃/h(低温阶段)～100℃/h(600℃以上)，而不进行中间保温。

步骤四，回火工序：工件回火应在淬火后及时进行，回火温度应根据工件的设计力学性能要求(如硬度、强度、塑性、韧性等)等因素确定。42CrMo轴类零件回火温度以硬度和机械性能来确定。直径与强度关系执行标准：EN10083-1,回火温度按下列要求给定：

当42CrMo轴类零件的轴直径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42CrMo轴类零件的轴直径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℃；当42CrMo轴类零件的轴直径d为40mm＜d≤100mm，且抗拉强度Rm为900～1100Mp，硬度HB为290～320时，回火温度为590℃；当42CrMo轴类零件的轴直径d为16mm＜d≤40mm，且抗拉强度Rm为1000～1200Mp，硬度HB为310～340时，回火温度为570℃。

其中，回火加热时间，按同种加热介质中淬火加热时间的1.2～1.5倍计算。回火加热完毕后，采用空冷或水冷的方式进行回火冷却。

对比例

以φ40×200、φ60×200、φ160×200、φ230×200，轧制42CrMo圆钢为例，每种直径分别进行常规热处理工艺试验。

本实施例中同样采用台车式箱式(空气)电阻炉，设备等级为V级，控温精度为±10℃。并采用与前述相同方式进行拣选及装炉。

常规热处理淬火加热温度为：850℃，保温时间分别为：φ40保温时间为90分、φ60保温时间为120分、φ160保温时间为210分、φ230保温时间为300分。

常规热处理淬火冷却介质为15号机油。

5、回火温度及时间

①φ40常规热处理回火温度均为640℃，时间为120分；

②φ60常规热处理回火温度均为620℃，时间为150分；

③φ160常规热处理回火温度均为590℃，时间为270分；

④φ230常规热处理回火温度均为570℃，时间为300分。

回火加热完毕后，常规热处理采用盐水为冷却介质。

上述两种工艺完成后进行硬度测试：把经过常规热处理和亚温淬火热处理后的零件打磨表面在HL-D型硬度机上进行硬度测试。

拉伸测试：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。

冲击测试：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。

42CrMo钢经常规热处理和亚温淬火热处理后，其力学性能如上表所示。

因此，可以看出采用亚温淬火处理比常规热处理更能有效提高42CrMo销轴的综合力学性能。而且由于亚温淬火加热温度低，减小了淬火应力，有利于降低由于原材料材质及缺陷给淬火带来的危害，避免裂纹的产生。亚温淬火因其加热温度是在奥氏体与铁素体之间的双向区域进行的，加热的温度比普通的热处理温度低50℃以上，具有降低能耗、提高产品的韧性、减少变形等优点。由于亚温淬火工艺上淬火介质采用水冷却方式，与常规热处理相比，由油冷改为水冷，从环境上考虑，减少了环境污染。

Claims (10)

1.一种42CrMo轴类零件，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的42CrMo轴类零件的热处理工艺，其特征在于：所述热处理工艺采用亚温淬火工艺，包括对前述采用钢种进行的如下步骤：

步骤一，装炉工序：将需处理的42CrMo轴类零件按照截面大小分为大、中、小件；并将前述分拣出的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；

步骤二，淬火工序：开始进行亚温淬火处理，在淬火操作中，42CrMo轴类零件采用亚温淬火，温度为790℃～800℃，并根据亚温淬火保温时间公式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）；

步骤三，回火工序：42CrMo轴类零件在亚温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2所述的42CrMo轴类零件的热处理工艺，其特征在于：所述步骤一中，42CrMo轴类零件按照截面大小分为大、中、小件，所述大件的直径为φ160mm＜d≤φ250mm，所述中件的直径为φ100mm＜d≤φ160mm及φ40mm＜d≤φ100mm，所述小件的直径为φ16mm＜d≤φ40mm；当截面大小不同的零件同时装炉时，按照炉膛从里至外的顺序，依次将大中小件放入炉内均匀温区内的装料架或炉底板上。

4.根据权利要求2所述的42CrMo轴类零件的热处理工艺，其特征在于：所述步骤二中，对于大件的42CrMo轴类零件淬火工序采用阶梯升温的方式；在升温中途进行一次650℃或两次400～450℃、650℃的保温工序，或利用较低的加热速度，当处于30℃/h的低温阶段～100℃/h的600℃以上高温阶段，而不进行中间保温。

5.根据权利要求2所述的42CrMo轴类零件的亚温淬火热处理工艺，其特征在于：所述步骤二中，当42CrMo轴类零件有效厚度H≤50mm时，所述42CrMo轴类零件在780～900℃气体介质中加热时的保温系数为1.5～1.8；当42CrMo轴类零件有效厚度H＞50mm时，所述42CrMo轴类零件在780～900℃气体介质中加热时的保温系数为1.5～2.0。

6.根据权利要求2所述的42CrMo轴类零件的热处理工艺，其特征在于：所述步骤二中，42CrMo轴类零件装炉采用室式炉零件装炉方式，所述装炉方式调整系数κ为：当42CrMo轴类零件为单件架高装炉时，κ为1.0；当42CrMo轴类零件为单件不架高装炉时，κ为1.0；当42CrMo轴类零件为多件无间隙平铺装炉时，κ为2.0；当42CrMo轴类零件为多件间隙平铺装炉，且间隙＜10cm时，κ为1.5；当42CrMo轴类零件为多件间隙平铺装炉，且间隙＞10cm时，κ为1.3；当42CrMo轴类零件为多件无间隙叠放装炉时，κ为1.7。

7.根据权利要求2所述的42CrMo轴类零件的热处理工艺，其特征在于：所述步骤二中，所述淬火工序中，冷却介质为氯化钠溶液。

8.根据权利要求6所述的42CrMo轴类零件的热处理工艺，其特征在于：所述步骤三中，所述氯化钠溶液浓度为5～15%，使用温度小于60℃。

9.根据权利要求2所述的42CrMo轴类零件的热处理工艺，其特征在于：所述步骤三中，回火温度为：当42CrMo轴类零件的轴直径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42CrMo轴类零件的轴直径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℃；当42CrMo轴类零件的轴直径d为40mm＜d≤100mm，且抗拉强度Rm为900～1100Mp，硬度HB为290～320时，回火温度为590℃；当42CrMo轴类零件的轴直径d为16mm＜d≤40mm，且抗拉强度Rm为1000～1200Mp，硬度HB为310～340时，回火温度为570℃。

10.根据权利要求2所述的42CrMo轴类零件的热处理工艺，其特征在于：所述步骤三中，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。