CN112207511B - 一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺 - Google Patents

一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，制造工艺采用锻造→余热表面合金化→调质→校直→机加工→成品，严格控制每道工序的工艺参数，制备出长轴类锻件，并利用锻造余热进行温剧烈塑性变形诱发表面合金化，有利于表面淬透性提高，调质处理后其表面硬度达600HV～750HV，抗拉强度达800～1100MPa，线性伸长率达15～30％，从而缩短长轴类锻件制造工艺流程、节约资源、降低成本。

Description

一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺
技术领域
本发明具体涉及一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造方法，属于锻件制造流程技术领域。
背景技术
汽车、拖拉机、船舶等用长棒状轴类零部件，如传动轴、半轴等长期在循环扭转载荷条件下工作，需承受周期性切应力作用，对其表面强度和硬度提出较高要求，同时也要求其具有较好的韧性，即要求这些长棒状轴类零部件具有外强内韧的性能。目前这些零部件多使用40CrMnTi，40Cr、42CrMo等中碳钢或中碳合金钢，其制造工艺为：原材料→下料→加热→锻造→调质→校直→机加工→中频表面感应加热淬火→回火→校直→成品。很显然，工艺流程较长，需经过两次淬火处理，在淬火过程中容易产生变形，需两次校直处理，且多次淬火处理需消耗更多能量、加剧淬火液的环境污染、增加成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，解决了现有技术中的长轴类锻件制备工艺中调质处理、校直、表面感应淬火等工艺的工艺流程长、能耗高、环境污染技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，其特征是，包含下料→锻造→余热表面合金化→调质→校直→机加工→成品工序，具体操作工艺如下：
(1)下料工序中：
将长轴棒材原材料下料成棒锭坯料；
(2)锻造工序中：
在感应加热炉内加热至950～1120℃，保温20min～60min，开始锻造温度为850～1080℃，终锻温度为780～960℃，径向锻造变形量为30～50％；
冷却时将锻造后样件冷至250℃～350℃。
(3)余热表面合金化工序中：
先对锻造后样件的表面进行喷砂处理；
利用锻造余热在250～350℃温度对样件进行表面剧烈塑性变形，在剧烈塑性变形过程中向样件表面连续喷涂合金粉末，在样件表面形成一层合金化层；
(4)调质工序中：
调质处理时把表面合金化的样件感应加热至880～930℃，保温10min～30min，淬火介质为含有5％～10％食盐和苛性钠10％～15％的水溶液，回火温度为540～600℃，保温30min～60min，然后将样件在空气中冷却。
进一步的，所述棒材原材料材质为中碳钢、中碳合金钢或调质钢。
进一步的，坯料的长度为100～500mm，直径为40～150mm。
进一步的，所述锻造工序中，锻造分多个道次进行。
进一步的，所述锻造分多个道次进行时，锻造初始时坯料的旋转角度为15～20°/锤，坯料进给速度为4～8m/min，每道次锻造的坯料旋转角度以1～2°的角度逐渐增加，每道次锻造的坯料进给速度以1～1.5m/min的速度逐渐增加。
进一步的，喷砂处理时，采用的砂为石英砂与金刚砂的混合物，其质量比为2:1，粒径为0.25～0.75mm，砂中含水量小于0.5％。
进一步的，喷砂过程中，样件以50～70转/秒的转速转动。
进一步的，所述表面剧烈塑性变形工艺为超声冲击、机械冲击、激光冲击、喷丸、机械研磨或滚压。
进一步的，所述喷涂的合金粉末为碳和合金的混合物，所述合金为铬、镍、钼、钨和锰中一种或多种混合，合金粒径在0.1um～1um。
进一步的，喷涂合金粉末时，送粉载气流量控制在25～35nlpm，喷涂装置的喷枪距样件表面10～20cm，送合金粉末量控制在20～50克/分钟，喷涂过程中样件旋转速度为10～20转/秒。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明把控锻控冷工艺与余热表面合金化工艺相结合，充分利用锻造余热进行温剧烈塑性变形处理，温剧烈塑性变形处理更有利于表面合金化，从而在表层具有较高的含碳量和合金元素含量，在随后的调质过程中，加热更高的温度以使合金元素充分固溶到奥氏体中，以及采用冷却能力更强的盐和碱混合水溶液，由于表层具有较高的淬透性，而心部的淬透性较低，从而淬火后表层获得更高硬度，心部获得更高韧性。缩短工艺流程、节约资源、降低成本。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，包含下料→锻造→余热表面合金化→调质→校直→机加工→成品，具体操作工艺如下：
(1)下料工序中：
将长轴棒材原材料下料成长度约100～500mm的棒锭坯料；其直径为40～150mm；所述的棒材原材料材质为中碳钢、中碳合金钢或调质钢。
(2)锻造工序中：
在感应加热炉内加热至950～1120℃，保温20min～60min，开始锻造温度为850～1080℃，终锻温度为780～960℃，径向锻造变形量为30～50％。
锻造分多个道次进行，锻造初始时坯料的旋转角度为15～20°/锤，坯料进给速度为4～8m/min，每道次锻造的坯料旋转角度以1～2°的角度逐渐增加，每道次锻造的坯料进给速度以1～1.5m/min的速度增加。
然后对锻造后得到的样件进行冷却，冷却时以2.0～4.0℃/s的冷却速度冷至250℃～350℃。
(3)余热表面合金化工序中：
表面剧烈塑性变形前对锻造后的样件的表面进行喷砂处理，采用的砂为石英砂与金刚砂的混合物，其质量比为2:1，粒径为0.25～0.75mm，砂中含水量小于0.5％，喷砂时压缩空气5～8公斤/平方厘米，喷砂装置的喷嘴距锻造后样件的表面距离为60～100mm，喷砂过程中，样件以50～70转/秒的转速转动。
利用锻造余热在250～350℃温度对喷砂后样件进行表面剧烈塑性变形(沿样件径向)，在剧烈塑性变形过程中向样件表面连续喷涂合金粉末，在样件表面形成一层合金化层，喷涂合金粉末时，送粉载气流量控制在25～35nlpm，喷涂装置的喷枪距样件表面10～20cm，送合金粉末量控制在20～50克/分钟，喷涂过程中样件旋转速度为10～20转/秒；
进一步的，所述表面剧烈塑性变形工艺为超声冲击、机械冲击、激光冲击、喷丸、机械研磨、滚压等；
进一步的，所述喷涂的合金粉末为碳+(铬、镍、钼、钨、锰)等提高淬透性的合金元素，合金粉末的粒径在0.1um～1um；
(4)调质工序中：
调质处理时把表面合金化的样件感应加热至880～930℃，保温10min～30min，淬火介质为含有5％～10％食盐+苛性钠10％～15％的水溶液，回火温度为540～600℃，保温30min～60min，然后样件在空气中冷却。
本发明把控锻控冷工艺与余热表面合金化工艺相结合，充分利用锻造余热进行温剧烈塑性变形处理，温剧烈塑性变形处理更有利于表面合金化，一方面能够使剧烈变形难度降低，另一方面促进更多组织结构缺陷的形成，如位错、晶界、亚晶界、点缺陷等，并细化晶粒，有利于合金元素扩散，促进合金元素向棒材内部迁移，更容易形成固溶体，从而在表层具有较高的含碳量和合金元素含量，在随后的调质过程中，加热更高的温度以使合金元素充分固溶到奥氏体中，以及采用冷却能力更强的盐和碱混合水溶液，由于表层具有较高的淬透性，而棒材内部淬透性较低，从而淬火后表层获得更高硬度，棒材心部获得更高韧性。
本发明所达到的有益效果是：本发明的表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，与现有常规工艺相比，取消中频表面感应淬火、回火、校直等工序，并充分利用锻造余热进行温剧烈塑性变形，有利于表面淬透性提高，调质后表面硬度较高，而心部仍保持较好的韧性，力学性能与采用传统工艺：原材料→下料→加热→锻造→调质→校直→机加工→中频表面感应加热淬火→回火→校直而制备的产品力学性能相当，从而能够代替中频表面感应淬火、回火工艺，缩短工艺流程、节约资源、降低成本。
实施例1
调质钢40Cr传动轴的制造工艺，包括以下过程：下料→锻造→余热表面合金化→调质→校直→机加工，具体操作工艺为：
(1)将直径40mm的棒材原材料下料成长度500mm的棒锭坯料后，在感应加热炉内加热至950℃，保温20min，开始锻造温度为850℃，终锻温度为780℃，径向锻造变形量为30％，径向锻造过程中，锻造分多个道次进行，初始时坯料的角度旋转参数为15°/锤，坯料进给速度为8m/min，每道次锻造的坯料旋转角度以1°的角度逐渐增加，每次锻造的坯料进给速度以1m/min的速度增加，冷却时以2.0℃/s的冷却速度冷至250℃；
(2)利用锻造余热在250℃温度进行喷丸表面剧烈塑性变形，喷丸变形前对锻造后的样件进行喷砂处理，采用的砂为石英砂和金刚砂的混合物，其质量比为2:1，粒径为0.75mm，含水量小于0.5％，喷砂时压缩空气5公斤/平方厘米，喷砂装置的喷嘴距样件表面距离为100mm，喷砂过程中，样件以50转/秒的转速转动，采用该喷砂工艺样件表面温度降低约70℃；在喷丸剧烈塑性变形过程中向棒样件表面连续喷涂C+Cr+Mo混合合金粉末，在样件表面形成一层合金化层，喷涂合金粉末时，送粉载气流量控制在25nlpm，喷涂装置的喷枪距样件表面10cm，送混合合金粉量控制在20克/分钟，喷涂过程中样件旋转速度为10转/秒；
(3)调质处理时把表面合金化的样件感应加热至880℃，保温10min，淬火介质为含有5％～10％食盐+苛性钠10％～15％的水溶液，回火温度为540℃，保温30min，然后样件在空气中冷却。
本实施例中产品的力学性能与采用传统工艺：原材料→下料→加热→锻造→调质→校直→机加工→中频表面感应加热淬火→回火→校直而制备的产品力学性能相当，表面硬度达690HV，抗拉强度达980MPa，线性伸长率达22％。
实施例2
中碳钢40传动轴的制造工艺，包括以下过程：原材料→下料→锻造→余热表面合金化→调质→校直→机加工→成品，具体操作工艺为：
(1)将直径150mm棒材原材料下料成长度500mm的棒锭坯料后，在感应加热炉内加热至1120℃，保温60min，开始锻造温度为1080℃，终锻温度为960℃，径向锻造变形量为50％，径向锻造过程中，坯料的角度旋转参数为20°/锤，坯料进给速度为4m/min，锻造分多个道次进行，每道次锻造的坯料旋转角度以2°的角度逐渐增加，每次锻造的坯料进给速度以1.5m/min的速度增加，冷却时以4.0℃/s的冷却速度冷至350℃；
(2)利用锻造余热在350℃温度进行表面超声冲击剧烈塑性变形，表面剧烈塑性变形前对锻造后的样件进行喷砂处理，采用的砂为石英砂和金刚砂的混合物，其质量比为2:1粒径为0.25mm，含水量小于0.5％，喷砂时压缩空气8公斤/平方厘米，喷砂装置的喷嘴距样件表面距离为100mm，喷砂过程中，样件以70转/秒的转速转动，采用该喷砂工艺棒材表面温度降低约50℃；在超声冲击剧烈塑性变形过程中向样件表面连续喷涂C+Cr+W混合合金粉末，在样件表面形成一层合金化层，喷涂合金粉末时，送粉载气流量控制在35nlpm，喷涂装置的喷枪距棒材表面10cm，送混合合金粉量控制在50克/分钟，喷涂过程中样件旋转速度为20转/秒；
(3)调质处理时把表面合金化的样件感应加热至930℃，保温30min，淬火介质为含有5％～10％食盐+苛性钠10％～15％的水溶液，回火温度为600℃，保温60min，然后样件在空气中冷却。
本实施例中产品的力学性能与采用传统工艺：原材料→下料→加热→锻造→调质→校直→机加工→中频表面感应加热淬火→回火→校直而制备的产品力学性能相当，表面硬度达740HV，抗拉强度达1060MPa，线性伸长率达18％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，其特征是，包含下料→锻造→余热表面合金化→调质→校直→机加工→成品工序，具体操作工艺如下：
(1)下料工序中：
将长轴棒材原材料下料成棒锭坯料；
(2)锻造工序中：
在感应加热炉内加热至950～1120℃，保温20min～60min，开始锻造温度为850～1080℃，终锻温度为780～960℃，径向锻造变形量为30～50％；
冷却时将锻造后样件冷至250℃～350℃；
(3)余热表面合金化工序中：
先对锻造后样件的表面进行喷砂处理；
利用锻造余热在250～350℃温度对样件进行表面剧烈塑性变形，在剧烈塑性变形过程中向样件表面连续喷涂合金粉末，在样件表面形成一层合金化层；
(4)调质工序中：
调质处理时把表面合金化的样件感应加热至880～930℃，保温10min～30min，淬火介质为含有5％～10％食盐和苛性钠10％～15％的水溶液，回火温度为540～600℃，保温30min～60min，然后将样件在空气中冷却。
2.根据权利要求1所述的一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，其特征是，所述棒材原材料材质为中碳钢、中碳合金钢或调质钢。
3.根据权利要求1所述的一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，其特征是，坯料的长度为100～500mm，直径为40～150mm。
4.根据权利要求1所述的一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，其特征是，所述锻造工序中，锻造分多个道次进行。
5.根据权利要求4所述的一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，其特征是，所述锻造分多个道次进行时，锻造初始时坯料的旋转角度为15～20°/锤，坯料进给速度为4～8m/min，每道次锻造的坯料旋转角度以1～2°的角度逐渐增加，每道次锻造的坯料进给速度以1～1.5m/min的速度逐渐增加。
6.根据权利要求1所述的一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，其特征是，喷砂处理时，采用的砂为石英砂与金刚砂的混合物，其质量比为2:1，粒径为0.25～0.75mm，砂中含水量小于0.5％。
7.根据权利要求1所述的一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，其特征是，喷砂过程中，样件以50～70转/秒的转速转动。
8.根据权利要求1所述的一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，其特征是，所述表面剧烈塑性变形工艺为超声冲击、机械冲击、激光冲击、喷丸、机械研磨或滚压。
9.根据权利要求1所述的一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，其特征是，所述喷涂的合金粉末为碳和合金的混合物，所述合金为铬、镍、钼、钨和锰中一种或多种混合，合金粒径在0.1um～1um。
10.根据权利要求1所述的一种表面硬化长轴类锻件的短流程制造工艺，其特征是，喷涂合金粉末时，送粉载气流量控制在25～35nlpm，喷涂装置的喷枪距样件表面10～20cm，送合金粉末量控制在20～50克/分钟，喷涂过程中样件旋转速度为10～20转/秒。
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Application publication date: 20210112

Assignee: Zhenhong heavy industry (Jiangsu) Co.,Ltd.

Assignor: NANJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980033467

Denomination of invention: A Short Process Manufacturing Process for Surface Hardened Long Shaft Forgings

Granted publication date: 20211026

License type: Common License

Record date: 20230310