CN112853066A - 一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，属于42CrMo锻造技术领域。本发明的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，包括以下步骤：S1、备料：基于标准材质牌号42CrMo的化学成分及其质量百分含量条件下，添加并调整微合金元素含量，炼制形成坯料；S2、锻造：对坯料进行锻造形成锻造毛坯；S3、预备热处理：对锻造毛坯进行正火预备热处理或淬火预备热处理；S4、粗加工：对锻造毛坯进行粗加工，去除锻造毛坯表面的氧化层；S5、调质：对锻造毛坯进行调质热处理。采用本发明制造的42CrMo锻件综合性能高，其各个部位特别是心部位置都能够满足力学性能要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，属于42CrMo锻造技术领域。
背景技术
风力发电机组变桨轴承等轴承套圈锻件在交变应力、冲击负荷、甚至低温环境下服役，容易产生疲劳断裂，由于近年来5.5MW～10MW海上巨型风电机组迅猛增长，这些大兆瓦风电机组要求：调质轴承套圈42CrMo锻件(例如其截面尺寸为230mm×326mm)的各个部位特别是心部位置的力学性能，需要满足力学性能指标要求：屈服强度Rp0.2≥700MPa、抗拉强度Rm 850MP～1020MPa、断后伸长率A≥14％、断面收缩率Z≥50％、-40℃平均冲击吸收能量KV2≥27J、硬度：260HBW～310HBW，而现有制造技术制造的42CrMo锻件已经不能满足该要求。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，采用本发明制造的42CrMo锻件综合性能高，其各个部位特别是心部位置都能够满足力学性能要求。
本发明采用的技术方案如下：
一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，包括以下步骤：
S1、备料：基于标准材质牌号42CrMo的化学成分及其质量百分含量条件下，添加并调整微合金元素含量，炼制形成坯料；
S2、锻造：对坯料进行锻造形成锻造毛坯；
S3、预备热处理：对锻造毛坯进行正火预备热处理或淬火预备热处理；
S4、粗加工：对锻造毛坯进行粗加工，去除锻造毛坯表面的氧化层；
S5、调质：对锻造毛坯进行调质热处理；
以保证制造的42CrMo锻件心部位置满足力学性能要求：屈服强度Rp0.2≥700MPa、抗拉强度Rm：850MP～1020MPa、断后伸长率A≥14％、断面收缩率Z≥50％、-40℃平均冲击吸收能量KV2≥27J、硬度：260HBW～310HBW。
进一步的，步骤S1中，添加的微合金元素质量百分含量为，Ni：0.50～0.62％；V：0.05～0.10％。
进一步的，步骤S1中，调整的微合金元素质量百分含量为，C：0.41～0.47％；Si：0.18～0.37％；Mn：0.70～0.82％；Cr：1.00～1.25％；Mo：0.25～0.31％。
进一步的，步骤S1中，添加并调整微合金元素含量后，化学成分及其质量百分含量为，C：0.41～0.47％；Si：0.18～0.37％；Mn：0.70～0.82％；P≤0.015％；S≤0.010％；Cr：1.00～1.25％；Ni：0.50～0.62％；Mo：0.25～0.31％；V：0.05～0.10％；Al：0.020～0.045％；Ti≤0.003％；Cu≤0.20％；Ca≤0.0015％；O≤0.0015％；H≤0.0002％；N≤0.0070％；其余为Fe。
进一步的，步骤S2中，采用环锻工艺对坯料进行锻造。
进一步的，步骤S2中，锻造比≥5。
优选的，步骤S2中，在环锻过程中，还对坯料进行随形环锻。
进一步的，步骤S2中，始锻温度为1100℃～1150℃，终锻温度≥850℃。
进一步的，步骤S3中，正火预备热处理的加热温度为860℃～880℃；淬火预备热处理的加热温度为855℃～865℃，进入淬火介质温度为845℃～855℃。
优选的，步骤S4中，在粗加工过程中，还对锻造毛坯进行随形粗加工，去除锻造毛坯的多余余量。
进一步的，步骤S5中，在调质热处理过程中，淬火加热温度为855℃～865℃，进入淬火介质温度为845℃～855℃；回火加热温度为630℃～640℃。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，制造的42CrMo锻件综合性能高，既具有高强度，又具有较高塑性，同时具有较好低温冲击性能。其各个部位特别是心部位置都能够满足力学性能指标要求：屈服强度Rp0.2≥700MPa、抗拉强度Rm 850MP～1020MPa、断后伸长率A≥14％、断面收缩率Z≥50％、-40℃平均冲击吸收能量KV2≥27J、硬度260HBW～310HBW。采用本发明的方法能够制造高综合性能轴承钢，可广泛用于大兆瓦风电机组变桨、偏航轴承套圈，也可用于风电机组主轴承套圈。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是经随形环锻、随形粗加工后调质的轴承套圈锻件的截面示意图；
图2是图1中的轴承套圈锻件的力学性能检验取样位置示意图；
图3是经环锻但非随形环锻、不经粗加工而调质的轴承套圈锻件的截面示意图；
图4是图3中的轴承套圈锻件的力学性能检验取样位置示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本实施例的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，包括以下步骤：
S1、备料：基于标准材质牌号42CrMo的化学成分及其质量百分含量条件下，添加并调整微合金元素含量，炼制形成坯料；
S2、锻造：对坯料进行锻造形成锻造毛坯；
S3、预备热处理：对锻造毛坯进行正火预备热处理或淬火预备热处理；
S4、粗加工：对锻造毛坯进行粗加工，去除锻造毛坯表面的氧化层；
S5、调质：对锻造毛坯进行调质热处理；
以保证制造的42CrMo锻件心部位置满足力学性能要求：屈服强度Rp0.2≥700MPa、抗拉强度Rm：850MP～1020MPa、断后伸长率A≥14％、断面收缩率Z≥50％、-40℃平均冲击吸收能量KV2≥27J、硬度：260HBW～310HBW。
采用本发明制造的42CrMo锻件，既具有高强度(屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm、硬度HB)，又具有较高塑性(断后伸长率A、断面收缩率Z)，同时具有较好低温冲击性能(KV2)，即42CrMo锻件具有高综合性能，特别是：
a)锻件强度(屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm、硬度HB)高，刚性好，疲劳寿命长；
b)锻件低温冲击性能(KV2)好，抵抗断裂的能力强；
c)锻件硬度不大于310HB，机械加工性能较好，能够提高滚道加工、铣齿、钻孔等机加工尺寸精度和表面光洁度，既有利于提高锻件的疲劳寿命，又有利于提高锻件的机械加工效率；
d)在本发明的化学成分及力学性能条件下，锻件具有良好的表面(滚道、齿面)淬火性能。
采用本发明方案制造的42CrMo锻件力学性能能够满足下表的要求：
进一步的，步骤S5之后，还包括步骤S6、精加工：对锻造毛坯进行精加工形成所需的42CrMo锻件产品。
进一步的，步骤S1中，添加的微合金元素质量百分含量为，Ni：0.50～0.62％；V：0.05～0.10％。添加的合金元素Ni，有利于提高锻件低温冲击吸收能量；添加的合金元素V，有利于细化锻件晶粒；同时，添加的合金元素Ni、V还有利于提高淬透性。
进一步的，步骤S1中，调整的微合金元素质量百分含量为，C：0.41～0.47％；Si：0.18～0.37％；Mn：0.70～0.82％；Cr：1.00～1.25％；Mo：0.25～0.31％。本发明对微合金元素C、Si、Mn、Cr、Mo的含量进行了调整，特别是提高了这些微合金元素加入量下限，能够与新添加的合金元素Ni、V共同发挥集合效应，显著提高锻件淬透性，有利于提高锻件综合性能，有利于改善锻件截面性能均匀性。同时，在提高了这些微合金元素加入量下限后，而V的添加量控制在较低、较窄范围，有利于在获得较高强度的同时获得较好塑性，从而获得更好的低温冲击性能，同时还有利于降低表面淬火裂纹风险。
进一步的，步骤S1中，添加并调整微合金元素含量后，化学成分及其质量百分含量为，C：0.41～0.47％；Si：0.18～0.37％；Mn：0.70～0.82％；P≤0.015％；S≤0.010％；Cr：1.00～1.25％；Ni：0.50～0.62％；Mo：0.25～0.31％；V：0.05～0.10％；Al：0.020～0.045％；Ti≤0.003％；Cu≤0.20％；Ca≤0.0015％；O≤0.0015％；H≤0.0002％；N≤0.0070％；其余为Fe。本发明还控制了合金元素Al的含量，既能保证充分脱氧，同时又能够防止夹渣。本发明对元素S、P等有害杂质进行控制，例如可采用精炼、脱气工艺来减少夹杂物含量，改善夹杂物形态和分布，有利于提高锻件低温冲击吸收能量。本发明控制了元素N的含量，能够避免时效老化。
进一步的，步骤S2中，采用环锻工艺对坯料进行锻造。
进一步的，步骤S2中，锻造比≥5。
优选的，步骤S2中，在环锻过程中，还对坯料进行随形环锻。随形环锻指的是：按照42CrMo锻件产品的最终设计形状来环锻出大致轮廓。随形环锻的设计，能够避免锻件在后续的精加工过程切断锻造纤维流线组织，同时有利于减小热处理截面厚度，调质时也更容易淬透锻件毛坯。
进一步的，步骤S2中，始锻温度为1100℃～1150℃，终锻温度≥850℃。坑冷至≤200℃后出炉。
进一步的，步骤S3中，正火预备热处理的加热温度为860℃～880℃；淬火预备热处理的加热温度为855℃～865℃，进入淬火介质温度为845℃～855℃。
优选的，步骤S4中，在粗加工过程中，还对锻造毛坯进行随形粗加工，去除锻造毛坯的多余余量。随形粗加工的指的是：按照42CrMo锻件产品的最终设计形状来粗加工出初步轮廓。随形粗加工的设计，去除锻造毛坯多余余量，从而有利于减小热处理截面厚度，调质时也更容易淬透锻件毛坯，同时也有利于减小调质后的精加工余量，使锻件产品能够保留更多的近表面层致密组织，提高疲劳寿命。
进一步的，步骤S5中，在调质热处理过程中，淬火加热温度为855℃～865℃，进入淬火介质温度为845℃～855℃；回火加热温度为630℃～640℃。出炉后空冷。调质＝淬火+回火，得益于本设计的淬火温度与回火温度的设计，有利于强度与塑性优化匹配，从而获得高综合性能。淬火介质优选为水。
基于上述各技术特征的组合设计下，本发明还对采用本发明方案制造的42CrMo锻件进行了力学性能检验，具体的，详见实施例一、二。本发明还做了三个对比例，每个对比例亦进行了力学性能检验，具体的，详见对比例一、二、三。
实施例一
在实施例一中，步骤S3的预备热处理为：对锻造毛坯进行正火预备热处理。正火预备热处理有利于均匀组织、消除应力。
实施例一的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，包括以下步骤：
S1、备料：基于标准材质牌号42CrMo的化学成分及其质量百分含量条件下，添加并调整微合金元素含量，炼制形成坯料；坯料为精炼形成的Φ800mm连铸圆坯，其化学成分及其质量百分含量如下表：
S2、锻造：对坯料进行锻造形成锻造毛坯，采用环锻工艺对坯料进行锻造，并对坯料进行随形环锻，锻造比为5.2；始锻温度1135℃，终锻温度928℃，环锻后坑冷至195℃出炉。坯料被锻造形成圆环状的锻造毛坯；锻造毛坯的轮廓形尺寸为Φ外3805mm×Φ内3315mm×341mm，锻造毛坯的截面尺寸约为245mm×341mm；
S3、预备热处理：对锻造毛坯进行正火预备热处理；正火预备热处理的加热温度为870℃，出炉后空冷；
S4、粗加工：对锻造毛坯进行粗加工，去除锻造毛坯表面的氧化层，并对锻造毛坯进行随形粗加工(例如加工滚道、齿下方的空刀结构)，去除锻造毛坯多余余量；随形粗加工后，锻造毛坯的截面尺寸为230mm×326mm；
S5、调质：对锻造毛坯进行调质热处理；在调质热处理(淬火+回火)过程中，淬火加热温度为860℃，进入淬火介质温度为851℃；回火加热温度为635℃，出炉后空冷；
以保证制造的42CrMo锻件心部位置满足力学性能要求：屈服强度Rp0.2≥700MPa、抗拉强度Rm：850MP～1020MPa、断后伸长率A≥14％、断面收缩率Z≥50％、-40℃平均冲击吸收能量KV2≥27J、硬度：260HBW～310HBW。
采用实施例一方案制造的42CrMo锻件形状如图1所示，取样位置如图2所示，并根据取样位置进行试样编号，力学性能检验结果如下表：
从实施例一的检验结果可以看出，采用实施例一方案制造的42CrMo锻件具有高综合性能，各项力学性能指标满足要求。
实施例二
实施例二与实施例一不同之处在于，在实施例一中，步骤S3的预备热处理为：对锻造毛坯进行正火预备热处理；而在实施例二中，步骤S3的预备热处理为：对锻造毛坯进行淬火预备热处理。
实施例二中，其步骤S3如下：
S3、预备热处理：对锻造毛坯进行淬火预备热处理；淬火加热温度为860℃，进入淬火介质温度为851℃。
采用实施例二方案制造的42CrMo锻件形状如图1所示，取样位置如图2所示，并根据取样位置进行试样编号，力学性能检验结果如下表：
从实施例二的检验结果可以看出，采用实施例二方案制造的42CrMo锻件也具有高综合性能，各项力学性能指标也满足要求。
实施例二与实施例一相比：
从实施例二与实施例一的检验结果可以看出，采用本发明方案制造的42CrMo锻件都具有高综合性能，都能够满足各项力学性能指标要求。还可以看出，采用实施例一的方案制造的42CrMo锻件的综合力学性能优于采用实施例二的方案制造的42CrMo锻件的综合力学性能；并且正火工艺比淬火工艺更加简单，因此，实施例一的方案优于实施例二的方案。采用实施例一、实施例二制造的42CrMo锻件，再经过检验，其锻件晶粒度、低倍组织、非金属夹杂物、UT及MT等检验结果都能够满足标准与设计要求。
对比例一
对比例一与实施例一、二的不同之处在于，在对比例一中，不进行步骤S3的预备热处理。
采用对比例一方案制造的42CrMo锻件形状如图1所示，取样位置如图2所示，并根据取样位置进行试样编号，力学性能检验结果如下表：
对比例一与实施例一、实施例二相比：
从对比例一的检验结果可以看出，虽然对比例一与实施例一、二的化学成分、以及锻造及粗加工相同；但是对比例一没有进行步骤S3的预备热处理，其综合性能不够高，特别是试验编号9、12的冲击吸收能量KV2(-40℃)不满足要求。而由于实施例一、实施例二还进行了步骤S3的预备热处理，其各项性能指标都能够满足要求，具有高综合性能。
对比例二
对比例二与实施例一的不同之处在于，在对比例二中，步骤S1中，不添加也不调整微合金元素含量。
对比例二中，其步骤S1如下：
基于标准《GB/T 29717-2013滚动轴承风力发电机组偏航、变桨轴承》材质牌号42CrMo的化学成分及其质量百分含量条件下，炼制形成坯料，其化学成分及其质量百分含量如下表：
采用对比例二方案制造的42CrMo锻件形状如图1所示，取样位置如图2所示，并根据取样位置进行试样编号，力学性能检验结果如下表：
对比例二与实施例一、实施例二相比：
从对比例二的检验结果可以看出，由于对比例二的步骤S1中不添加也不调整微合金元素含量，但是进行了步骤S3的正火预备热处理；其编号8、9、11、12的低温冲击性能KV2不满足指标要求，编号9、12的屈服强度Rp0.2仅略高于下限值。对比例二的截面性能均匀性较差，心部强度、冲击性能低，究其原因是材料淬透性差。而实施例一、实施例二的步骤S1中添加并调整了微合金元素，显著提高了淬透性，其各项性能指标都能够满足要求，具备高综合性能。
对比例三
对比例三与对比例二的不同之处在于，在对比例三中，步骤S2中进行环锻但非随形环锻，不进行步骤S3的预备热处理，也不进行步骤S4的粗加工以及随形粗加工。
采用对比例三方案制造的42CrMo锻件形状如图3所示，取样位置如图4所示，并根据取样位置进行试样编号，力学性能检验结果如下表：
对比例三与实施例一、实施例二相比：
从对比例三的检验结果可以看出，由于对比例三的步骤S1不添加也不调整微合金元素，进行步骤S2中的环锻但非随形环锻，不进行步骤S3的预备热处理，也不进行步骤S4中的粗加工以及随形粗加工；其编号2、3、5、6、8、9、11、12的屈服强度Rp0.2、低温冲击性能KV2以及硬度HB基本上都不满足要求；其强度更差、低温冲击性更差，锻件中心部位形成低性能软带，其原因是材料淬透性差，不进行预备热处理导致其组织不均，不随形环锻、不粗加工以及随形粗加工，锻件表面被氧化层包裹且余量大导致锻件更不易淬透。而实施例一、实施例二的步骤S1中添加并调整了微合金元素，还进行了步骤S2的随形环锻，步骤S3的预备热处理，步骤S4的粗加工以及随形粗加工，去除了氧化层以及多余余量，其各项性能指标都能够满足要求，具备高综合性能。
对比例三与对比例二相比：
对比例三的步骤S1不添加也不调整微合金元素，步骤S2仅环锻成矩形截面而不是随形环锻，并且不进行步骤S3的预备热处理，也不进行步骤S4中的粗加工以及随形粗加工，没有去除锻件表面的氧化层及多余余量。而对比例二的步骤S1不添加也不调整微合金元素含量，但是步骤S2进行了随形环锻，还进行了步骤S3的正火预备热处理，还进行了步骤S4的粗加工以及随形粗加工，去除了锻件表面的氧化层以及多余余量。虽然两者的综合性能都不能够满足要求，但是，采用对比例二的方案制造的42CrMo锻件的综合性能优于采用对比例三的方案制造的42CrMo锻件的综合性能。
综上所述，采用本发明的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，制造的42CrMo锻件综合性能高，既具有高强度，又具有较高塑性，同时具有较好低温冲击性能。其各个部位特别是心部位置都能够满足力学性能指标要求：屈服强度Rp0.2≥700MPa、抗拉强度Rm850MP～1020MPa、断后伸长率A≥14％、断面收缩率Z≥50％、-40℃平均冲击吸收能量KV2≥27J、硬度260HBW～310HBW。采用本发明的方法能够制造高综合性能轴承钢，可广泛用于大兆瓦风电机组变桨、偏航轴承套圈，也可用于风电机组主轴承套圈。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、备料：基于标准材质牌号42CrMo的化学成分及其质量百分含量条件下，添加并调整微合金元素含量，炼制形成坯料；
S2、锻造：对坯料进行锻造形成锻造毛坯；
S3、预备热处理：对锻造毛坯进行正火预备热处理或淬火预备热处理；
S4、粗加工：对锻造毛坯进行粗加工，去除锻造毛坯表面的氧化层；
S5、调质：对锻造毛坯进行调质热处理；
以保证制造的42CrMo锻件心部位置满足力学性能要求：屈服强度Rp0.2≥700MPa、抗拉强度Rm：850MP～1020MPa、断后伸长率A≥14％、断面收缩率Z≥50％、-40℃平均冲击吸收能量KV2≥27J、硬度：260HBW～310HBW。
2.如权利要求1所述的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，其特征在于：步骤S1中，添加的微合金元素质量百分含量为，Ni：0.50～0.62％；V：0.05～0.10％。
3.如权利要求2所述的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，其特征在于：步骤S1中，调整的微合金元素质量百分含量为，C：0.41～0.47％；Si：0.18～0.37％；Mn：0.70～0.82％；Cr：1.00～1.25％；Mo：0.25～0.31％。
4.如权利要求1～3任一项所述的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，其特征在于：步骤S1中，添加并调整微合金元素含量后，化学成分及其质量百分含量为，C：0.41～0.47％；Si：0.18～0.37％；Mn：0.70～0.82％；P≤0.015％；S≤0.010％；Cr：1.00～1.25％；Ni：0.50～0.62％；Mo：0.25～0.31％；V：0.05～0.10％；Al：0.020～0.045％；Ti≤0.003％；Cu≤0.20％；Ca≤0.0015％；O≤0.0015％；H≤0.0002％；N≤0.0070％；其余为Fe。
5.如权利要求1所述的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，其特征在于：步骤S2中，采用环锻工艺对坯料进行锻造。
6.如权利要求5所述的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，其特征在于：步骤S2中，锻造比≥5。优选的，步骤S2中，在环锻过程中，还对坯料进行随形环锻。
7.如权利要求1、5或6所述的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，其特征在于：步骤S2中，始锻温度为1100℃～1150℃，终锻温度≥850℃。
8.如权利要求1、5或6所述的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，其特征在于：步骤S3中，正火预备热处理的加热温度为860℃～880℃；淬火预备热处理的加热温度为855℃～865℃，进入淬火介质温度为845℃～855℃。
9.如权利要求1、5或6所述的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，其特征在于：步骤S4中，在粗加工过程中，还对锻造毛坯进行随形粗加工，去除锻造毛坯的多余余量。
10.如权利要求1、5或6所述的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，其特征在于：步骤S5中，在调质热处理过程中，淬火加热温度为855℃～865℃，进入淬火介质温度为845℃～855℃；回火加热温度为630℃～640℃。
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