銷軸熱處理工藝改進(jìn)

江漢石油管理局第四機(jī)械廠熱處理分廠（湖北 434024）閔艷平 朱嘉筠

銷軸是我廠生產(chǎn)的低溫ZJ40CZ鉆機(jī)上的關(guān)鍵零件，由于該鉆機(jī)是客戶向我廠訂購用于出口到俄羅斯的石油鉆采設(shè)備，對材料的低溫沖擊吸收能量要求高，銷軸材料為40CrNiMo，主要化學(xué)成分見表1，熱處理調(diào)質(zhì)后技術(shù)要求見表2。

表1 40CrNiMo銷軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 40CrNiMo銷軸調(diào)質(zhì)后技術(shù)要求

1.原生產(chǎn)工藝

工藝流程為：下料→機(jī)加工→調(diào)質(zhì)→機(jī)加工→鍍鋅→成品，按原材料批次號，每批次中選一件，按φ80mm×334mm下料，其中有加長110mm作為試件，熱處理調(diào)質(zhì)后將試件鋸下，在試件上距表面20mm處取3個10mm×10mm×5mm的沖擊試樣。同一批次，連續(xù)兩爐銷軸經(jīng)調(diào)質(zhì)（調(diào)質(zhì)工藝為870℃×3h，油冷，600℃×4h回火后水冷）后，其硬度符合技術(shù)要求，但低溫沖擊吸收能量不達(dá)標(biāo)，故對該材料工藝參數(shù)進(jìn)行探究。

2.試驗(yàn)方法

以同批次材料鋸多個φ80mm×334mm的原料作為試驗(yàn)對象，通過選擇不同的熱處理工藝參數(shù)，測試試塊調(diào)質(zhì)后的硬度和力學(xué)性能，選擇試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為該次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果。淬火加熱保溫在RJX-75-9箱式爐進(jìn)行，回火在RJ-75-6井式回火爐進(jìn)行，硬度用布氏硬度計(jì)檢測，沖擊試塊上開V型缺口，沖擊值在我廠計(jì)量檢測中心的夏比沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。按上述材料試棒和試驗(yàn)設(shè)備，對銷軸產(chǎn)品淬火和回火加熱溫度和保溫時(shí)間4個工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

3.淬火、回火加熱溫度和保溫時(shí)間試驗(yàn)

40CrNiMo鋼中的合金元素鉻和鉬是強(qiáng)碳化物形成元素，淬火加熱時(shí)必須有較高的溫度，才能使碳化物完成溶解和合金元素的均勻化。該材料奧氏體化溫度為830℃，因此將淬火溫度定為860℃。淬火保溫時(shí)間根據(jù)銷軸有效厚度和裝爐量及熱處理爐升溫速度綜合考慮，保溫時(shí)間定為3h。對于淬火冷卻介質(zhì)的選擇，我們決定通過試驗(yàn)來確定。選取2組試棒，將試棒加熱到860℃保溫4h，出爐后以不同方法進(jìn)行冷卻，試驗(yàn)及結(jié)果見表3。

表3 40CrNiMo淬火熱處理參數(shù)試驗(yàn)及結(jié)果

從以上結(jié)果可知，該材料熱處理淬火工藝為860℃×3h，油冷。

我們選取4組試棒，對其進(jìn)行860℃×3h，油冷淬火后，分別在560℃、580℃、600℃、620℃4種溫度下保溫4h水冷回火后，對其進(jìn)行硬度檢測和力學(xué)性能檢測，其熱處理及性能見表4。

表4 熱處理及性能

從以上結(jié)果可知：5號工藝的低溫沖擊吸收能量最佳，硬度也符合技術(shù)要求。

4.分析與討論

通過上述試驗(yàn)，可知在560～630℃這一溫度范圍回火時(shí)，隨著回火溫度提高，硬度值和強(qiáng)度值逐漸降低，但是產(chǎn)品低溫沖擊吸收能量先增加，到580℃沖擊吸收能量達(dá)最大值，然后沖擊吸收能量逐漸降低。

由于該材料淬透性好，在淬火時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力很大，一次回火后，內(nèi)應(yīng)力消除還不徹底，通過兩次回火后內(nèi)應(yīng)力基本上已消除，故沖擊吸收能量在第二次回火后會有所提升。

對于淬火保溫時(shí)間的確定，經(jīng)驗(yàn)公式t=aKD（t：加熱時(shí)間；a：加熱系數(shù)；K：工件裝爐系數(shù)；D：工件有效厚度），該產(chǎn)品加熱系數(shù)為0.5，裝爐系數(shù)為2，產(chǎn)品有效厚度為80mm，按公式計(jì)算t=80min，但實(shí)際我們保溫3h，實(shí)際保溫時(shí)間要考慮如設(shè)備功率、加熱速度、爐溫均勻度、產(chǎn)品形狀、產(chǎn)品架重量、產(chǎn)品裝爐量等諸多因素。

對于淬火溫度的選擇，40CrNiMo的Ac3為774℃，理論上是將亞共析鋼加熱到Ac3+（30～50）℃，保溫一段時(shí)間使之奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度快冷到Ms以下進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，故該材料淬火溫度應(yīng)為800～820℃，但實(shí)際我們定的溫度為860℃，主要考慮到合金元素完全溶解和均勻化要求。因此，一些定義和公式只能作為參考，具體參數(shù)還要以實(shí)際情況和材料牌號綜合考慮。

5.結(jié)語

（1）銷軸合理的熱處理工藝為860℃×3h，油冷+580℃×4h，水冷。相同溫度兩次回火，熱處理后，試樣硬度低溫沖擊吸收能量均符合技術(shù)要求。到目前為止，我分廠按該工藝生產(chǎn)了大量合格產(chǎn)品。

（2）40CrNiMo銷軸不適合水冷，由于水冷時(shí)冷卻速度過大，內(nèi)應(yīng)力也過大，容易產(chǎn)生裂紋。

（3）我廠銷軸是下料件，如果原材料為正火狀態(tài)，可省去調(diào)質(zhì)前正火工序。如果是鍛件，調(diào)質(zhì)前需增加一道正火工藝，細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，為后續(xù)調(diào)質(zhì)做組織準(zhǔn)備，可進(jìn)一步提高其低溫沖擊性能。