42CrMo在轨道交通关键零部件的热处理工艺

2013-08-28中国南车戚墅堰机车有限公司江苏213011

金属加工(热加工) 2013年21期

中国南车戚墅堰机车有限公司（江苏 213011）李丽

我公司开发研制并具有自主知识产权的时速为180km的280系列内燃机车柴油机的精密螺栓、曲轴、连杆等关键零部件的材料主要选用42CrMo钢。因为柴油机关键零部件的工作状况非常恶劣，所以材料的选用、热处理、试验数据的应用非常慎重。42CrMo钢常规热处理工艺是将淬火和高温回火合在一起进行调质处理，淬火时将钢加热到高温奥氏体状态，保温一段时间后快速冷却下来，得到高硬度马氏体组织，再进行高温回火，即加热到500～650℃，保温后出炉自然冷却，其目的是为了获得较高的强度和韧性等相匹配的综合力学性能。

1.42CrMo材料应用

从表1中42CrMo的化学成分及临界温度可以看到，42CrMo钢属于亚共析钢，缓冷到室温的组织是珠光体+铁素体。从钢的分类来看，42CrMo钢属调质钢，其中，Cr元素可以提高淬透性，Mo元素可防止回火脆性。42CrMo材料调质后具有一定的硬度、强度和韧性，适合连杆在高速运行时的拉力，主轴旋转时多角度受到的剪切力和精密螺栓拉力等的材料特性。故认为42CrMo材料完全符合柴油机工况的应用。图1、图2为使用42CrMo材料制造的产品。

（1）淬火加热温度 42CrMo钢属于亚共析钢，淬火温度选择Ac3以上30～50℃，在此温度下可获得全部为细晶粒的奥氏体组织，淬火后能得到全部为细晶粒的马氏体组织，如果加热温度过高，则会引起奥氏体晶粒的长大，淬火后得到粗晶粒的马氏体组织，韧性变差。如果加热温度过低，在Ac1、Ac3之间则有部分铁素体未能溶入到奥氏体中，淬火后组织中除了马氏体，还有柔软的铁素体，淬火就达不到所要求的硬度。

表1 42CrMo的化学成分及临界温度

图1 连杆

图2 平衡块螺钉

（2）淬火加热时间加热的主要目的是为了使工件整个截面都能够热透，不但表面，而且中心也能达到淬火加热温度。热量由表面传到中心需要一段时间，因此要有保温过程，时间不能太短，否则组织转变不完全，保温时间太长，会使奥氏体晶粒粗大。在实际操作过程中加热时间=加热系数×工件装炉系数（1.5）×工件有效厚度。

（3）淬火冷却介质要选择合适的淬火冷却介质，否则在热应力和组织应力的作用下，会引起变形和开裂。理想的淬火冷却介质应具备的条件是既能淬成马氏体，又不致引起太大的淬火应力。这就要求在奥氏体等温转变图的鼻子以上温度缓冷，以减小急冷所产生的热应力，在鼻子处具有保证奥氏体不发生分解的冷却速度，而在马氏体转变时，即在Ms点以下时，冷却速度尽量小，以减少组织转变的应力。本文主要采用油冷方式。

（4）回火加热温度工件经淬火后，一般都要进行回火。这是因为淬火后得到的马氏体性能很脆，并存在较大的内应力，如不及时回火，时间久了有可能引起工件发生开裂。回火就是将淬火后的工件重新加热到Ac1以下某一温度，保温一段时间，然后取出工件以一定的冷却方式冷却下来。回火的主要目的：降低脆性，消除内应力，使淬火组织趋于稳定；使工件获得满意的综合力学性能。调质回火后主要得到回火索氏体组织，是颗粒状渗碳体和铁素体组成的机械混合物，具有良好的综合力学性能。回火温度的选择是回火操作中很重要的环节。若回火温度过低，回火后的硬度就会偏高，这时要再回火一次。如果回火温度过高，回火后的硬度就会偏低，此时要重新淬火。

（5）回火加热时间回火加热时间=加热系数（3）×工件装炉系数×工件有效厚度。我公司的回火工艺采用空冷的冷却方式。

2.试验过程

（1）水平螺栓以公司产品水平螺栓调质要求在260～300HBW的工艺试验为例。

淬火工艺的制订：确定加热温度810～830℃，加热时间=1.2×1.5×31=55.8min，故采用60min，冷却方式为油冷。实际生产过程中，淬火温度高点，一般在（860±10）℃，这样使得加热时间变短，即珠光体和铁素体转变成奥氏体快一点，工件热透，防止出现欠热的现象。但温度不宜太高，否则会使晶粒粗大，获得的马氏体也粗大，使钢变脆。采用较低温度淬火，主要是防止变形，但容易出现欠热的情况，即工件很难达到完全奥氏体化。图3为水平螺栓淬火工艺曲线。淬火后自检硬度为45HRC、45HRC、46HRC。

图3 水平螺栓淬火曲线

回火工艺的制订：根据淬火后硬度确定回火工艺参数，回火温度590℃，回火加热时间=加热系数（3.0）×工件有效厚度（31mm）×装炉系数（1.2）=111.6，取120min，冷却方式为空冷，图4为水平螺栓淬火、回火曲线。回火后自检硬度为28HRC、29HRC、30HRC，符合产品技术要求。

图4 水平螺栓淬回火曲线

（2）输入轴输入轴调质要求为240～280HBW。调质热处理工艺见图5，淬火温度为860℃，淬火加热时间为=1.2×1.5×143=257.4min，故采用260min，冷却方式为油冷。回火温度600℃，保温时间=加热系数（3.0）×工件有效厚度（143mm）×装炉系数（1.2）≈520min，冷却方式为空冷。调质后自检硬度为25HRC、26HRC、27HRC，符合产品技术要求。

图5 输入轴淬回火曲线

（3）螺栓螺栓调质技术要求为硬度280～320HBW。此工艺可以根据调质要求在240～280HBW的调质工艺制订中推测出，一般情况下，硬度要求低些，回火温度偏高些，硬度要求高些，回火温度低些。螺栓硬度要求比水平螺栓高些，故回火温度可以适当低些，采用580℃回火，调质后自检硬度为30HRC、31HRC、31HRC，符合产品技术要求。

（4）气缸盖螺栓气缸盖螺栓技术要求为280～320HBW、Rm≥1080MPa、Rp0.2≥930MPa、A≥12%、Z≥45%、aK≥78.4J/cm2。此类产品我们主要以自检硬度为主线，只要回火后硬度在技术要求范围内，便可以送上一级检测中心进一步作性能检测。正常情况下，力学性能完全合格。