30Cr2Ni2Mo钢曲轴的热处理

刘澎涛 刘东海 高文明

(中国第一重型机械股份公司轧辊电站事业部技术质量部热工科，黑龙江161042)

对于大截面尺寸的30Cr2Ni2Mo钢锻件，通过调整适当的合金含量、严格控制炼钢工艺、选取适中的锻造比、并且通过合理的性能热处理工艺，可以满足同尺寸高合金钢锻件的性能指标要求。

一重集团公司为某厂生产的曲轴，由于在工作过程中需要承受很大的压力和反复冲击，所以此工件对硬度，尤其对冲击韧性有比较高的要求，而且超声检测须满足JB/T5000.15—2007 Ⅱ级，对锻件的内部质量要求也很严格。曲轴选用的材料是30Cr2Ni2Mo钢，其化学成分及力学性能要求如表1和表2所示。

虽然油冷有助于提高强度和冲击韧性，且不容易淬裂，但是此锻件结构复杂，尺寸比较大(粗加工后重量为46 286 kg)，长度比较长(粗加工后约6 875 mm)，调质采用油冷却时散热面很大(粗加工后轴身直径为∅1 494 mm)，淬火油容易着火。基于以上原因，我们考虑采用水-空-水的冷却方法.但是水-空-水冷却对锻件的内部质量、化学成分以及防止热处理变形均提出了很高的要求。

1 热处理参数的确定及采取的措施

1.1 裝炉方式

选用长度为5 400 m的长料盘，将曲轴的一个平面(其它面均不平整)与料盘接触，间隙大的地方用垫块垫稳、垫实。吊装时吊起料盘，有效防止了因为高温时直接吊装工件而引起的工件变形。

表1 30Cr2Ni2Mo钢化学成分(质量分数，%)Table 1 The chemical composition of 30Cr2Ni2Mo steel (mass fraction，%)

表2 曲轴力学性能要求Table 2 The mechanical property requirements of the crankshaft

1.2 化学成分控制及钢的冶炼方式

在保证屈服强度合格的情况下，应尽可能提高材料的冲击韧性，同时还要减小水冷淬火的淬裂倾向。根据合金元素的特点，我们对锻件化学成分进行如下调整。

严格控制[H]、S、P的含量，[H]≤2×10-6，S、P均控制在0.005以下。C、Cr、Mo按技术条件要求的下限进行控制。炼钢方式采用VD+LB3(精炼加热真空脱气+真空铸锭中间包芯杆吹氩)，以减少有害元素的残留并获得较低的[H]含量从而提高锻件冶金质量，提高锻件超声检测的合格率。

1.3 调质工艺的确定

(1)锻件入炉温度控制在400～450℃并保持5 h。

(2)锻件入炉保温完成后升温速度控制在40℃/h。

(3)为了减少锻件内外温差，防止热应力的影响使锻件内部的显微裂纹扩展，我们采用中间保持，温度控制在650～700℃。采用此温度进行中间保持还可以减少高温的保温时间，从而减小工件的氧化脱碳，降低晶粒长大的趋向。

(4)中间保持后进行速度升温。由于此时锻件心部处于塑性状态，所以升温速度可以加快。升温速度控制在60℃/h。

(5)待工件升温到820℃±50℃时进行保温。保温时间按每100 mm保温0.6 h～0.8 h进行计算。

(6)水冷时间按每100 mm冷却3 min～4 min计算，结果约等于50 min～60 min。60 min分成3次执行，水冷15 min后吊出锻件进行空冷5 min，防止冷却速度过快引起工件的断裂，再次入水10 min后吊出锻件空冷3 min，最后水冷40 min，要求水温≥15℃。

(7)回火温度采用530℃±50℃。为了保证回火温度的准确性，我们在工件的头、中、尾各敷了一支热电偶，要求保温以偶温为准。工艺曲线如图1所示。

图1 曲轴调质工艺曲线Figure 1 The curve of quenching and tempering process of the crankshaft

2 检验

2.1 超声检测

该曲轴经粗加工后进行超声检测，按JB/T 5000.15—2007 Ⅱ级验收没有发现超标缺陷，说明冶炼、锻造保证了锻件内部质量。

2.2 曲轴经过热处理后，取性能试料进行了化学成分分析、金相分析和力学性能检验。

(1)化学成分分析

在拉伸性能试料余料上取样进行成品化学分析，结果如表3所示。

(2)淬火冷却效果

淬火冷却过程中，在每次出水空冷间隙都对工件表面进行测温，最后工件出水空冷5 min后对工件表面测温结果是轴颈200℃左右，轴身280℃左右，而且温度变化比较平稳，说明冷却符合工艺的预期效果。

(3)力学性能试验

按照规定，做一个拉伸试验和两个冲击试验，试验结果如表4所示。

(4)金相试验

金相检验进行了晶粒度、夹杂物和热处理组织的检测，检测结果如表5所示。

表3 曲轴化学成分成品分析(质量分数，%)Table 3 Product analysis of the crankshaft chemical composition (mass fraction，%)

表4 曲轴热处理性能检验结果Table 4 Test results of the crankshaft heat treatment properties

表5 曲轴金相检验结果Table 5 The results of the crankshaft metallographic test

3 结论

曲轴形状复杂，技术要求比较高，我们通过采取一系列措施，按水-空-水的热处理方法，使工件力学性能达到了技术要求，从而解决了调质容易变形的难题。此次工件的成功热处理，对于30Cr2Ni2Mo钢大截面尺寸的锻件热处理，尤其是采用水冷的淬火冷却方式做了有益的探索。

[1] 康大韬，叶国斌，等. 大型锻件材料及热处理. 龙门书局，1998：513-557.