大型环类锻件双介质淬火的应用研究

朱明飞

(中国第一重型机械集团公司股份公司，黑龙江161042)

我公司承制的电铲产品中的滚圈锻件为大型环类锻件，产品材质为PH130，锻件外径为∅4 220 mm。按以往的生产模式，应采用油冷或水淬油冷的方式进行调质。由于产品直径较大，采用公司现有设备无法进行油冷。若采用单纯的水冷淬火，由于含碳量较高，锻件容易在淬火的过程中发生开裂。故决定采用水空双介质淬火的方式完成锻件的调质任务。

1 滚圈的主要技术要求

滚圈锻件粗加工尺寸为内径3 940 mm、外径4 220 mm、高度165 mm，属大型环形锻件。锻件要求调质硬度为187～229 HBW，锻件壁厚140 mm，锻件钢号为PH130。具体化学成分见表1。

表1 滚圈的化学成分(质量分数，%)

2 热处理难点及措施

2.1 热处理难点

锻件为大型环类锻件，壁厚相对较薄，锻件高度较小直径较大，含碳量较高，且有调质硬度要求。由于滚圈锻件直径较大，以我单位现有设备无法对此类锻件进行油冷处理，若采用常规水冷淬火则会面临淬裂的风险，且在调质过程中极易发生变形。

2.2 措施

(1)防止锻件开裂：在淬火过程中锻件表面和心部冷却速度不一致，产生较大的热应力，内外温差越大，则热应力越大。锻件在淬火过程中表面和心部发生相变的先后顺序不一样，由于相变伴随着体积变化，则在淬火过程中也会产生组织应力。在热应力和组织应力的影响下，锻件会发生一定程度的变形，甚至开裂。由于含碳量较高的锻件塑韧性较差，在调质过程中开裂的风险更大，所以很多锻件都采用空冷或者油冷的方式进行冷却。若要采用水冷的方式进行淬火，则需要尽力减小淬火过程中的应力，若能减小锻件的内外温差，则可减小锻件的热应力。同时还要保证锻件的冷却速度，尽可能获得更好的淬火效果。锻件入水后，表面温度会急剧下降，锻件心部温度下降缓慢，锻件内外温差会越来越大。若在水冷一段时间后再空冷，由于心部温度较高，锻件的表面温度会上升，内外温差逐渐减小。如此反复进行，可使锻件内外温差维持在安全范围之内，防止锻件调质时因应力过大而开裂。

(2)防止热处理变形：在保证热处理硬度的前提下，适当增大工件的热处理余量，尤其是内控的热处理余量；采用三件滚圈合锻的方案，增加锻件高度，调质后再机加工分开，以此来防止锻件调质变形。

3 热处理工艺制定

滚圈调质采用水-空双介质冷却方式。

3.1 冷却时间选择

锻件首次入水时表面温度会迅速下降，并产生相变，首次入水后冷却至表面完成相变且温度低于最终回火温度为宜。从图1可以看出，锻件入水3 min后表面温度在450℃左右，心部降温至800℃，内外温差较大。若水冷4 min以上，锻件表面温度就会下降至400℃以下，进入冷硬温度范围，淬裂危险性也增加了。

完成首次入水后立即出水空冷。由于心部温度较高，表面温度会因返热而上升，初步估测出水3 min后锻件内外温差减小，表面返温速度会减小，但考虑到生产现场综合因素的不确定性，初步制定第一次出水空冷时间为3 min，并在现场用红外测温仪监测根据实际情况调控空冷时间。

第二次入水时，以心部完成相变为宜，考虑到首次入水3 min，二次入水时间同样为3 min则累积水冷实际为6 min，锻件心部温度预计将降至600℃左右，该温度已经在相变温度点以下。然后出水空冷，减小锻件内外温差。

图1 直径200 mm的37MnSi钢件水冷冷却曲线Figure 1 Water cooling curve of 37MnSi steel with diameter 200 mm

图2 热处理工艺曲线Figure 2 Heat treatment process curve

空冷3 min后，锻件经过两次水冷间隙冷却，内外温差已经很小，且水温已升高到80℃左右，可以考虑水冷时间长些，确保锻件组织转变充分。

3.2 回火温度

锻件要求硬度为220～260 HBW，考虑水空间隙冷却效果不如水冷效果，故将回火温度初步定为550℃，若硬度超上限则补充回火即可。最终热处理工艺方案如图2所示。

4 实际效果

在执行间隙淬火工艺时，实际的测温结果与预期结果基本一致，参数变化不大。调质工艺执行完毕后，选择锻件上、下端面各打磨8个点进行硬度检测，结果均在240～260 HBW之间，达到了图纸要求的硬度指标。在后续尺寸交检时，锻件形状尺寸均合格，未发生明显的变形，锻件合格发出。

5 结论

通过水空间隙淬火的方法对含碳量较高的大型环类锻件进行调质是可行的，通过锻一取二的方法可以有效的防止环类锻件调质变形。水空间隙淬火的实际淬火效果稍优于油冷淬火效果。锻件的实际冷却参数可根据相应截面积的冷却曲线结合现场实际情况确定。