朱明飛

(中國第一重型機械集團公司股份公司，黑龍江161042)

我公司承制的電鏟產品中的滾圈鍛件為大型環(huán)類鍛件，產品材質為PH130，鍛件外徑為?4 220 mm。按以往的生產模式，應采用油冷或水淬油冷的方式進行調質。由于產品直徑較大，采用公司現有設備無法進行油冷。若采用單純的水冷淬火，由于含碳量較高，鍛件容易在淬火的過程中發(fā)生開裂。故決定采用水空雙介質淬火的方式完成鍛件的調質任務。

1 滾圈的主要技術要求

滾圈鍛件粗加工尺寸為內徑3 940 mm、外徑4 220 mm、高度165 mm，屬大型環(huán)形鍛件。鍛件要求調質硬度為187～229 HBW，鍛件壁厚140 mm，鍛件鋼號為PH130。具體化學成分見表1。

表1 滾圈的化學成分(質量分數，%)

2 熱處理難點及措施

2.1 熱處理難點

鍛件為大型環(huán)類鍛件，壁厚相對較薄，鍛件高度較小直徑較大，含碳量較高，且有調質硬度要求。由于滾圈鍛件直徑較大，以我單位現有設備無法對此類鍛件進行油冷處理，若采用常規(guī)水冷淬火則會面臨淬裂的風險，且在調質過程中極易發(fā)生變形。

2.2 措施

(1)防止鍛件開裂：在淬火過程中鍛件表面和心部冷卻速度不一致，產生較大的熱應力，內外溫差越大，則熱應力越大。鍛件在淬火過程中表面和心部發(fā)生相變的先后順序不一樣，由于相變伴隨著體積變化，則在淬火過程中也會產生組織應力。在熱應力和組織應力的影響下，鍛件會發(fā)生一定程度的變形，甚至開裂。由于含碳量較高的鍛件塑韌性較差，在調質過程中開裂的風險更大，所以很多鍛件都采用空冷或者油冷的方式進行冷卻。若要采用水冷的方式進行淬火，則需要盡力減小淬火過程中的應力，若能減小鍛件的內外溫差，則可減小鍛件的熱應力。同時還要保證鍛件的冷卻速度，盡可能獲得更好的淬火效果。鍛件入水后，表面溫度會急劇下降，鍛件心部溫度下降緩慢，鍛件內外溫差會越來越大。若在水冷一段時間后再空冷，由于心部溫度較高，鍛件的表面溫度會上升，內外溫差逐漸減小。如此反復進行，可使鍛件內外溫差維持在安全范圍之內，防止鍛件調質時因應力過大而開裂。

(2)防止熱處理變形：在保證熱處理硬度的前提下，適當增大工件的熱處理余量，尤其是內控的熱處理余量；采用三件滾圈合鍛的方案，增加鍛件高度，調質后再機加工分開，以此來防止鍛件調質變形。

3 熱處理工藝制定

滾圈調質采用水-空雙介質冷卻方式。

3.1 冷卻時間選擇

鍛件首次入水時表面溫度會迅速下降，并產生相變，首次入水后冷卻至表面完成相變且溫度低于最終回火溫度為宜。從圖1可以看出，鍛件入水3 min后表面溫度在450℃左右，心部降溫至800℃，內外溫差較大。若水冷4 min以上，鍛件表面溫度就會下降至400℃以下，進入冷硬溫度范圍，淬裂危險性也增加了。

完成首次入水后立即出水空冷。由于心部溫度較高，表面溫度會因返熱而上升，初步估測出水3 min后鍛件內外溫差減小，表面返溫速度會減小，但考慮到生產現場綜合因素的不確定性，初步制定第一次出水空冷時間為3 min，并在現場用紅外測溫儀監(jiān)測根據實際情況調控空冷時間。

第二次入水時，以心部完成相變?yōu)橐?，考慮到首次入水3 min，二次入水時間同樣為3 min則累積水冷實際為6 min，鍛件心部溫度預計將降至600℃左右，該溫度已經在相變溫度點以下。然后出水空冷，減小鍛件內外溫差。

圖1 直徑200 mm的37MnSi鋼件水冷冷卻曲線Figure 1 Water cooling curve of 37MnSi steel with diameter 200 mm

圖2 熱處理工藝曲線Figure 2 Heat treatment process curve

空冷3 min后，鍛件經過兩次水冷間隙冷卻，內外溫差已經很小，且水溫已升高到80℃左右，可以考慮水冷時間長些，確保鍛件組織轉變充分。

3.2 回火溫度

鍛件要求硬度為220～260 HBW，考慮水空間隙冷卻效果不如水冷效果，故將回火溫度初步定為550℃，若硬度超上限則補充回火即可。最終熱處理工藝方案如圖2所示。

4 實際效果

在執(zhí)行間隙淬火工藝時，實際的測溫結果與預期結果基本一致，參數變化不大。調質工藝執(zhí)行完畢后，選擇鍛件上、下端面各打磨8個點進行硬度檢測，結果均在240～260 HBW之間，達到了圖紙要求的硬度指標。在后續(xù)尺寸交檢時，鍛件形狀尺寸均合格，未發(fā)生明顯的變形，鍛件合格發(fā)出。

5 結論

通過水空間隙淬火的方法對含碳量較高的大型環(huán)類鍛件進行調質是可行的，通過鍛一取二的方法可以有效的防止環(huán)類鍛件調質變形。水空間隙淬火的實際淬火效果稍優(yōu)于油冷淬火效果。鍛件的實際冷卻參數可根據相應截面積的冷卻曲線結合現場實際情況確定。