2023年12月18日发(作者:)
25Cr2Ni4MoV钢辊轴锻后热处理工艺研究
王秋艳;冯庆莲;牛玉温
【摘 要】本文分析了25Cr2Ni4MoV钢辊轴锻后热处理过程中较易出现的晶粒粗大、超声波探伤性差等问题.结合辊轴材质特点、结构尺寸、技术要求等改进了原有锻后热处理工艺.生产实践表明:改进的工艺能有效细化晶粒、避免了混晶及晶粒粗大问题,提高超声波探伤性,降低辊轴第二热处理风险,同时可缩短了生产周期,节能效果明显.
【期刊名称】《热处理技术与装备》
【年(卷),期】2015(036)003
【总页数】4页(P24-27)
【关键词】25Cr2Ni4MoV钢;辊轴;锻后热处理
【作 者】王秋艳;冯庆莲;牛玉温
【作者单位】太原重工锻造分公司大锻件研究所,山西太原030024;太原重工锻造分公司大锻件研究所,山西太原030024;太原重工锻造分公司大锻件研究所,山西太原030024
【正文语种】中 文
【中图分类】TG162.6
辊轴是重型装备的重要零部件,其质量水平直接影响到重大装备的整体水平和运行可靠性,是重大装备制造领域的关键技术之一,其服役环境复杂、安全性要求高。
如果在使用过程中发生提前失效或安全事故,所造成损失将是难以承受的,所以,必须具备优良的力学性能,而合理科学的热处理工艺是辊轴获得预期力学性能、安全有效服役的保障[1]。锻后热处理是辊轴降低锻造残余应力、提高组织均匀性、避免和减轻氢脆风险、改善热处理效果的重要前提。在25Cr2Ni4MoV钢辊轴热处理实践中,锻后常出现的晶粒粗大、混晶、超声波探伤性差等问题,有关这方面的研究报道较少。本文主要通过对辊轴材质特点、结构尺寸、技术要求等分析,对原有锻后热处理工艺进行了改进。旨在摸索出质量稳定、经济、科学的锻后工艺方案和技术参数,以提高锻后热处理效果和辊轴性能,满足重型装备行业对辊轴的旺盛需求。
1 工件基本情况
辊轴锻造所用钢锭是真空冶炼,重25000 kg,始锻温度1180~1220℃,终锻温度≥850℃,两火锻成,锻后结构及尺寸见图1,锻后最大直径φ850 mm,长9200 mm,轴向余量80~100 mm,直径方向余量40~60 mm。图中阴影处为切向试样区。
图1 辊轴锻后结构及尺寸简图Fig.1 Structure and dimensional sketch of roll
shaft after forging
辊轴材料为25Cr2Ni4MoV钢,主要化学成分参见表1。因工件尺寸较大,各处成分存在一定程度偏析,表中所列为不同位置成分的平均含量。锻后第一热处理要求辊身的硬度≤250 HB,且硬度偏差在±10 HB。最终力学性能要求见表2,中心孔轴向试样从辊轴加长端套取。
表1 25Cr2Ni4MoV钢辊轴的主要元素化学成分(质量分数,%)Table 1 Main
Chemical composition of 25Cr2Ni4MoV steel roll shaft(ω,%)0.20 ~0.240.04 ~0.090.25 ~0.30 ≤0.010 ≤0.009 3.50 ~3.70 Mo V Cr
H(ppm)O(ppm)N(ppm)0.38 ~0.420.05 ~0.071.60 ~1.70 ≤1.0 ≤25 ≤50
表2 25Cr2Ni4MoV钢辊轴的力学性能要求Table 2 Mechanical performance
requirements of 25Cr2Ni4MoV steel roll shaft?
2 锻后热处理工艺及分析
大型锻件第一热处理一般主要是为了消除锻造应力、降低硬度便于切削加工、预防白点和氢脆、细化和均匀化组织提高超声波穿透性,为第二热处理做组织准备[2]。25Cr2Ni4MoV属低碳高强度合金结构钢,合金元素含量高,过冷奥氏体组织较为稳定,淬透性较好,有组织遗传倾向,辊轴因结构及尺寸因素所限,在其内部不可避免存在偏析、夹杂和显微缩孔等铸造缺陷[3];锻造过程的不均匀变形所导致的部分锻态组织改善不彻底等都会发生。因此必须采取多次相变重结晶和多次过冷,以防止混晶和晶粗,一方面可改善因晶粒粗大和不均匀造成的可探伤性能差,草状波明显的情况,使锻件内部的各类缺陷尽可能明显显现;另一方面可确保顺利获得辊轴的最终力学性能,特别是较低的FATT50值,细小均匀的晶粒是工件具备低的韧脆转变温度和综合强韧性的基础。
综合辊轴材质、结构尺寸、技术要求等因素[4],其锻后热处理使用井式炉,工艺关键在于细化晶粒、防止混晶和白点及氢脆,提高超声波探伤的准确性。
2.1 原热处理工艺及分析
原锻后热处理工艺曲线见图2,图中第一个保温台阶,即630~650℃保温阶段,主要目的是:使锻态组织中的奥氏体,特别是粗大奥氏体尽快转变为珠光体-碳化物类组织,以改善和调整锻造过程中的粗大和过热组织;在一定程度上使工件中的氢逸出,并使氢的分布相对均匀,降低偏析区局部氢含量可能过高,防止白点和氢脆。虽然工件平均氢含量不高,未达到门砍值,但绝不能忽略大锻件中的偏析现象,因为25Cr2Ni4MoV属于白点敏感性钢。考虑到锻件的不均匀性和尺寸,采用两次回火处理,图中②和⑤段即为正火加热阶段,加热后均采用风冷,可使组织转变得更为细小;图中③和⑥段主要是为了使工件中心区域转变更加彻底。图中⑦段为正
火后的回火,主要为了消除正火应力,稳定和细化组织状态,随后炉冷至150℃出炉空冷,缓慢冷却主要为了减小工件内外温差,减小热应力。
2.2 改进后热处理工艺及分析
经过试生产,采用图2工艺,工件硬度能满足要求,通常为225~250 HB左右。但超声波探伤有时难以清晰显现,时有草状波出现,同时经第二热处理后,FATT50值很不稳定,晶粒度检测常表现出混晶,给后续处理造成障碍。此外,工艺时间长,严重阻碍提高生产效率。为此,对上述工艺进行了改进,见图3。
图2 25Cr2Ni4MoV钢辊轴原锻后热处理工艺曲线Fig.2 Original heat
treatment process curve after forging for roll shaft of 25Cr2Ni4MoV steel
图3 25Cr2Ni4MoV辊轴现锻后热处理工艺曲线Fig.3 Heat treatment process
curve for post forging of 25Cr2Ni4MoV roller
与原工艺相比,图中①和③段保温温度调整为650~680℃,这是因为该钢种转变曲线中这个温度段是过冷奥氏体最不稳定阶段,有利于奥氏体向珠光体转变,同时适当提高温度可一定程度提高扩氢速度;②段正火保温温度提高至920~930℃,锻后正火温度提高对调整奥氏体晶粒度,特别是对晶粒均匀化有益;③和⑥段保温温度分别降低至220~240℃和200~230℃,有助于工件中心区域的冷却转变和细小晶粒的获得,①到②段及④段到⑤段升温速度由50℃/h提高至100℃/h,奥氏体化速度提高可获得相对较小的奥氏体组织;⑦段回火后降温速度调整为速度降温,通常钢材400℃以上塑性较强,而低于400℃脆性相对增强,同时因两次正火,粗大组织状态已得到改善,因此可分阶段冷却,不必全程炉冷。
经生产实践表明:上述工艺热处理后,辊轴探伤性提高,硬度均匀性增强,再经第二热处理后未出现力学性能波动,FATT50值降低,可达-50~-70℃,且稳定性较好;缩短了工艺执行时间,节约了能源。这表明本文改进后锻后热处理工艺方法科学、经济,可以进行批量化生产,有较大推广价值。截止目前,我公司已采用此
工艺成功热处理该型辊轴20余件,一次合格率100%。
3 结论
1)本文改进后的25Cr2Ni4MoV钢辊轴锻后热处理工艺科学合理,能有效提高探伤性和组织均匀性,可稳定和降低辊轴第二热处理工件FATT50值,该工艺方法有较大推广价值;
2)本文改进后的25Cr2Ni4MoV钢辊轴锻后热处理工艺缩短了工艺时间,降低了能耗,提高了生产效率。
参考文献
[1]杨华,陈引平.大型矿用挖掘机WK40CrNi2Mo支重轮热处理工艺研究[J].热处理技术与装备,2014,25(3):12-14.
[2]樊东黎,徐跃明,佟晓辉,等.热处理工程师手册.[M].2版.北京:机械工业出版社,2005.
[3]李世健,孙明月,刘宏伟,等.25Cr2Ni4MoV钢锻造过程孔洞缺陷愈合规律研究[J].金属学报,2011,47(7):946-953.
[4]吴新丽,牛靖,董俊明.回火温度对25Cr2Ni4MoV钢组织和性能的影响[J].材料热处理技术,2008,37(20):76-78.
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