对 42CrMo材料大型芯轴调质热处理工艺的分析

王素娟

摘要：42CrMo材料的综合力学性能良好，材料生产成本较低，目前被广泛应用于国内外的工业产品，但较少用于大型锻件，这是因为工业生产对大型锻件的力学性能要求较高。制定一款41t重的芯轴，经过炼钢、水压机锻造、初加工、调质热处理、性能试验、精加工等生产工序，实现对材料的调质热处理。

关键词：42CrMo材料；芯轴；调质热处理工艺

引言：42CrMo材料的碳当量比较高，对于大型产品，材料奥氏体化后采用油冷方式，从而控制冷却时间。但芯轴的力学性能对强度和韧性的要求很高，油冷难以满足芯轴的技术要求。42CrMo材料淬透性比较差，只有使用快冷处理方式，才能保证42CrMo材料芯轴强度与韧性，目前国内也开始采用水冷淬火的方式制造42CrMo材料芯轴锻件。

1.热处理工艺试验分析

在42CrMo材料芯轴调质热处理过程中，需要涉及较多的零部件，相应的工艺流程比较繁琐，为了保证热处理效果，工厂普遍会大面积使用42CrMo材料芯轴。采用电炉和真空脱氧处理的方式处理材料，了解其化学成分，热处理过程中需要确定相关工艺参数，将淬火温度控制在840℃、850℃、860℃、870℃、880℃，最后进行油冷操作。回火时温度控制在570℃、590℃、610℃、630℃、650℃，随后完成空冷操作。分析42CrMo材料芯轴的化学成分，主要包含以下几种：C成分质量分数为0.38％、Si成分质量分数0.3％、Mn成分质量分数为0.65％、Cr成分质量分数0.9％、P成分质量分数为0.02％、S成分质量分数为0.015％。

2.42CrMo材料大型芯轴调质热处理工艺研究

2.1温度分析

分析42CrMo材料的临界温度，Ac1时临界温度为730℃，Ac3时临界温度为780℃，Ms时临界温度为310℃。42CrMo材料芯轴热处理的有效截面尺寸是1258mm，按照临界温度情况计算42CrMo材料芯轴热处理的升温温度和高温保温温度，同时按照淬火冷却工艺情况计算其冷却温度与回火保温时间。将42CrMo材料的调质温度控制在810℃左右，最高不宜超过830℃，要求42CrMo材料的淬火冷却的终冷温度不能超过300℃。由于42CrMo材料大型芯轴截面尺寸比较大，热处理过程中将不可避免的遇到内部偏析问题。为了让偏析区域达到淬火温度，从而适应因偏析而产生的各部位转变特性，建议将42CrMo材料的淬火温度控制在840℃，最高不宜超过860℃。

采用水淬和油冷相结合的冷却方式，依靠水在高温区域的强冷却能力，油在低温区有着较为缓慢的冷却速度，这就可以满足42CrMo材料的冷却要求。水拥有较强的冷却能力，因此42CrMo材料锻件表面与中心位置的冷却速度有很大差别，导致42CrMo材料锻件截面温差较大。42CrMo材料对芯轴的强度要求较高，所以回火温度选择460℃，最多不超过480℃。在相关工艺参数中，实现400℃的中间保温温度，能够减小250℃的温差，防止蓝脆现象发生。采用650℃的中间保温温度，有利于减小42CrMo材料锻件的内外温度差，使相变在整个42CrMo材料芯轴截面上均匀进行，防止有较大的组织应力产生。强化中间保温能够减少42CrMo材料在高温过程中的均温时间。低温状态下，42CrMo材料芯轴内部带有弹性，如果温差过高，热应力过大，芯轴将有可能开裂。经过保温处理后，42CrMo材料芯轴锻件的心部温度很高，且已经处于塑性状态，继续提高温度能够保持升温速度，这时就会产生第二个温差，且对42CrMo材料锻件不会有危害。完成均温后，42CrMo材料进入保温阶段，通过保温处理可以让42CrMo材料芯轴心部的温度达到预期加热温度，从而实现奥氏体的转变。

因为42CrMo材料芯轴工件的截面尺寸很大，冷却速度过快，工件表面会产生较大的热应力与组织应力，并引发开裂现象。采用水淬与油冷相结合的工艺方法，让42CrMo材料芯轴表层在一定范围内通过C曲线鼻尖出，并到达珠光体转变区以下的温度。经过油冷工艺后减缓42CrMo材料芯轴冷却速度，促进芯轴的心部组织转变。对大锻件进行冷却时，因为42CrMo材料芯轴表面与心部温差明显，热应力较大，且低温转变时没有采用冷却到底的方式，控制芯轴心部冷却温度，油冷之后心部和表面温差较大，奥氏体心部过冷，200℃的低温保温状态能够有效降低工件表面和心部温差，推动奥氏体的机组转变。通过回火可以降低内应力，保持回火组织的稳定。

2.2工艺改进

2.2.1拉伸性能改进

探究42CrMo材料芯轴的使用性能，有必要进一步改进芯轴的热处理工艺。以日本制钢测试时的1300mm锻件水冷曲线为例，按照前期工艺进行水冷处理，测量锻件表面温度后确定新的热处理工艺步骤。等到芯轴奥氏体化后并保温之后，采用水冷、空冷、油冷的处理方式，将水温控制在40℃，提升回火温度，改善工件的塑韧性。保持原有的840℃淬火温度，水冷20分钟，降低工件温度到320℃，心部温度没有变化。空冷5分钟后，依靠心部热量升高芯轴表层温度，但温度不能超过回火温度，随后水冷10分钟，使芯轴表面有着较好的淬火组织。回火温度越高，材料强度有所下降，在610℃时42CrMo材料强度在上升过程中发现拐点，840℃时淬火需要经过不同温度达到回火目的，但需要对回火温度客观检测。在钢中加入合金元素，将基体中的碳形成渗碳提，以此实现元素的集聚。强碳化物可在实践中成为钒、铬等元素。温度上升至610℃时42CrMo材料会形成合金碳化物，推动钢的回火稳定性，使钢在610℃时强度提升。

2.2.2冲击韧性改进

不同温度情况下，材料的淬火效果不同。回火温度越高，42CrMo材料的冲击韧性也会提升。610℃时有拐点出现，这时冲击韧性会有所下降。温度经过570℃的回火处理时，相应的冲击韧性值就会处于较低的状态。42CrMo材料芯轴在应用时，应选择优质化的材料，明确断裂韧性的重要性，将其作为重要指标，对指标合理判断，从而实现指标的合理应用。经过42CrMo材料的冲击试样性能试验，发现各项参数均能满足图样技术要求。42CrMo材料芯轴的应用鞥够保证工业生产中各项零部件的有效应用，保证生产质量，科学选择芯轴材料，利用42CrMo材料，结合其实际应用情况，加强对42CrMo材料的热处理，在保证热处理效果的同时，提升42CrMo材料芯轴的锻造应用效果。

总结：总而言之，42CrMo材料大截面芯轴经过热处理工艺的改进之后，材料有着良好的力学性能，42CrMo材料韧性提升，在工艺加工和产品生产过程中延长了材料的使用寿命。不仅如此，凭借着42CrMo材料良好的力学性能，对材料进行热处理工艺改进，有效降低生产成本，材料升温时，做好淬火温度和回火时温度的有效控制，通过新型热处理工艺的应用，改进材料拉伸性能和冲击韧性，为今后工业生产提供帮助。

参考文献：

[1]范文娟.关于改型CrMo钢螺栓材料的热处理工艺[J].化工管理,2019(24):94-95.