50CrVA半軸鍛件水淬工藝的開發(fā)與應(yīng)用

文／張俊恩，孫必祥·東風(fēng)鍛造有限公司

50CrVA半軸鍛件水淬工藝的開發(fā)與應(yīng)用

文／張俊恩，孫必祥·東風(fēng)鍛造有限公司

通過大量試驗(yàn)，采用水淬工藝代替油淬工藝生產(chǎn)50CrVA半軸鍛件獲得成功。按新工藝生產(chǎn)，不僅鍛件性能可滿足技術(shù)要求，而且還降低了生產(chǎn)成本，減少了環(huán)境污染。該工藝目前已穩(wěn)定投入生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

半軸是商用車驅(qū)動系統(tǒng)中的重要零件，本公司生產(chǎn)的半軸鍛件材料為50CrVA，其加工工序如圖1所示，鍛件鍛造成形后需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。該鍛件開始生產(chǎn)時只要求表面硬度(35～40HRC），一直采用油淬工藝進(jìn)行生產(chǎn)，后因半軸在使用過程中發(fā)生斷裂現(xiàn)象，故客戶增加了抗拉強(qiáng)度要求(Rm≥1000MPa），經(jīng)檢驗(yàn)，采用油淬工藝生產(chǎn)的鍛件強(qiáng)度無法達(dá)到要求，因此被迫停產(chǎn)。為滿足產(chǎn)品性能要求，本公司試驗(yàn)開發(fā)出了水淬工藝，經(jīng)批量生產(chǎn)驗(yàn)證，該工藝所生產(chǎn)的鍛件滿足產(chǎn)品性能要求?，F(xiàn)將此次水淬工藝的開發(fā)試驗(yàn)過程介紹如下。

試驗(yàn)零件與方法

試驗(yàn)零件與材料

試驗(yàn)零件為半軸鍛件，材料為50CrVA，鍛件簡圖如圖2所示。鍛件調(diào)質(zhì)處理后技術(shù)要求為：表面硬度35～40HRC，抗拉強(qiáng)度Rm≥1000MPa，拉伸取樣部位在桿部中心。

采用大連鋼廠生產(chǎn)的50CrVA材料進(jìn)行試驗(yàn)，該材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

圖1 50CrVA半軸加工工序

圖2 半軸鍛件簡圖

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能指標(biāo)

表2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案

經(jīng)查閱有關(guān)資料，50CrVA材料的推薦淬火工藝均為油淬，但是在對淬火加熱溫度進(jìn)行了多次調(diào)整試驗(yàn)后，采用油淬工藝生產(chǎn)的鍛件還是無法達(dá)到客戶要求的強(qiáng)度指標(biāo)，于是為滿足產(chǎn)品強(qiáng)度要求，本公司開始探索采用現(xiàn)有水性淬火劑淬火的可行性?？傮w要求是在滿足產(chǎn)品強(qiáng)度、硬度要求的前提下，保證鍛件在調(diào)質(zhì)過程中不開裂，同時具有在連續(xù)式生產(chǎn)線上大批量生產(chǎn)的可操作性。據(jù)此，根據(jù)工廠現(xiàn)有生產(chǎn)條件我們制定了采用不同介質(zhì)淬火的試驗(yàn)方案，具體見表2。

根據(jù)現(xiàn)場條件，試驗(yàn)設(shè)備分為兩類：鹽水淬火試驗(yàn)采用箱式爐進(jìn)行淬火加熱，其余試驗(yàn)均在連續(xù)式調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線上進(jìn)行。上述試驗(yàn)方案中淬火加熱溫度均為850℃，鍛件在連續(xù)式爐內(nèi)的淬火保溫時間為100min，在箱式爐內(nèi)的淬火保溫時間為90min。根據(jù)原油淬工藝確定回火溫度為580℃(保證回火后硬度在要求范圍內(nèi)），回火均在連續(xù)式回火爐內(nèi)進(jìn)行，爐內(nèi)時間為120min。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

淬火、回火后硬度

采用不同淬火劑淬火和回火后的鍛件表面硬度值見表3，為便于比較，采用快速淬火油生產(chǎn)的數(shù)據(jù)在此也一并列出。

從表3可知，采用冷卻速度不同的淬火劑(從冷速最快的鹽水至冷速最慢的快速淬火油）淬火后鍛件的表面硬度相差不大，這說明50CrVA的淬硬性較高，在所選介質(zhì)中冷卻性能最差的快速淬火油也能滿足該材料的淬火最低冷卻速度要求。

表3 采用不同介質(zhì)淬火、回火后的鍛件表面硬度值

表4 采用不同介質(zhì)淬火＋回火后的截面硬度值

調(diào)質(zhì)處理后截面硬度

因拉伸取樣部位在桿部φ48mm的中心，故經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后鍛件心部硬度的高低決定了抗拉強(qiáng)度的高低。為考核經(jīng)過不同介質(zhì)調(diào)質(zhì)處理后鍛件截面的硬度變化，對鍛件φ48mm桿部進(jìn)行了截面硬度檢驗(yàn)，間距為3mm，結(jié)果見表4。

如圖3所示，結(jié)果表明：采用水性介質(zhì)淬火＋回火后鍛件心部硬度(即拉伸試樣的硬度）高于采用快速淬火油淬火＋回火，采用鹽水、自來水和循環(huán)水1淬火＋回火后鍛件心部硬度提高更加顯著；同時可以看出，采用冷卻能力較強(qiáng)的鹽水、自來水、循環(huán)水1淬火＋回火，鍛件截面硬度下降緩慢。上述結(jié)果表明，盡管采用不同淬火劑淬火均能夠保證50CrVA鍛件可獲得良好的淬火效果，但選用冷卻能力更強(qiáng)的淬火劑能夠獲得更深的淬硬層深。從截面硬度結(jié)果可以看出，采用鹽水、自來水和循環(huán)水1淬火效果均較好。

調(diào)質(zhì)處理后抗拉強(qiáng)度

對采用不同介質(zhì)淬火＋回火后的鍛件抽樣檢查其抗拉強(qiáng)度，按要求位置取樣，檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

結(jié)果表明：采用不同的水性介質(zhì)淬火＋回火后均能夠滿足產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度要求，其中用鹽水淬火效果最好，其次為采用自來水淬火，再次為采用循環(huán)水淬火，且循環(huán)水的溫度對結(jié)果影響不大。

金相組織檢驗(yàn)

對循環(huán)水1淬火＋回火后的鍛件抽查了金相組織，檢驗(yàn)部位在桿部中間，檢驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示。基體組織為回火索氏體＋少量條狀鐵素體，按照GB/T 13320—1991標(biāo)準(zhǔn)評級，表層組織為1～2級，心部組織為3～3.5級。

圖3 不同介質(zhì)淬火＋回火后的截面硬度

表5 采用不同介質(zhì)淬火＋回火后的抗拉強(qiáng)度

圖4 表層組織(500×）

圖5 心部組織(500×）

探傷檢查

為考核采用水性介質(zhì)淬火后鍛件的開裂情況，對幾種不同水性介質(zhì)淬火后的鍛件全部進(jìn)行了100%熒光磁粉探傷檢查，探傷檢查結(jié)果表明，采用水性介質(zhì)淬火的鍛件均未發(fā)現(xiàn)淬火開裂。這說明所選用的水性介質(zhì)均可以保證鍛件淬火后不開裂，它們均可以用于該零件的淬火。

綜合以上結(jié)果分析，采用所選用的水性介質(zhì)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后均能夠保證50CrVA半軸鍛件對表面硬度和抗拉強(qiáng)度的要求，且不會產(chǎn)生淬火裂紋。但由于不同的連續(xù)式調(diào)質(zhì)線共用一個大的循環(huán)水系統(tǒng)，且鹽水對淬火冷卻系統(tǒng)存在較大的腐蝕，因此采用鹽水淬火在連續(xù)式生產(chǎn)線中無法實(shí)現(xiàn)，而采用自來水淬火則會浪費(fèi)大量水資源，不符合環(huán)保要求，于是綜合考慮這些因素后我公司最終決定采用循環(huán)水進(jìn)行淬火。

結(jié)論

⑴50CrVA半軸鍛件采用循環(huán)水淬火調(diào)質(zhì)后鍛件硬度和抗拉強(qiáng)度滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，該工藝投入使用至今已近7年，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，未發(fā)生淬火開裂事故，產(chǎn)品質(zhì)量滿足客戶要求。

⑵50CrVA材料采用水淬工藝獲得成功，是對該材料調(diào)質(zhì)工藝的一個突破，這說明淬火劑的選擇不僅僅與材料有關(guān)，還與零件具體形狀密切相關(guān)。

⑶50CrVA半軸鍛件采用水淬工藝生產(chǎn)與原來采用油淬工藝生產(chǎn)相比，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。本公司采用上述水淬工藝至今已穩(wěn)定生產(chǎn)7年，共生產(chǎn)鍛件約80萬件，單件重量平均為17.5kg，共14000t。與油淬工藝相比，采用循環(huán)水淬火無淬火油消耗，淬火劑消耗可忽略不計，淬火油消耗按3kg/噸鍛件計算的話，共累計減少淬火油消耗42t，快速淬火油平均價格按12000元/t計算，可節(jié)約淬火油成本50.4萬元。

⑷與油淬工藝相比，采用循環(huán)水淬火在淬火過程中無油煙，同時方便了工人操作，具有良好的環(huán)保效果。