42CrMo4合金鋼連桿熱處理工藝優(yōu)化

文/李波，唐軍，周鵬，侯會(huì)凱·中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司

連桿在柴油機(jī)上要承受高拉伸、高壓縮和高彎曲應(yīng)力，因此客戶(hù)對(duì)連桿熱處理后的綜合機(jī)械性能要求特別高。近年來(lái)，我國(guó)船舶工業(yè)發(fā)展迅速，為了降低成本和減小重要零部件對(duì)進(jìn)口的依賴(lài)，船用發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件需國(guó)產(chǎn)化，其中，曲軸、連桿等零件則是重中之重。

42CrMo4合金鋼連桿是我公司為國(guó)內(nèi)柴油機(jī)廠(chǎng)國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)的一系列新型連桿，經(jīng)鍛造、熱處理后，按照某公司《鍛鋼連桿首次認(rèn)可程序》的要求，實(shí)物解剖后進(jìn)行性能、金相等檢驗(yàn)，提交“首次認(rèn)可報(bào)告”，通過(guò)了方可獲準(zhǔn)成為某公司及其專(zhuān)利廠(chǎng)商的連桿制造商。

首件認(rèn)可主要參數(shù)及技術(shù)要求

42CrMo4合金鋼連桿的化學(xué)成分見(jiàn)表1。同一熔煉爐號(hào)的鋼中，任抽一支鋼錠測(cè)定殘余氣體含量。成品中殘余氣體含量應(yīng)滿(mǎn)足：[H]≤2.5ppm，[O]≤25ppm，[N]≤80ppm。UT檢測(cè)：在兩個(gè)相隔90°的軌跡上進(jìn)行100%超聲檢測(cè)。

熱處理技術(shù)要求需要滿(mǎn)足以下4點(diǎn)。

⑴首件認(rèn)可須從桿體區(qū)域、銷(xiāo)孔區(qū)域和曲軸軸承區(qū)域各取一組試樣（一組從部件中心取樣，另一組從表面下12.5mm處取樣），共計(jì)6組（每組：一拉三沖），機(jī)械性能要求見(jiàn)表2，取樣位置如圖1所示。

⑵非金屬夾雜物從6組拉伸試樣中任取一件，檢查鋼的清潔度K4，按DIN50602標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)定，要求K4≤30。

表1 42CrMo4合金鋼連桿化學(xué)成分（%）

表2 42CrMo4合金鋼連桿機(jī)械性能要求

圖1 42CrMo4合金鋼連桿首件認(rèn)可取樣位置

⑶晶粒度按ISO643進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)定，要求5～8級(jí)。

⑷由于表面脫碳所引起的硬度降低只在有限范圍內(nèi)可以接受，要求在0.3mm深度處的硬度至少是200HV0.5，通過(guò)在桿身上取試樣的硬度分布來(lái)證實(shí)。

熱處理工藝分析及工藝試驗(yàn)

工藝分析

⑴材料分析。42CrMo4屬于合金結(jié)構(gòu)鋼，強(qiáng)度、淬透性高，韌性好，淬火時(shí)變形小，熱處理后可以獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。

⑵熱處理方式選擇?？紤]到42CrMo4具有良好的淬透性，雖然連桿桿身與連桿蓋合鍛，并重達(dá)149kg，長(zhǎng)期以來(lái)，熱處理采用臺(tái)車(chē)式電爐加熱保溫，淬火冷卻采用油冷，并配合使用循環(huán)攪拌系統(tǒng)達(dá)到淬火冷卻均勻的效果。

⑶裝爐及淬火方式。鍛件總長(zhǎng)1224.6mm，連桿蓋、連桿桿身、小頭截面變化較大，厚度分別為108mm、91mm、150mm。綜合考慮，采用大小頭統(tǒng)一側(cè)立擺放于臺(tái)車(chē)，每排6件每爐裝18件。淬火冷卻后采用鋼棒穿小頭孔保持桿身垂直入油，并結(jié)合循環(huán)攪拌系統(tǒng)以保證每支連桿淬火冷卻效果均勻。

⑷變形、淬裂性分析。連桿淬火前，須將冷卻油溫升至40～80℃，并啟動(dòng)循環(huán)攪拌冷卻系統(tǒng)，以控制在整個(gè)冷卻過(guò)程中油溫不超過(guò)80℃。原理是通過(guò)對(duì)介質(zhì)的攪拌和強(qiáng)制循環(huán)來(lái)縮短冷卻時(shí)間，減少液膜邊界層熱流的阻力，提高液膜邊界層的傳熱速率，使得每排連桿淬火均勻，以有效控制淬火過(guò)程中連桿的彎曲變形。

連桿擺放采用大小頭統(tǒng)一側(cè)立，并采用鋼棒穿每排小頭孔吊掛出爐的方式，減小了連桿彎曲變形。每排連桿出爐后控制在1min內(nèi)垂直入油淬火冷卻，由于每排總重在894kg左右，熱容量大，經(jīng)過(guò)這1min的預(yù)冷可以適當(dāng)減小熱應(yīng)力，有利于提高冷卻效果，增加淬硬層深度，有效降低淬裂傾向。

工藝試驗(yàn)

利用現(xiàn)有符合上述成分等要求的原材料，鍛一件規(guī)格為φ100mm×200mm的桿身模擬試棒，采用小電爐按照常規(guī)熱處理工藝，得到的性能見(jiàn)表3。

⑴根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析。材料的塑性較好而強(qiáng)度較弱表現(xiàn)為：強(qiáng)度值較低、沖擊值較高、屈強(qiáng)比只有0.8?？紤]到首件認(rèn)可需要在實(shí)物的大頭、小頭、桿身三個(gè)部位取六組試樣，且三組性能試棒取樣位置在心部。要滿(mǎn)足性能要求，就必須調(diào)整原材料的化學(xué)成分，增強(qiáng)原材料的淬透性以提高強(qiáng)度。

表3 工藝試驗(yàn)機(jī)械性能要求

表4 調(diào)整后42CrMo4合金鋼連桿化學(xué)成分（%）

⑵調(diào)整化學(xué)成分含量。元素鎳、釩可以細(xì)化組織晶粒，增進(jìn)鋼的硬化性能，而又保持良好的塑性和韌性。所以在原材料采購(gòu)協(xié)議中適量增加上述兩項(xiàng)微量元素，具體調(diào)整見(jiàn)表4。

批量生產(chǎn)熱處理工藝制定

42CrMo4合金鋼連桿工藝流程圖如圖2所示。由于連桿鍛件尺寸、重量較大，為去除鍛造產(chǎn)生的應(yīng)力，優(yōu)化鍛后組織、細(xì)化晶粒度和使碳化物均勻，調(diào)質(zhì)前先進(jìn)行正火預(yù)處理。為保證連續(xù)生產(chǎn)，裝爐方式采用大小頭統(tǒng)一側(cè)立擺放于臺(tái)車(chē)，每排6件每熱處理爐次3排共18件進(jìn)行，正火后吊至平臺(tái)空冷，淬火冷卻采用鋼棒穿小頭孔垂直入油，圖3為連桿裝爐及淬火方式示意圖。

淬火前油溫升至40～80℃，使淬火介質(zhì)處于最佳冷卻速度，具有良好淬火效果。為縮短蒸汽膜階段，盡快進(jìn)入沸騰階段，以獲得最大冷速和最優(yōu)冷卻效果，須配合啟動(dòng)循環(huán)攪拌冷卻系統(tǒng)。42CrMo4屬于亞共析鋼，臨界溫度Ac3為800℃，亞共析鋼的淬火加熱溫度AC3+(30～70)℃。綜合考慮，確定正火工藝：880℃×(210～240)min空冷（圖4）、淬火工藝：850℃×(180～210)min油冷（圖5）。

連桿須經(jīng)高溫回火以獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，溫度控制在600～660℃范圍內(nèi)，實(shí)際操作中回火溫度根據(jù)每爐化學(xué)成分確定。

圖2 42CrMo4合金鋼連桿工藝流程圖

圖3 連桿裝爐及淬火方式示意圖

圖4 連桿正火熱處理工藝曲線(xiàn)

圖5 連桿調(diào)質(zhì)熱處理工藝曲線(xiàn)

回火保溫時(shí)間的選擇不但要消除內(nèi)應(yīng)力，使鍛件具有良好的塑性和韌性，而且要有較高的強(qiáng)度。因此保溫時(shí)間不宜過(guò)短，綜合考慮，保溫時(shí)間定為210～240min，回火后水冷，以盡快通過(guò)產(chǎn)生二類(lèi)回火脆性的溫度區(qū)域（450～650℃），來(lái)獲得較高的韌性。

連桿熱處理試制

原材料的化學(xué)成分含量見(jiàn)表5，非金屬夾雜物K4為0，晶粒度7級(jí)。

首爐試制及首件認(rèn)可取試

首爐按照上述熱處理工藝生產(chǎn)后，采用便攜式布氏硬度計(jì)檢測(cè)實(shí)物硬度在300～310HB之間，滿(mǎn)足技術(shù)要求。隨機(jī)抽取一件實(shí)物按《鍛鋼連桿首次認(rèn)可程序》要求解剖本體并進(jìn)行機(jī)械性能檢測(cè)，見(jiàn)圖6。

表5 原材料化學(xué)成分含量（%）

表6 首件認(rèn)可本體取樣機(jī)械性能數(shù)據(jù)

圖6 首件認(rèn)可本體取樣圖

首件認(rèn)可機(jī)械性能數(shù)據(jù)

連桿本體取樣機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6，可以看出：6組拉伸試樣和沖擊試樣各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)都滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范要求。連桿桿身取樣進(jìn)行硬度分布、純凈度K4檢驗(yàn)、晶粒度均達(dá)到技術(shù)規(guī)范要求，金相組織為正常的回火索氏體，晶粒度7級(jí)以上，組織均勻，見(jiàn)圖7。

結(jié)束語(yǔ)

圖7 連桿首件認(rèn)可本體取樣金相組織

42CrMo4合金鋼連桿通過(guò)調(diào)整其化學(xué)成分含量，添加適量鎳、釩等微量合金元素，采用臺(tái)車(chē)式電阻加熱爐進(jìn)行正火、調(diào)質(zhì)熱處理，配合循環(huán)攪拌系統(tǒng)，具有良好淬火效果，減小連桿變形量，降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，各項(xiàng)機(jī)械性能及金相指標(biāo)均滿(mǎn)足技術(shù)要求。