一種高性能42CrMo4 風(fēng)電軸承鍛件的制造開發(fā)

文／郭亮，王永鋒，秦斌，顧少欽，李少雨，張博·中航卓越鍛造(無錫)有限公司

本文選取不同化學(xué)成分的42CrMo4 鍛件經(jīng)不同淬火介質(zhì)熱處理，經(jīng)過解剖和理化試驗(yàn)，分析了鍛件表面及心部顯微組織及機(jī)械性能，證明在42CrMo4 鋼中添加適量的合金元素如Ni、Mo 等，淬火采用水或3%～5%PAG 淬火介質(zhì)，冷卻時(shí)材料的淬透性能夠達(dá)到97.5mm，不僅提高了鍛件的心部屈服強(qiáng)度，而且鍛件心部的-40℃的V 型缺口沖擊性能≥27J，為生產(chǎn)高性能42CrMo4 風(fēng)電軸承鍛件提供了指導(dǎo)方向。

42CrMo4 屬于中碳合金鋼，具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，較高的強(qiáng)度和韌性，且較其他中高合金鋼具有價(jià)格優(yōu)勢，常作為齒輪箱中鍛件的首選材料，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電、水電、礦山機(jī)械、船舶港機(jī)等領(lǐng)域。由于齒圈、軸承等鍛件的工況較為惡劣，尤其受交變載荷和沖擊載荷的作用明顯，其使用壽命受零件的強(qiáng)度和沖擊性能影響較大，因此各行業(yè)對42CrMo4 齒圈、軸承鍛件的機(jī)械性能都提出了較高的要求。例如風(fēng)電軸承由于其安裝高度高、長期受強(qiáng)風(fēng)作用和工作環(huán)境溫度低等因素影響，加之維修費(fèi)用高，這就要求風(fēng)電軸承鍛件在低溫下也要具有較高的韌性，對其綜合機(jī)械性能提出了更高的要求。

為了使42CrMo4 軸承心部具有較高的強(qiáng)度，且在低溫下具有較高的沖擊韌性，我們通過對不同化學(xué)成分的42CrMo4 鍛件進(jìn)行不同淬火介質(zhì)熱處理，經(jīng)過解剖和理化試驗(yàn)，分析了鍛件表面及心部顯微組織及機(jī)械性能，成功開發(fā)了高性能的42CrMo4 風(fēng)電軸承鍛件，為該材質(zhì)軸承鍛件的量產(chǎn)提供了一種全新解決方案和思路。

鍛件尺寸及相關(guān)技術(shù)要求

技術(shù)要求

如圖1 所示，某42CrMo4 軸承鍛件的交付尺寸為φ3452mm/φ3096mm×560mm。該產(chǎn)品要求整體鍛造，不允許焊接及補(bǔ)焊。原材料為連鑄圓坯，連鑄坯采用“BOF 或(EBT 或EF)+LF+(VD 或RH)+CCM”工藝進(jìn)行冶煉制造，其中BOF 為轉(zhuǎn)爐，EBT 或EF 為電弧爐，LF 為爐外精煉，VD 為真空脫氣，RH 為真空循環(huán)脫氣精煉爐，CCM 為連鑄。

圖1 齒圈交付尺寸

鍛件化學(xué)成分按客戶要求，夾雜物級別按照GB/T 10561-2005 的A 法 評 定，應(yīng) 符 合 表1 的規(guī)定。鍛件熱處理要求為正火、調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)硬度滿足270 ～320HBW，機(jī)械性能滿足：抗拉強(qiáng)度≥850MPa，屈服強(qiáng)度≥730MPa，心部屈服強(qiáng)度≥650MPa，伸長率≥14%，斷面收縮率≥50%，-40℃KV2型缺口低溫沖擊功≥27J(三個(gè)沖擊值的平均值)，允許有一個(gè)沖擊值小于平均值，但應(yīng)不小于平均值的70%。調(diào)質(zhì)后其組織為回火索氏體。鍛件按照EN 10228-3 進(jìn)行超聲波檢測檢驗(yàn)，質(zhì)量等級滿足4 級要求。

表1 非金屬夾雜物含量

技術(shù)難點(diǎn)分析及新工藝方案

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品經(jīng)調(diào)質(zhì)后機(jī)械性能隨著試樣取樣位置距熱處理表面不同而出現(xiàn)較大差異，即試樣位置距熱處理表面越深，其綜合機(jī)械性能越差，尤其是低溫沖擊性能，熱處理截面超過170mm 的產(chǎn)品，其心部強(qiáng)度和低溫沖擊性能均難以滿足技術(shù)要求。此次客戶訂購產(chǎn)品的成品壁厚為178mm，熱處理時(shí)有效截面厚度約為195mm，心部強(qiáng)度和低溫沖擊均需滿足訂貨條件。該技術(shù)要求為我公司首次制造，為了滿足客戶提出的產(chǎn)品技術(shù)要求，完全按照產(chǎn)品尺寸試制兩件，以對其工藝進(jìn)行研究。

成分設(shè)計(jì)思路及確定試驗(yàn)材料

文獻(xiàn)表明，C 元素在亞共析鋼中隨著其含量增加，鋼的強(qiáng)度和硬度升高，而塑性和韌性降低；Mn元素增加奧氏體冷卻時(shí)的過冷度，提高鋼的淬透性、強(qiáng)度；Cr 元素增加鋼的淬透性并有二次硬化作用，所以在殘余元素含量的要求范圍內(nèi)可以添加一些，且Cr 元素價(jià)格便宜，對總體成本影響較小；Mo 元素阻抑奧氏體到珠光體轉(zhuǎn)變的能力最強(qiáng)，從而提高鋼的淬透性，能夠降低或者抑止其他合金元素導(dǎo)致的回火脆性，在較高的回火溫度下，形成彌散分布的特殊碳化物，有二次硬化作用；Ni 能提高鋼的淬透性，同時(shí)能阻止晶粒長大而細(xì)化鐵素體晶粒，在強(qiáng)度相同的條件下，提高了鋼的塑性和韌性，尤其是低溫韌性，但由于Ni 元素價(jià)格貴，所以少許添加。因此，選用普通材料和定煉材料進(jìn)行試驗(yàn)對比，普通材料即滿足常規(guī)風(fēng)電軸承鍛件技術(shù)要求，定煉材料將C、Mn、Cr、Mo 控制在中上限，同時(shí)增加Ni 元素含量在技術(shù)要求范圍內(nèi)中上限水平。

試驗(yàn)材料采用“電爐+爐外精煉+真空脫氣”工藝進(jìn)行冶煉，采用連鑄方式制造。從連鑄圓坯切取20mm 的試片進(jìn)行化學(xué)成分檢測，其成分如表2 所示。

表2 42CrMo4 鋼化學(xué)成分(wt%)

試驗(yàn)方法

選取產(chǎn)品規(guī)格為φ3452mm/φ3096mm×560mm，且截面為矩形的42CrMo4 環(huán)鍛件，分別用A-1、A-2 的原材料，經(jīng)鍛造、正火后粗車至φ3460mm/φ3066mm×575mm，再沿軸向用鋸床將環(huán)鍛件均分成4 段，每2 段為一試驗(yàn)組，對所有產(chǎn)品鋸開面拋磨去除尖角。42CrMo4 材料的Ac1溫度約為730℃，Ac3溫度約為780℃，淬火和回火溫度參考相關(guān)熱處理手冊，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，然后按照表3 所示試驗(yàn)方案進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

表3 42CrMo4 鋼熱處理方案

方案Ⅰ采用3%～5%PAG 淬火介質(zhì)冷卻，其中PAG 淬火介質(zhì)指的是由一種液態(tài)的有機(jī)聚合物和腐蝕抑制劑組成的水溶性溶液。

方案Ⅱ采用水冷，由于產(chǎn)品熱處理有效截面尺寸為197mm，所以淬火保溫時(shí)間為6h，回火保溫時(shí)間為9h。按照圖2 進(jìn)行本體取樣，每段圓弧試樣位置編號依次為1#～12#，并按照GB/T 228.1-2021測試材料的強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率，按照GB/T 229-2020 進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-40℃，按照GB/T 231.1-2018 檢測不同位置試樣的硬度，其余按照產(chǎn)品技術(shù)要求進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖2 鍛件取樣圖

試驗(yàn)結(jié)果

用A-1、A-2 的連鑄圓坯投料的產(chǎn)品，分別按照方案Ⅰ和方案Ⅱ進(jìn)行熱處理。按照方案Ⅰ處理后，產(chǎn)品表面硬度分別為330HBW、320HBW；按照方案Ⅱ處理后，產(chǎn)品表面硬度則分別為315HBW、325HBW。按照兩種方案處理后的產(chǎn)品，其不同取樣位置理化結(jié)果如表4 ～表7 所示。

表4 A-1 按方案Ⅰ調(diào)質(zhì)后42CrMo4 鍛件的機(jī)械性能

其中，表4 ～表5 為采用方案Ⅰ處理后的機(jī)械性能，表6 ～表7 則是采用方案Ⅱ處理后的機(jī)械性能。表4 與表5 的機(jī)械性能對比見圖3，表4 與表6 的機(jī)械性能對比見圖4。表7 對應(yīng)的1#、7#、12#試樣的顯微組織照片見圖5，分別為回火索氏體、回火索氏+少量珠光體、回火索氏體+片層狀珠光體；表6 對應(yīng)的1#、4#、7#、12#試樣的顯微組織照片見圖6，分別為回火索氏體、回火索氏體+片層狀珠光體、回火索氏體+片層狀珠光體、回火索氏體+大量片層珠光體+少量鐵素體。

表5 A-2 按方案Ⅰ調(diào)質(zhì)后42CrMo4 鍛件的機(jī)械性能

表6 A-1 按方案Ⅱ調(diào)質(zhì)后42CrMo4 鍛件的機(jī)械性能

表7 A-2 按方案Ⅱ調(diào)質(zhì)后42CrMo4 鍛件的機(jī)械性能

圖3 同一鋼廠成分不同的原材料經(jīng)熱處理方案Ⅰ后42CrMo4 鍛件不同位置的機(jī)械性能

圖4 同一產(chǎn)品經(jīng)熱處理方案Ⅰ及熱處理方案Ⅱ后42CrMo4 鍛件不同位置的機(jī)械性能

圖5 A-2 按方案Ⅱ調(diào)質(zhì)后42CrMo4 鍛件不同位置的金相組織

圖6 A-1 按方案Ⅱ調(diào)質(zhì)后42CrMo4 鍛件不同位置的金相組織

從表4 ～表7 中可以看出，用A-2 材料鍛造的產(chǎn)品經(jīng)熱處理后，鍛件不同位置試樣的各機(jī)械性能均滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，而用A-1 材料鍛造的產(chǎn)品經(jīng)熱處理后，鍛件不同位置試樣強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率等性能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，但隨著取樣位置距熱處理表面加深，試樣的低溫沖擊值不能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。分別對比同一鋼廠鍛件采用不同方案處理后的機(jī)械性能不難發(fā)現(xiàn)，用A-1 材料鍛件淬火水冷與用3%～5%PAG 冷的機(jī)械性能差別不大，用A-2 材料鍛件淬火水冷與用3%～5%PAG 冷的機(jī)械性能相比，強(qiáng)度相差不大，但心部低溫沖擊值明顯提升。采用3%～5%PAG淬火介質(zhì)或采用水淬火介質(zhì)處理時(shí)，A-2 產(chǎn)品的強(qiáng)度和低溫沖擊均合格。

圖3 描述的是同一鋼廠不同成分，經(jīng)熱處理方案Ⅰ后42CrMo4 鍛件不同位置的機(jī)械性能，其中Rm-1為A-1 的性能，Rm-2 為A-2 的性能。從圖3 中可以看出，A-2 較A-1 制造的鍛件采用同一熱處理制度調(diào)質(zhì)后，屈服強(qiáng)度有所提升，低溫沖擊韌性有明顯改善。圖4 描述的是同一產(chǎn)品經(jīng)熱處理方案Ⅰ及熱處理方案Ⅱ后42CrMo4 鍛件不同位置的機(jī)械性能，其中Rm-1 為A-1 用PAG 淬火介質(zhì)的性能，Rm-2 為A-1用水淬火介質(zhì)性能。從圖4 中可以看出，A-1 制造的鍛件采用水淬火介質(zhì)處理與3%～5%PAG 淬火介質(zhì)處理對比，兩者抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率及斷面收縮率均滿足客戶要求，而采用水介質(zhì)處理所得的表面位置試樣沖擊韌性有較大提升，但8#、10#、11#、12#心部位置試樣的沖擊功相差不大，即隨著試樣位置距熱處理表面越大，低溫沖擊韌性值變化較小，均未合格。

試驗(yàn)結(jié)果分析

原材料化學(xué)成分對低溫沖擊性能的影響

根據(jù)表1 所示，A-1 和A-2 的原材料化學(xué)成分相比，A-2 原材料的C、Mn、Cr、Mo、Ni 相對較高，尤其是Ni 元素含量較高，經(jīng)過相同熱處理制度，結(jié)合表4 ～表7 結(jié)果可知，無論是方案Ⅰ和方案Ⅱ，用A-2 原材料制造的鍛件均滿足產(chǎn)品機(jī)械性能要求，明顯優(yōu)于A-1 原材料制造的產(chǎn)品。

通過圖6 可知，用A-1 普通成分制造的42CrMo4鍛件，經(jīng)調(diào)質(zhì)后表面所得的組織是回火索氏體，但隨著熱處理表面深度加深，基體組織中逐漸出現(xiàn)少量鐵素體，心部主要以珠光體、鐵素體組織居多，還出現(xiàn)少量貝氏體和回火索氏體。

通過圖5 可知，用A-2 特殊成分制造的42CrMo4鍛件，經(jīng)調(diào)質(zhì)后表面所得的組織是回火索氏體，心部基本也是回火索氏體，局部出現(xiàn)不超過5%的少量鐵素體。根據(jù)GB/T 5216-2014《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》附錄A 中公式A.1 有關(guān)鋼的淬透性計(jì)算方法，A-1材料理想臨界直徑為DI=48mm，A-2 材料理想臨界直徑為DI=143.8mm，用A-2 特殊成分制造的鍛件有效熱處理截面為195mm，心部還未達(dá)到半馬氏體，表明該材料的淬透層深度大于97.5mm。

淬火介質(zhì)對低溫沖擊性能的影響

普通成分A-1 材料制造的42CrMo4 鍛件經(jīng)方案Ⅰ和方案Ⅱ熱處理后，結(jié)合圖4 可知，產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度高，屈服強(qiáng)度也高。淬火采用水冷，產(chǎn)品表層得到的低溫沖擊韌性優(yōu)于經(jīng)3%～5%PAG淬火介質(zhì)淬火，但隨著取樣位置加深，兩種淬火介質(zhì)對低溫沖擊韌性的影響相差不大。從結(jié)果來看，主要是因?yàn)榇慊鹌陂g，水的冷卻速度比高分子水劑淬火液冷卻速度快，即水的淬透層深度更深。從鋼的熱處理手冊可知，42CrMo4 在20℃的水溫臨界淬透層深度達(dá)58mm，而在油中只能達(dá)到40mm。但在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼的實(shí)際臨界淬透尺寸不僅和淬火介質(zhì)有關(guān)，還和物體形狀、物體尺寸、淬火加熱溫度、轉(zhuǎn)移時(shí)間、實(shí)際冷卻速度等相關(guān)，很多時(shí)候?qū)嶋H生產(chǎn)的產(chǎn)品臨界淬透層深度低于材料手冊上的數(shù)據(jù)。

取樣位置對低溫沖擊性能的影響

從圖3、圖4 中可以看出，鍛件性能數(shù)據(jù)與試樣深度有很大關(guān)系，鍛件的屈服強(qiáng)度和低溫沖擊韌性，隨著距熱處理表面深度加深而降低，這主要是在淬火期間，鍛件表面冷速最快，心部較慢。根據(jù)CCT 曲線可知，鋼在不同的冷卻速度下得到的組織不一樣，產(chǎn)品由于有效熱處理尺寸較大，表面冷得快，心部冷得慢，導(dǎo)致在產(chǎn)品不同位置的機(jī)械性能和金相組織不同，即越靠近熱處理表面性能越好，遠(yuǎn)離熱處理表面性能越差。當(dāng)超過淬透層深度，金相由回火索氏體變?yōu)樨愂象w，甚至珠光體+鐵素體。組織決定性能，這也就是為什么不同位置機(jī)械性能不同的原因。

結(jié)論

⑴在42CrMo4 鋼中添加較多的合金元素，如Ni、Mo 等能夠有效提高材料的淬透性，進(jìn)而提高產(chǎn)品的心部機(jī)械性能，尤其是心部低溫沖擊性能，淬火時(shí)采用水冷或采用3%～5%PAG 淬火介質(zhì)有效淬透層深度達(dá)到97.5mm 以上。

⑵普通成分42CrMo4 鍛件，在淬火時(shí)采用水冷較采用3%～5%PAG 淬火介質(zhì)，產(chǎn)品表層得到的低溫沖擊韌性有明顯改善，但隨著取樣位置加深，兩種淬火介質(zhì)對低溫沖擊韌性的影響相差不大。

⑶普通成分材料制造的42CrMo4 軸承鍛件壁厚較大時(shí)，采用水冷和3%～5%PAG 淬火介質(zhì)處理時(shí)，隨著距熱處理表面距離的增加，組織中回火索氏體含量逐漸減少，且當(dāng)鍛件壁厚較大時(shí)，心部金相組織中會有較多的鐵素體+珠光體含量。水淬冷速較快，在實(shí)際生產(chǎn)中需要防范產(chǎn)品淬火開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

⑷采用A-2 特定的化學(xué)成分原材料，淬火時(shí)采用水冷或者3%～5%PAG 淬火介質(zhì)，可以制造出滿足產(chǎn)品高強(qiáng)度、高低溫沖擊韌性的高性能42CrMo4風(fēng)電軸承鍛件。