銷軸熱處理工藝改進

江漢石油管理局第四機械廠熱處理分廠（湖北 434024）閔艷平 朱嘉筠

銷軸是我廠生產的低溫ZJ40CZ鉆機上的關鍵零件，由于該鉆機是客戶向我廠訂購用于出口到俄羅斯的石油鉆采設備，對材料的低溫沖擊吸收能量要求高，銷軸材料為40CrNiMo，主要化學成分見表1，熱處理調質后技術要求見表2。

表1 40CrNiMo銷軸化學成分（質量分數） （%）

表2 40CrNiMo銷軸調質后技術要求

1.原生產工藝

工藝流程為：下料→機加工→調質→機加工→鍍鋅→成品，按原材料批次號，每批次中選一件，按φ80mm×334mm下料，其中有加長110mm作為試件，熱處理調質后將試件鋸下，在試件上距表面20mm處取3個10mm×10mm×5mm的沖擊試樣。同一批次，連續兩爐銷軸經調質（調質工藝為870℃×3h，油冷，600℃×4h回火后水冷）后，其硬度符合技術要求，但低溫沖擊吸收能量不達標，故對該材料工藝參數進行探究。

2.試驗方法

以同批次材料鋸多個φ80mm×334mm的原料作為試驗對象，通過選擇不同的熱處理工藝參數，測試試塊調質后的硬度和力學性能，選擇試驗數據的平均值作為該次試驗的數據結果。淬火加熱保溫在RJX-75-9箱式爐進行，回火在RJ-75-6井式回火爐進行，硬度用布氏硬度計檢測，沖擊試塊上開V型缺口，沖擊值在我廠計量檢測中心的夏比沖擊試驗機上進行。按上述材料試棒和試驗設備，對銷軸產品淬火和回火加熱溫度和保溫時間4個工藝參數進行了試驗研究。

3.淬火、回火加熱溫度和保溫時間試驗

40CrNiMo鋼中的合金元素鉻和鉬是強碳化物形成元素，淬火加熱時必須有較高的溫度，才能使碳化物完成溶解和合金元素的均勻化。該材料奧氏體化溫度為830℃，因此將淬火溫度定為860℃。淬火保溫時間根據銷軸有效厚度和裝爐量及熱處理爐升溫速度綜合考慮，保溫時間定為3h。對于淬火冷卻介質的選擇，我們決定通過試驗來確定。選取2組試棒，將試棒加熱到860℃保溫4h，出爐后以不同方法進行冷卻，試驗及結果見表3。

表3 40CrNiMo淬火熱處理參數試驗及結果

從以上結果可知，該材料熱處理淬火工藝為860℃×3h，油冷。

我們選取4組試棒，對其進行860℃×3h，油冷淬火后，分別在560℃、580℃、600℃、620℃4種溫度下保溫4h水冷回火后，對其進行硬度檢測和力學性能檢測，其熱處理及性能見表4。

表4 熱處理及性能

從以上結果可知：5號工藝的低溫沖擊吸收能量最佳，硬度也符合技術要求。

4.分析與討論

通過上述試驗，可知在560～630℃這一溫度范圍回火時，隨著回火溫度提高，硬度值和強度值逐漸降低，但是產品低溫沖擊吸收能量先增加，到580℃沖擊吸收能量達最大值，然后沖擊吸收能量逐漸降低。

由于該材料淬透性好，在淬火時產生的內應力很大，一次回火后，內應力消除還不徹底，通過兩次回火后內應力基本上已消除，故沖擊吸收能量在第二次回火后會有所提升。

對于淬火保溫時間的確定，經驗公式t=aKD（t：加熱時間；a：加熱系數；K：工件裝爐系數；D：工件有效厚度），該產品加熱系數為0.5，裝爐系數為2，產品有效厚度為80mm，按公式計算t=80min，但實際我們保溫3h，實際保溫時間要考慮如設備功率、加熱速度、爐溫均勻度、產品形狀、產品架重量、產品裝爐量等諸多因素。

對于淬火溫度的選擇，40CrNiMo的Ac3為774℃，理論上是將亞共析鋼加熱到Ac3+（30～50）℃，保溫一段時間使之奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度快冷到Ms以下進行馬氏體轉變，故該材料淬火溫度應為800～820℃，但實際我們定的溫度為860℃，主要考慮到合金元素完全溶解和均勻化要求。因此，一些定義和公式只能作為參考，具體參數還要以實際情況和材料牌號綜合考慮。

5.結語

（1）銷軸合理的熱處理工藝為860℃×3h，油冷+580℃×4h，水冷。相同溫度兩次回火，熱處理后，試樣硬度低溫沖擊吸收能量均符合技術要求。到目前為止，我分廠按該工藝生產了大量合格產品。

（2）40CrNiMo銷軸不適合水冷，由于水冷時冷卻速度過大，內應力也過大，容易產生裂紋。

（3）我廠銷軸是下料件，如果原材料為正火狀態，可省去調質前正火工序。如果是鍛件，調質前需增加一道正火工藝，細化晶粒，消除內應力，為后續調質做組織準備，可進一步提高其低溫沖擊性能。