淬火工藝對42CrMo鋼刀轂淬硬層深度及力學性能的影響

姜 影, 杜水明, 黃俏梅, 沈子達, 游 菲

(株洲中車天力鍛業有限公司, 湖南 株洲 412001)

近年來,國家在大力發展基礎建設,盾構機作為專門用于隧道工程的大型、高科技綜合施工設備被廣泛應用。盾構機是通過刀具、刀盤對土方進行切削,刀具與土體的適應程度至關重要,刀盤機構、刀具類型的選擇等直接影響盾構機的工作效率、工程進程及工程的經濟效益。刀轂作為刀具配套零部件,需要實現刀轂能夠多次反復使用和裝配[1-4],經濟性和質量也是關鍵考量因素。行業中42CrMo鋼作為刀轂的原材料被廣泛應用,但常規42CrMo鋼材料,在進行常規850 ℃淬火、采用油做為淬火介質時,容易出現淬火不硬、硬度不均勻等問題。硬度偏低及不均勻導致刀圈和刀轂間過盈量大或過小,容易使刀圈崩塊、斷裂、位移導致脫落,對盾構工程施工的安全性、可靠性和經濟性有著重要影響。本文主要針對42CrMo鋼制造的刀轂,對不同淬火介質制定不同淬火溫度,研究其對刀轂用鋼42CrMo淬透性及力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗材料為42CrMo鋼刀轂,工件如圖1所示,刀轂最大有效厚度為49.5 mm。采用產品本體進行試驗,產品熱處理后技術要求:硬度為38～42 HRC,淬透層深度≥6 mm(硬度≥38 HRC)。測得刀轂化學成分如表1所示。

表1 刀轂的化學成分(質量分數,%)

采用熱膨脹法大致測得Ac1=730 ℃,Ac3=780 ℃。

采用圖1所示刀轂進行試驗,熱處理試驗設備為多用爐,同等油溫條件下,試驗流程為將試樣分別加熱至850、870、890 ℃,保溫2 h后放在不同冷卻介質中冷卻,淬火介質A、B、C為不同淬火介質廠家的淬火油,其中冷卻速度A

2 結果及討論

2.1 拉伸性能

圖2為不同淬火介質下42CrMo鋼刀轂的抗拉強度。由圖2可知,當淬火溫度為850 ℃時,不同淬火介質下抗拉強度順序為A

圖2 不同淬火介質、淬火溫度下刀轂的抗拉強度Fig.2 Tensile strength of the cutter cub under different quenching media and quenching temperatures

圖3為不同淬火介質下42CrMo鋼刀轂的伸長率。由圖3可知,不同淬火介質、淬火溫度下的伸長率為12%～15%。綜合對比抗拉強度和伸長率,淬火溫度為870 ℃、淬火介質為D下試樣的拉伸性能最優。

圖3 不同淬火介質、淬火溫度下刀轂的伸長率Fig.3 Elongation of the cutter cub under different quenching media and quenching temperatures

2.2 淬透性分析

不同淬火介質下試樣的硬度如圖4所示,淬透層深度如表2所示,淬火溫度在850 ℃時,A、B、C 3種油性淬火介質下的試樣淬透層深度都在1.5 mm,距表面10 mm范圍內的硬度差異不大,水溶性淬火介質D試樣淬透層深度達到6.0 mm,整體硬度高于A、B、C 3種介質,滿足客戶需求,由此可知,當淬火溫度為850 ℃時,淬火介質成為產品淬硬層深度增加的關鍵;當淬火溫度為870 ℃時,當淬火介質從A到D變化,刀轂的淬透層深度增加,整體硬度A

表2 不同淬火介質、淬火溫度下刀轂的淬透層深度(mm)

圖4 不同淬火介質、淬火溫度下刀轂的硬度Fig.4 Hardness of the cutter cub under different quenching media and quenching temperatures(a) 850 ℃; (b) 870 ℃; (c) 890 ℃

一般來講,同等油溫及攪拌條件下,隨著淬火溫度的升高,材料過冷度增加,其淬透性應呈上升趨勢,但冷卻介質A的冷卻速度過低,淬火溫度的升高不足以使馬氏體的快速轉變,從而其淬透層深度無明顯增加。隨著冷卻介質從A到D變化,冷卻速度增加,其淬透層深度在逐步提升。同時,隨著淬火溫度的升高,晶粒長大,組織粗化,從而影響材料的淬透性[8-11]。采用D作為淬火介質時,890 ℃下試樣組織為粗大板條馬氏體+殘留奧氏體的混合組織(如圖5(a)所示),工件未達到產品技術要求,力學性能無明顯提升;采用D作為淬火介質時,870 ℃下試樣組織為馬氏體+貝氏體+殘留奧氏體的混合組織(如圖5(b)所示),冷卻速度越快,過冷度越大,使得奧氏體快速轉變為馬氏體組織,冷卻后獲得較多細小、均勻的馬氏體組織以及較少量的殘留奧氏體[9],隨著淬火溫度的升高,淬硬層深度呈現上升趨勢,同時由于冷卻速度過大,產品出現崩角現象。當選擇冷卻速度較大的淬火介質時,淬火溫度的選擇也成為產品是否滿足要求的關鍵。同時,其偏析情況有所改善,硬度均勻性有所提升。由此可知淬火溫度的選擇應結合淬火介質的選擇進行。

2.3 不同碳勢對性能的影響

表3為A淬火介質下不同碳勢、淬火溫度所測得的刀轂性能。結果表明,淬火溫度在850 ℃到870 ℃時,相同淬火溫度下,碳勢提高到0.6%時,淬硬層深度呈現上升趨勢,硬度也隨著碳勢的提高而升高,且拉伸強度也隨之提升;碳勢為0.6%時,隨淬火溫度升高,抗拉強度呈下降趨勢,淬硬層深度先升高后降低,870 ℃的淬硬層深度達到10.0 mm,試樣硬度整體高于850、890 ℃。一般認為,提高表面產品表面碳勢,同等淬火溫度條件下,隨著碳含量的增加,奧氏體化程度增加,產品過冷度增加,會適當增加材料的淬透性,但對固定材料來說,增加的效果并不如增加冷卻速度的變化明顯[12-14]。

表3 不同碳勢下刀轂性能及淬硬層深度實測結果

3 結論

1) 當冷卻介質從A到D變化時,42CrMo鋼刀轂的拉伸性能呈現整體上升的趨勢。

2) 當淬火溫度為850 ℃時,淬火介質為A、B時,工件淬透層深度為1.5 mm,采用淬火介質D時,刀轂的拉伸性能最好,淬透層深度可達到6.0 mm。

3) 當淬火溫度為870 ℃時,采用C介質對試樣進行淬火,淬透層深度滿足客戶要求。

4) 當淬火介質固定及碳勢為0.6%時,隨著淬火溫度的升高,刀轂淬透層深度先上升后下降,抗拉強度呈現下降趨勢,屈服強度及伸長率呈現上升趨勢。