傳統(tǒng)起重機(jī)車輪熱處理工藝一般是先經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后再進(jìn)行表面淬火,但是由于表面淬火硬度過(guò)渡層不好控制,容易剝落和輪緣磨損嚴(yán)重,經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作后,在交變應(yīng)力的作用下,起重機(jī)車輪踏面容易產(chǎn)生裂紋或突然斷裂,導(dǎo)致疲勞失效,嚴(yán)重影響起重機(jī)車輪的質(zhì)量和使用壽命。
一、工藝分析
鑄鋼與鍛鋼相比,具有對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)、材料利用率高、價(jià)格低廉、加工周期短等優(yōu)點(diǎn),但鑄鋼鑄態(tài)組織晶粒粗大,有魏氏組織和成分偏析等很多不可避免的缺陷,對(duì)熱處理工序產(chǎn)生不利的影響。魏氏組織的存在使鑄鋼的塑性,特別是沖擊韌度下降,因此鑄鋼件需要在淬火前進(jìn)行熱處理以消除魏氏組織。組織晶粒粗大,容易在淬火時(shí)產(chǎn)生開(kāi)裂,必須在淬火前進(jìn)行退火或正火處理,為細(xì)化晶粒和淬火作組織準(zhǔn)備。圖1為ZG50SiMn鋼直接調(diào)質(zhì),用4%硝酸酒精溶液腐蝕后的魏氏組織。
圖1 ZG50SiMn鋼魏氏組織
ZG50SiMn鋼屬于低合金鋼中的硅錳鋼,化學(xué)成分見(jiàn)表1。Si與Mn的配合使用,可以有效地減少M(fèi)n元素對(duì)晶粒粗化的影響;Si、Mn均能固溶于鐵素體中,起到固溶強(qiáng)化的作用,使鋼的強(qiáng)度和硬度上升。Si、Mn均能穩(wěn)定過(guò)冷奧氏體,使C曲線向右移,顯著提高鋼的淬透性。Si、Mn元素有促進(jìn)雜質(zhì)元素偏聚的作用,促進(jìn)回火脆性的發(fā)生。
表1 ZG50SiMn化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
JB/T 6392—2008《起重機(jī)車輪》中對(duì)熱處理的技術(shù)要求如下:1)熱處理車輪表面狀態(tài)應(yīng)符合不同直徑車輪的熱處理技術(shù)要求,見(jiàn)表2。
表2 不同直徑車輪的熱處理技術(shù)要求
2)車輪內(nèi)部質(zhì)量要求:對(duì)于鑄造車輪其質(zhì)量應(yīng)符合JB/T 5000.14—2007中2級(jí)要求。3)車輪踏面和輪緣內(nèi)側(cè)表面硬度:車輪踏面和輪緣內(nèi)側(cè)表面硬度檢驗(yàn)時(shí),用硬度計(jì)在車輪踏面上沿圓周等分測(cè)3點(diǎn),其中2點(diǎn)硬度達(dá)到技術(shù)要求,即為合格。當(dāng)某檢測(cè)點(diǎn)的硬度值不符合要求時(shí),沿該點(diǎn)的軸線方向加測(cè)2點(diǎn),如該2點(diǎn)硬度均達(dá)到技術(shù)要求即為合格。4)淬硬層深度的要求:測(cè)定淬硬層深度時(shí),先將車輪切割開(kāi)(用氣割時(shí)為了消除熱影響區(qū),加工余量至少為20mm),再加工成徑向剖面試樣。從踏面(見(jiàn)圖2)開(kāi)始用硬度計(jì)沿徑向每隔3~5mm測(cè)1點(diǎn),測(cè)出硬度≥260HBW處的深度,即為淬硬層深度。
圖2 踏面淬硬層硬度試驗(yàn)
二、試驗(yàn)方法
本文研究的對(duì)象為山東石橫特鋼集團(tuán)有限公司使用的冶金專用起重機(jī)鑄造車輪,如圖3所示,材質(zhì)為ZG50SiMn鋼,化學(xué)成分見(jiàn)表3,車輪結(jié)構(gòu)尺寸為φ800mm×150mm,重量為416kg,圖樣要求踏面處硬度300~380HBW,距踏面20mm處的硬度≥260HBW。車輪粗車后用于本試驗(yàn)。
圖3 起重機(jī)鑄造車輪
表3 ZG50SiMn鋼車輪的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
采用芯軸保護(hù)內(nèi)孔的方法進(jìn)行裝爐,將車輪平放到焊有底盤的工裝上,工裝如圖4所示。用黏土和石棉繩將內(nèi)孔與芯軸之間的縫隙密封,上部用端蓋壓緊。
圖4 車輪內(nèi)孔芯軸保護(hù)工裝
由于車輪調(diào)質(zhì)+表面淬火的熱處理工藝容易產(chǎn)生很多質(zhì)量問(wèn)題,直接淬油時(shí),容易出現(xiàn)淬火硬度軟點(diǎn)、硬度偏低等情況;直接水淬時(shí),此材料的開(kāi)裂傾向較大。因此,采用退火+淬火(水淬油冷)+中溫回火的熱處理工藝,水淬油冷也叫雙液淬火,即把奧氏體化的零件放入冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)中,冷卻到Ms點(diǎn)附近,再立即轉(zhuǎn)移到冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變。最常用的方法就是水淬油冷,水淬油冷的優(yōu)點(diǎn)就是能把兩種冷卻能力不同的介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái),揚(yáng)長(zhǎng)避短,既保證了淬火質(zhì)量,又減少了淬火應(yīng)力,在很大程度上防止了變形和淬火開(kāi)裂。鑄鋼件加熱時(shí),為了避免過(guò)大的熱應(yīng)力,應(yīng)該控制工件的裝爐溫度和加熱速度,因此確定在爐溫350℃以下裝爐,控制升溫速度≤250℃/h。退火830℃×3h,爐冷;淬火840℃×2h,水冷40s,油冷15min;回火490℃×4h,水冷,入爐溫度≤350℃,升溫速度≤250℃/h,工藝曲線如圖5所示。
圖5 起重機(jī)車輪熱處理工藝曲線
1)保溫。工件加熱到溫后,應(yīng)保溫一定的時(shí)間,根據(jù)有效厚度、裝爐系數(shù)計(jì)算出保溫時(shí)間為2h,使工件透熱,以保證工件奧氏體化完全。2)冷卻。水淬油冷,如果工件在水中冷卻時(shí)間過(guò)短,轉(zhuǎn)移過(guò)程中奧氏體可能發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變,出現(xiàn)軟點(diǎn),或淬不上火的現(xiàn)象。如果水冷時(shí)間過(guò)長(zhǎng),零件在未轉(zhuǎn)移到油中就發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變,失去了水淬油冷的意義,增大了工件開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),確定水冷時(shí)間在40~50s,油冷15min。3)回火。根據(jù)圖樣的硬度要求,將溫度定在中溫回火區(qū)間的470~510℃,保溫足夠的時(shí)間,使馬氏體組織分解完全,消除淬火應(yīng)力。根據(jù)有效厚度、回火溫度、裝爐系數(shù),確定回火保溫時(shí)間為4h。由于此材料具有回火脆性,因此回火后采取快冷的冷卻方式,即水冷。
三、試驗(yàn)結(jié)果
對(duì)熱處理后的起重機(jī)車輪進(jìn)行了超聲波、硬度和淬硬層深度的檢測(cè),并且檢測(cè)了車輪踏面的金相組織。對(duì)熱處理后的車輪內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),即對(duì)輪輞進(jìn)行超聲波檢測(cè),內(nèi)部質(zhì)量符合JB/T 5000.14—2007中2級(jí)要求。將車輪踏面外圓圓周等分3點(diǎn),選取踏面及輪緣內(nèi)側(cè)進(jìn)行硬度測(cè)試,實(shí)測(cè)硬度情況見(jiàn)表4。
表4 車輪踏面及輪緣硬度情況
根據(jù)JB/T 6392—2008《起重機(jī)車輪》要求,對(duì)車輪進(jìn)行破壞性試驗(yàn),將車輪刨開(kāi),加工成徑向剖面試樣,如圖6所示,進(jìn)行淬硬層深度檢測(cè),從車輪踏面開(kāi)始每隔10mm檢測(cè)一組硬度點(diǎn),選取硬度試驗(yàn)點(diǎn)分布情況如圖7所示,并將硬度情況進(jìn)行記錄匯總,見(jiàn)表5。
圖6 淬硬層深度破壞性試驗(yàn)實(shí)物
圖7 硬度檢測(cè)點(diǎn)
表5 淬硬層深度硬度分布 (HBW)
在踏面處取樣進(jìn)行金相組織觀察,用4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察組織為回火屈氏體,如圖8所示。屈氏體具有高的彈性極限與屈服強(qiáng)度,同時(shí)又有足夠的韌性和塑性。對(duì)于450~500℃回火,也是本材料疲勞極限出現(xiàn)最大值的回火溫度區(qū)間。
圖8 ZG50SiMn鋼車輪淬火+中溫回火顯微組織(500×)
以上數(shù)據(jù)表明,因?yàn)榇慊饡r(shí)水淬時(shí)間較短,輪緣及踏面部位水冷強(qiáng)烈,所以心部來(lái)不及冷卻就轉(zhuǎn)到了冷卻緩慢的淬火油中,形成一定的硬度梯度。車輪硬度在同一深度,不同位置比較一致,從踏面往里,硬度成梯度逐漸降低,具有較厚的淬硬層,使踏面有較好的耐磨性。由于硬度呈梯度分布,過(guò)渡均勻,使心部具有較好的韌性,金相組織均勻,因此水淬油冷熱處理工藝能達(dá)到ZG50SiMn鋼起重機(jī)車輪的圖樣硬度設(shè)計(jì)要求,具有良好的使用性能。
四、結(jié)束語(yǔ)
1)水淬油冷熱處理工藝能達(dá)到起重機(jī)車輪圖樣硬度設(shè)計(jì)要求和國(guó)標(biāo)使用要求。2)起重機(jī)車輪踏面硬度層呈梯度分布,使踏面有較好的耐磨性,心部有較好的韌性,減少了脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn),有利于延長(zhǎng)車輪的使用壽命。3)水淬油冷熱處理工藝對(duì)設(shè)備條件要求低,淬火冷卻介質(zhì)來(lái)源廣泛,價(jià)格低廉,工藝操作簡(jiǎn)單,簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程。4)起重機(jī)車輪整體水淬油冷熱處理工藝可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的調(diào)質(zhì)+表面淬火工藝。
作者:張淑杭
單位:山東石橫特鋼集團(tuán)有限公司
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