30CrNiMo8軸技術(shù)要求與熱處理工藝改進(jìn)方案

30CrNiMo8 zhóu jì shù yào qiú yǔ rè chù lǐ gōng yì gǎi jìn fāng àn 

軸是電機(jī)中一個(gè)重要零件，作為電機(jī)與設(shè)備之間機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的紐帶，支承轉(zhuǎn)動(dòng)零部件、傳遞力矩和確定轉(zhuǎn)動(dòng)零部件對(duì)定子的相對(duì)位置。因此，電機(jī)軸必須具有可靠的強(qiáng)度和剛度，以確保設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)。

我公司生產(chǎn)的30CrNiMo8軸為階梯軸如圖1所示，鍛造后需要進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)熱處理，本體機(jī)械性能要求高，并且需要進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，所以需要有良好的綜合機(jī)械性能。為保證產(chǎn)品質(zhì)量并防止淬火冷卻速度過大造成開裂，本文對(duì)30CrNiMo8材料特性，熱處理工藝開發(fā)過程進(jìn)行了簡單闡述。

30CrNiMo8軸技術(shù)要求

⑴30CrNiMo8材料化學(xué)成分見表1。

表1 30CrNiMo8主要化學(xué)成份（wt%）

⑵30CrNiMo8軸熱處理機(jī)械性能要求見表2。表2 30CrNiMo8軸熱處理后機(jī)械性能要求

1)機(jī)械性能：同一熱處理爐次，在軸連體試樣二分之一半徑處，取樣進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)。

2)硬度均勻性要求：中間位置同一圓周周向檢測四點(diǎn)（均布），硬度差值≤40HB。軸向檢測四點(diǎn)（隔100mm）如圖2所示，硬度差值≤40HB。

圖2硬度均勻性

3)硬度分布：連體試樣靠軸端橫截面徑向硬度梯度，從外圓面起，表面至心部，每10mm檢測硬度，如圖3所示。

圖3硬度分布

4)金相要求：晶粒度≥6級(jí)，級(jí)差不大于3級(jí)，組織為回火索氏體。

30CrNiMo8軸工藝分析

軸材質(zhì)為30CrNiMo8，電渣重熔方式生產(chǎn)，合金元素較多，內(nèi)部缺陷相對(duì)較少。由于30CrNiMo8軸直徑超過200mm，從電機(jī)軸調(diào)質(zhì)技術(shù)要求看，不僅有高強(qiáng)度的機(jī)械性能及-40℃的低溫沖擊，而且對(duì)表面硬度及橫截面硬度梯度有嚴(yán)格要求，同時(shí)對(duì)金相組織也有均勻性要求。淬火采用油冷卻不容易得到需要的硬度以及理想的金相組織和機(jī)械性能，淬火采用水冷雖然能夠保證淬火后的硬度，組織的均勻，但存在導(dǎo)致工件變形和開裂的風(fēng)險(xiǎn)，冷卻工藝選擇不當(dāng)極易產(chǎn)生淬火開裂。

為了解決上述矛盾，保證產(chǎn)品質(zhì)量并防止淬火冷卻速度過大造成開裂，淬火冷卻采用水淬油冷是較為理想的方案。水淬油冷是一種雙液冷卻的淬火方式，先把工件淬入冷卻能力較強(qiáng)的水中，待工件溫度降至C曲線鼻溫以下，這樣確保了過冷奧氏體不中途分解，再將零件淬入冷卻能力相對(duì)較弱的油中繼續(xù)冷卻，這樣過冷奧氏體向馬氏體組織的轉(zhuǎn)變，是在脫離了水劇烈冷卻環(huán)境轉(zhuǎn)而在油中平緩的冷卻條件下發(fā)生，可有效避免組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力與收縮應(yīng)力疊加，以防止工件過度變形和開裂。

30CrNiMo8軸熱處理工藝方案

30CrNiMo8鋼屬于德國DIN標(biāo)準(zhǔn)中一種合金結(jié)構(gòu)調(diào)質(zhì)鋼，具有較高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，同時(shí)還有足夠塑性和韌性。臨界溫度Ac3為800℃，淬火加熱溫度為Ac3+(30～70)℃。綜合考慮后，確定工藝為：正火880℃，保溫5h；淬火溫度為840～860℃，保溫時(shí)間為4～4.5h，淬火采用水淬油冷，回火溫度選擇570～620℃，回火時(shí)間的選擇不但要保證透燒使其組織轉(zhuǎn)變得以充分進(jìn)行，同時(shí)要盡量消除殘余應(yīng)力，回火時(shí)間定為4.5～5h，回火后采用水冷。

30CrNiMo8軸熱處理工藝

⑴熱處理工藝曲線如圖4、圖5所示。

圖4正火熱處理工藝曲線

圖5調(diào)質(zhì)熱處理工藝曲線

⑵30CrNiMo8軸鍛件熱處理驗(yàn)證。

1)30CrNiMo8軸鍛件粗加工后最大直徑210mm，重量250kg，淬火加熱裝爐采用料筐裝爐，淬火前啟動(dòng)循環(huán)冷卻攪拌系統(tǒng)，淬火前水溫≤39℃，油溫60～80℃。水冷時(shí)間50～60s后進(jìn)入油冷，保證淬火均勻，防止變形和開裂。回火后采用水冷，避免產(chǎn)生二類回火脆性。

2)熱處理后進(jìn)行硬度均勻性檢測和硬度分布檢測，檢測數(shù)據(jù)見表3。

表3硬度均勻性及硬度分布檢測數(shù)據(jù)

3)連體試樣R/2處取樣進(jìn)行機(jī)械性能檢測，檢測數(shù)據(jù)見表4。

表4機(jī)械性能檢測數(shù)據(jù)

⑶30CrNiMo8軸本體試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

30CrNiMo8軸本體取樣機(jī)械性能數(shù)據(jù)，表面硬度均勻性及截面硬度分布數(shù)據(jù)均達(dá)到技術(shù)要求，從總體各位置性能數(shù)據(jù)看，綜合機(jī)械性能較好，-40℃低溫沖擊值富余量較大，實(shí)物超聲波探傷檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋。對(duì)實(shí)物取樣進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，金相組織為正常回火索氏體如圖6所示，回火后晶粒細(xì)小，依據(jù)GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》，晶粒度可評(píng)為7.0級(jí)以上，如圖7所示。

結(jié)束語

30CrNiMo8材料通過采用水淬油冷方式進(jìn)行淬火，使奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變過程脫離了水劇烈冷卻環(huán)境，轉(zhuǎn)而在油中平緩的冷卻條件下發(fā)生，可有效避免組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力與收縮應(yīng)力疊加，控制工件過度變形和開裂，同時(shí)機(jī)械性能數(shù)據(jù)、硬度分布及金相組織滿足技術(shù)要求，綜合性能良好。

——來源：《鍛造與沖壓》2024年第11期

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