大型铸锻件

大型铸锻件(共2篇)

大型铸锻件（一）:

42CrMo的临界冷却速度大概是多少?

调质热处理工艺参数的优化
褚锦辉1 刘时雨2
(1. 第一重型机械集团公司有限公司冶金科; 2. 第一重型机械集团公司冶金研究所,黑龙江161042)
摘要:对42CrMo高硬度支重轮的调质热处理工艺进行了优化.降低淬火温度,冷却方式为水淬油冷.用
优化工艺处理的支重轮综合性能更加优良.
关键词: 42CrMo;电铲支重轮;热处理;工艺
中图分类号: TF124. 8 + 3 文献标识码:B
The Op timization of Quenching and Tempering
Process Parameter for 42CrMo High Hardness ThrustWheel
Chu J inghui, L iu Sh iyu
Abstract: The quenching and tempering p rocess for 42CrMo high hardness thrustwheel has been op timized by de2
creasing the quenching humidity and using the water2quenching and oil2cooling as cooling method. And the combined
p roperty of thrustwheel after treated by op timized p rocess has been better.
Key words: 42CrMo; electric thrustwheel; heat treatment; technology
1 前言
中国一重集团与美国P&H公司合作,先后为
平朔、准格尔制造了十余台矿用电铲,所提供的设
备最大铲斗容量已达到35 m3.经过十几年的检
验,矿用挖掘设备的各项性能指标达到了国外同
类产品的先进水平,目前正在制造58 m3 电铲.
2300XP挖掘机电铲是一重公司与美国P&H
公司先期合作项目,该产品主要用于大型露天煤
矿生产.由于电铲在大型露天煤矿作业,工作温
度随季节变化较大,运行时支重轮承受着机器及
装载物的重量,并与高锰钢履带板上下接触、摩
擦,其工作条件极其苛刻,所以支重轮要求具有高
的表面硬度、好的基体强度、较好的综合性能和低
温韧性.支重轮国外公司材料代号120,相当于
国内材料42CrMo,但国外该材料性能远高于国内
标准,所以按以往国内生产经验虽然可以达到图
纸技术要求,但其综合性能较差,影响到工件的使
用性能和寿命.本文以2300XP挖掘机电铲支重
轮为例,进行热处理工艺参数优化.
2 23 m3 电铲42CrMo高硬度支重轮生产情况简介
42CrMo材料支重轮的化学成分见表1,调质
前粗加工基本尺寸见图1,临界温度见表2.生产
收稿日期: 2007—01—04
工序为炼钢→模锻→粗加工→调质热处理→精加
工.调质热处理后技术要求硬度达352 ～
402HBS.
表1 42CrMo材料化学成分(质量分数, %)
Table 1 The chem ica l composition
of 42CrMo (ma ss fraction, %)
C Si Mn Cr P S
含量
0. 38～
0. 45
0. 17～
0. 37
0. 50～
0. 90
0. 80～
1. 2
≤
0. 035
≤
0. 035
图1 支重轮基本尺寸
Figure 1 The basic size of thrustwheel
表2 42CrMo材料临界温度( ℃)
Table 2 The cr itica l hum id ity of 42CrMo ( ℃)
临界点AC1 AC3 Ms
温度730 780 310
由图1算出支重轮热处理有效截面尺寸为
300 mm左右,由此计算出热处理升温速度以及保
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No. 4 《大型铸锻件》
July 2007 HEAVY CASTING AND FORGING
持、高温保温、淬火冷却和回火保温时间.由表2
大致推算出42CrMo 材料理论调质高温温度为
810～830 ℃,淬火冷却终冷温度要低于300 ℃.
考虑到支重轮的有效截面较大,内部偏析不可避
免,为使支重轮负偏析区达到淬火温度,以适应由
偏析引起的各部位不同的转变特性,加之使用煤
气台车炉生产,所以支重轮的实际淬火高温温度
选用了840～870 ℃.
3 42CrMo高硬度支重轮工艺参数的优化
3. 1 42CrMo高硬度支重轮热处理调质工艺
开始生产时,投产了3炉次支重轮用钢,具体
化学成分见表3.为摸索热处理生产数据,随炉
投制了一些性能试料,试料随支重轮一起在台车
式煤气热处理炉进行热处理.根据以往的生产经
验,调质热处理采用了图2所示工艺参数.
图2 支重轮热处理工艺参数
Figure 2 The heat treatment p rocess
parameter of thrustwheel
表3 42CrMo材料实际化学成分(质量分数, %)
Table 3 The actua l chem ica l composition
of 42CrMo (ma ss fraction, %)
炉次C Si Mn Cr Mo
1
2
3
0. 43
0. 43
0. 38
0. 19
0. 31
0. 21
0. 75
0. 89
0. 75
0. 85
1. 04
0. 85
0. 22
0. 16
0. 25
图2中, 650～670 ℃中间保持的目的是: (1)
减小锻件内外温差,为高温相变作准备,使相变在
锻件的整个截面上均匀进行,可以避免产生较大
的组织应力; ( 2)减少高温均温时间.大锻件截
面较大,工件吸热量很大,不采用中间保持时,将
因高温阶段不易达到较大的加热速度而延长锻件
在高温的停留时间,造成较大的氧化和晶粒长大,
反之采用中间保持能克服这个缺点.(3)低温阶
段支重轮处于弹性状态,过高的温差易造成过大
的热应力而导致工件开裂.经中间保持后,锻件
表面和心部的温差基本消失,这时锻件心部的温
度较高,已处于塑性状态,所以这时继续升温可采
用较高的升温速度.即使这时会产生第二个温
差,对锻件也不会产生更大的危害.
均温完成后进入保温阶段.保温作用是使工
件心部温度也达到加热温度,并完成奥氏体转变.
由于工件有效截面较大,过快的冷却速度会产生
过大的热应力和组织应力引起开裂,所以采用油
冷却淬火,使奥氏体尽可能多的完全转变为马氏
体组织.
200～250 ℃低温保温目的是减小表面与心
部的温差,使心部过冷奥氏体组织继续转变.
回火目的是消除和降低淬火冷却过程中产生
的内应力,同时获得稳定的回火组织,达到图纸要
求的力学性能指标.
用上述工艺参数共处理了3个炉次、12件产
品.经检验,所有产品表面硬度都较低,无法满足
图纸要求.随炉性能热处理试样的检查结果见表
4.
表4 42CrMo材料支重轮试样热处理后力学性能
Table 4 The mechan ica l property of 42CrMo
thrust wheel sampling after hea t trea tmen t
Re /MPa Rm /MPa A (%) Z (%) Aku /J HBS
980
1 025
1 005
975
1 090
1 135
1 120
1 085
12
12. 5
13
13
45
47
45
43. 5
26
25
23
29
335
345
340
332
图3 支重轮热处理工艺参数
Figure 3 The heat treatment p rocess
parameter of thrustwheel
为提高支重轮热处理硬度及增大淬硬层,我
们适当提高了淬火温度,并降低回火温度,冷却仍
采用油循环冷却;具体参数见图3.经图3工艺
共处理了两炉次共18件产品,经检查硬度在352
～402HBS之间.可以看出经图3工艺热处理后,
表面硬度可以满足图纸要求,但支重轮硬度不均,
硬度差偏大.究其原因是热处理温度不均造成
的.热传递是一种复杂的物理现象,它分为传导、
对流和辐射三种基本形式,而低温阶段热传递主
要是传导、对流两种形式,温度越低热传递效果越
差.所以过低的回火温度使支重轮热处理生产用
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《大型铸锻件》No. 4
HEAVY CASTING AND FORGING July 2007
台车煤气炉温度场不均,导致工件本身及件与件
之间硬度不均.随炉试样性能检验结果见表5.
表5显示出虽然支重轮强度提高,但塑性、韧性很
差,尤其是冲击韧性指标远远没达到期望值.
表5 42CrMo材料支重轮试样热处理后力学性能
Table 5 The mechan ica l property of 42CrMo
thrust wheel sampling after hea t trea tmen t
Re /MPa Rm /MPa A (% ) Z (%) Aku /J HBS
1 180
1 220
1 205
1 150
1 270
1 330
1 310
1 295
12
11. 5
12. 5
11
43
44
45. 5
45
26
29
24
23
378
396
389
385
淬透性是大锻件用钢一个极其重要的热处理
参数,在普通小截面结构钢的热处理中,淬透性是
用心部获得50%马氏体的临界直径评定的.对
大锻件来说,由于一般冷却组织是贝氏体或贝氏
体和马氏体的混合组织,所以大锻件的淬透性通
常用心部不产生铁素体而以获得贝氏体或马氏体
的临界直径来表示.端淬试验可以初步反映出大
锻件材料的淬透性.我们用两件试料进行了端淬
试验, 结果如下: 1. 6 mm 处61. 6 ～59. 6HRC;
25. 4 mm处58. 5～56. 5HRC,晶粒度5～6级,结
果看出42CrMo材料淬硬性很好,通过改进热处
理参数,可以提高其综合力学性能.
3. 2 42CrMo高硬度支重轮调质热处理工艺优化
从支重轮的使用性能考虑,图3所示工艺参
数不合理,必须加以改进.
图4为支重轮改进后的调质热处理工艺,淬
火温度为850 ～870 ℃,较图3 淬火温度略有降
低,主要为深冷快冷淬火考虑.淬火方式改为水
淬油冷.水冷的优点是冷却能力强,不需要用较
贵的淬火油,操作方便,劳动条件好,可大大改善
锻件的综合力学性能和断裂韧性,充分发挥锻件
材料的潜力.但是,由于水的冷却能力很强,造成
锻件表面和中心的冷却速度差别很大,会使锻件
截面产生较大的温差,所以大锻件采用水冷工艺
应慎重,应有规定的截面尺寸和条件.为提高支
重轮的热处理效果,其淬火工艺采用水淬油冷,以
充分利用它们各自的优点.水淬冷却速度快,对
水冷时间和工件装炉方式要求较严.水冷时间按
以往经验确定为1. 5 min /100 mm.装炉时为保
证支重轮冷却均匀,采取单层摆放.工件下部与
料盘之间垫100 mm 垫块,件与件之间留有100
mm间隙.水冷淬火时为防止支重轮端面棱角处
冷却过快,高温保温后出炉进行适当的缓冷,冷却
时间以端面尖角变灰黑色时再水冷淬火.
6炉次共58件支重轮经图4 工艺热处理后,
硬度检查全部合格,随炉试料性能结果见表6.
图4 优化支重轮热处理工艺参数
Figure 4 The p rocess parameter of
op timized heat treatment for thrustwheel
表6 42CrMo材料支重轮试样优化热处理后力学性能
Table 6 The mechan ica l property of 42CrMo thrust
wheel sampling after optim ized the hea t trea tmen t
Re /MPa Rm /MPa A (%) Z (%) Aku /J HBS
1 195
1 220
1 240
1 210
1 290
1 320
1 335
1 305
13
13. 5
12. 5
14
47
48. 5
46. 5
49
87
63
76
73
386
392
395
388
表5、表6数据对比显示,热处理工艺优化后
的支重轮的硬度满足图纸技术要求,在抗拉强度
基本不变的基础上,屈服强度、延伸率及面缩率略
有提高,韧性指标明显增加.
4 结语
42CrMo材料支重轮采用热处理优化工艺处
理后,其综合力学性能和屈强比明显提高,充分发
挥出材料的性能潜力,极大地保证了支重轮的使
用性能和使用寿命.【大型铸锻件】

大型铸锻件（二）:

不锈钢中添加的主要合金元素是什么【大型铸锻件】

铬是不锈钢都含有的元素,铬是铁素体形成元素.铬的主要作用是耐腐蚀,从图1中可以看出在钢中添加铬对腐蚀性的影响.当铬含量达到12%时,在大气环境下或在氧化性介质中铬可以自发形成一种稳定的、透明的、极薄的钝化膜来阻止腐蚀,基本上不会生锈,较高的合金含量可通过强化薄膜和快速自我修复薄膜来提高抗腐蚀性.不锈钢铬含量上限为30%.
1 铬含量对钢的大气腐蚀的影响 (在距海边250m的海洋环境中放置52个月)
　　镍是稳定奥氏体的元素,镍可将奥氏体降低范围扩大到低温区.从图2可以看出镍的作用,在图中斜线以上所示温度下奥氏体是稳定的,在这条线以下,铁素体和马氏体都具有稳定的晶体结构.镍可提高韧性和延展性,使之更易于加工、制造和焊接,增强抗酸的腐蚀能力,保持钝化膜的能力及在腐蚀介质中的抗蚀能力.
2 加入镍对铁 铬合金的影响
　　钼可提高钝化膜的强度,增强耐局部腐蚀性,如点蚀、缝隙腐蚀,特别是在卤盐或海水中有氯离子的情况下.钼也可提高对氯化物应力腐蚀断裂的抵抗能力.利用固溶强化的方法,钼可提高奥氏体牌号的高温强度和马氏体牌号的抗回火能力.
　　锰类似于镍,当添加锰或用锰替代镍时,都会提高不锈钢的强度.
　　氮是稳定奥氏体的元素,可提高强度,在奥氏体及双相不锈钢中可增强耐点蚀及缝隙腐蚀能力并减少金属间相(σ)在高温或焊接时析出的机会.
　　钛、铌能优先与碳和氮结合形成碳化物和氮化物,改善高温强度性能并阻止铬的碳化物的形成,防止晶间腐蚀.铌可提高高温蠕变断裂强度.
硅、铝可改善抗氧化性能,硅还可阻改善铸造特性.
　　铜可提高对稀酸特别是对硫酸的抗酸能力,加入3%～4%铜具的低的加工硬化率,易于成形.析出铜离子化有灭菌作用.
　　硫、硒和铅可改善机械切削性能,但会降低耐腐蚀能力.
铈、镱、镧可提高抗氧化性. 　　空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种铁基高合金钢,不锈钢是具有美观的表面和耐腐蚀性能好,不必经过镀色等表面处理,而发挥不锈钢所固有的表面性能,使用于多方面的钢铁的一种,通常称为不锈钢.从金相学角度分析,因为不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜,这个膜隔离开与钢内侵入的氧气起耐腐蚀的作用.为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性,钢必须含有12%以上的铬.
　　不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其表面上富铬氧化膜（钝化膜）的形成.这种不锈性和耐蚀性是相对的.试验表明,钢在大气、水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中,其耐蚀性随钢中铬含水量的增加而提高,当铬含量达到一定的百分比时,钢的耐蚀性发生突变,即从易生锈到不易生锈,从不耐蚀到耐腐蚀.
　　实际上工业上应用的不锈钢都是同时存在几种以至十几种元素的,当几种元素共存于不锈钢这一个统一体中时,它们的影响要比单独存在时复杂得多,因为在这种情况下不仅要考虑各元素自身的作用,而且要注意它们互相之间的影响,因此不锈钢的组织决定于各种元素影响的总和.
　 1、铬在不锈钢中的决定作用：决定不锈钢性属的元素只有一种,这就是铬,每种不锈钢都含有一定数量的铬.铬之所以成为决定不锈钢性能的主要元素,根本的原因是向钢中添加铬作为合金元素以后,促使其内部的矛盾运动向有利于抵抗腐蚀破坏的方面发展.这种变化可以从以下方面得到说明： ①铬使铁基固溶体的电极电位提高 ②铬吸收铁的电子使铁钝化 　　钝化是由于阳极反应被阻止而引起金属与合金耐腐蚀性能被提高的现象.构成金属与合金钝化的理论很多,主要有薄膜论、吸附论及电子排列论.
2、镍在不锈钢中的作用是在与铬配合后才发挥出来的 　　镍是优良的耐腐蚀材料,也是合金钢的重要合金化元素.镍在钢中是形成奥氏体的元素,但低碳镍钢要获得纯奥氏体组织,含镍量要达到24％；而只有含镍27％时才使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变.所以镍不能单独构成不锈钢.但是镍与铬同时存在于不锈钢中时,含镍的不锈钢却具有许多可贵的性能. 　　基于上面的情况可知,镍作为合金元素在不锈钢中的作用,在于它使高铬钢的组织发生变化,从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改善.
3、碳在不锈钢中的两重性： 　　碳是工业用钢的主要元素之一,钢的性能与组织在很大程度上决定于碳在钢中的含量及其分布的形式,在不锈钢中碳的影响尤为显著.碳在不锈钢中对组织的影响主要表现在两方面,一方面碳是稳定奥氏体的元素,并且作用的程度很大（约为镍的30倍）,另一方面由于碳和铬的亲和力很大,与铬形成-系列复杂的碳化物.所以,从强度与耐腐烛性能两方面来看,碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的.认识了这一影响的规律,我们就可以从不同的使用要求出发,选择不同含碳量的不锈钢.在不锈钢高温应用环境下,较高C含量容易引起不锈钢的敏化,造成不锈钢的高温强度下降,在高温环境下,必须保证不锈钢中的碳含量较低或者添加Ti、Nb等元素来防止晶间腐蚀.
4、氮在不锈钢中的作用：
　　氮在钢中的作用也是稳定奥氏体,并且作用的程度比镍还要大.例如,欲使含18％铬的钢在常温下获得奥氏体组织,以锰和氮代镍的低镍不锈钢与元镍的铬锰氮不诱钢,目前已在工业中获得应用,有的已成功地代替了经典的18-8铬镍不锈钢.与碳相同,氮与铬形成-系列复杂的碳化物,容易造成不锈钢的晶间腐蚀.
5、锰和可以代替铬镍不锈钢中镍 　　铬镍奥氏体钢的优点虽然很多,但近几十年来由于镍基耐热合金与含镍20％以下的热强钢的大量发展与应用,以及化学工业日益发展对不锈钢的需要量越来越大,而镍的矿藏量较少且又集中分布在少数地区,因此在世界范围内出现了镍在供和需方面的矛盾.所以在不锈钢与许多其他合金领域（如大型铸锻件用钢、工具钢、热强钢等）中,特别是镍的资源比较缺乏的国家,广泛地开展了节镍和以其他元素代镍的科学研究与生产实践,在这方面研究和应用比较多的是以锰和氮来代替不锈钢与耐热钢中的镍. 锰对于奥氏体的作用与镍相似,锰在钢中稳定奥氏体的作用约为镍的二分之一. 6、不锈钢中加钛或铌是为了防止晶间腐蚀. 7、钼和铜可以提高某些不锈钢的耐腐蚀性能. 8、其他元素对不锈钢的性能和组织的影响 　　以上主要的九种元素对不锈钢的性能和组织的影响,除这些元素对不锈钢性能与组织影响较大的元素以外,不锈钢中还含有一些其他的元素.有的是和一般钢一样为常存杂质元素,如硅、硫、磷等．也有的是为了某些特定的目的而加入的,如钴、硼、硒、稀土元素等.从不锈钢的耐腐蚀性能这一主要性质来说,这些元素相对于已讨论的九种元素,都是非主要方面的,虽然如此,但也不能完全忽略,因为它们对不锈钢的性能与组织同样也发生影响. 　　硅是形成铁素体的元素,在一般不锈钢中为常存杂质元素. 　　钴作为合金元素在钢中应用不多,这是因为钴的价格高及其在其它方面（如高速钢、硬质合金、钴基耐热合金、磁钢或硬磁合金等）有着更重要的用途.在一般不锈钢中加钴作合金元素的也不多,常用不锈钢如9Crl7MoVCo钢（含1.2-1.8％钴）加钴,目的并不在于提高耐腐蚀性能而在于提高硬度,因为这种不锈钢的主要用途是制造切片机械刃具、剪刀及手术刀片等. 　　硼：高铬铁素体不锈钢Crl7Mo2Ti钢中加0．005％硼,可使在沸腾的65％醋酸中的耐腐蚀性能提高.加微量的硼（0.0006~0.0007％）可使奥氏体不锈钢的热态塑性改善.少量的硼由于形成低熔点共晶体,使奥氏体钢焊接时产生热裂纹的倾向增大,但含有较多的硼（0．5~0．6％）时,反而可防止热裂纹的产生.因为当含有0．5~0．6％的硼时,形成奥氏体－硼化物两相组织,使焊缝的熔点降低.熔池的凝固温度低于半溶化区时,母材在冷却时产生的张应力,由处于液态．固态的焊缝金属承受,此时是不致引起裂缝的,即使在近缝区形成了裂纹,也可以为处于液态－固态的熔池金属所填充.含硼的铬镍奥氏体不锈钢在原子能工业中有着特殊的用途. 磷：在一般不锈钢中都是杂质元素,但其在奥氏体不锈钢中的危害性不像在一般钢中那样显著,故含量可允许高一些,如有的资料提出可达0．06％,以利于冶炼控制.
　　硫和硒：在一般不锈钢中也是常有杂质元素.但向不锈钢中加0．2~0．4％的硫,可提高不锈钢的切削性能,硒也具有同样的作用.硫和硒提高不锈钢的切削性能,是因为它们降低不锈钢的韧性.硫与硒均降低不锈钢的耐腐蚀性能,所以实际应用它们作为不锈钢的合金化元素的很少. 　　稀土元素：稀土元素应用于不锈钢,目前主要在于改善工艺性能方面.如向Crl7Ti钢和Cr17Mo2Ti钢中加少量的稀土元素,可以消除钢锭中因氢气引起的气泡和减少钢坯中的裂纹.奥氏体和奥氏体－铁素体不锈钢中加0．02~0．5％的稀土元素（铈镧合金）,可显著改善锻造性能.曾有一种含19．5%铬、23％镍以及钼铜锰的奥氏体钢,由于热加工工艺性能在过去只能生产铸件,加稀土元素后则可轧制成各种型材.
　　铬-镍奥氏体不锈钢在450～800℃温度区加热,常发生沿晶界的腐蚀破坏,称为晶间腐蚀.一般认为,晶间腐蚀是碳从饱和的奥氏体以Cr23C6形态析出.造成晶界处奥氏体贫铬所致.防止晶界贫铬是防止晶间腐蚀的有效方法.如将各种元素按与碳的亲和力大小排列,顺序为：Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn.钛..
　　本周（10月3日10月9日）伦敦LME综合镍收盘13150美元/吨,较上周下跌2075美元,库存减少786吨.本周伦镍行情单边下跌,势如破竹,盘中最低下探至12650美元,最高上摸15525美元.本周是十一国庆长假后的第一周,虽然上周五美国众议院在经过一波三折的表决后最终通过7000亿美元的援助金融..
　　不锈钢在国外已经被大量应用于建筑内外管道,一般使用两个不锈钢钢种：304 和 316.不锈钢相对其它材质管道,有以下优点： －耐腐蚀性佳 －坚固且延展性好 －易于成型和焊接 －不受水流速的限制,最大流速可达 30 米/秒 －适用于各种饮用水化学成份 －维修量小,所以寿命周期成本低..
　　409L是400系不锈钢中的典型代表,该钢种低碳含钛,并含有11％左右的Cr,一般用作耐热钢.该钢种有优秀的加工性和焊接性,拥有适当的高温特性和常温耐腐蚀性,主要用途是耐热设备的原料. 409L的特性使它广泛应用于汽车排气管部件、热交换器、耐热设备,同时也可以应用于低级西餐具,电子部件.经硬态处理过..
　　1、产品特性 LZ 30J5是利用Mn及Cu来取代Ni的节镍型奥氏体不锈钢,且具有同304钢种相近的机械性能和耐腐蚀性. 此钢种将作为普通304的替代钢种,且相比传统的304有着相近的性能和价格优势. 2、产品用途 LZ 30J5可适用下列产品用途： A. 食品加工类：餐具,厨房用具. B. 装饰类..

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