大型矿用挖掘机推压轴锻件热处理工艺的优化

李宏柏 翟小铁 牛玉温 张 芸 王旭颖

(太原重工股份有限公司大锻件分公司,山西 030024)

推压轴是大型矿用挖掘机上的关键零件，制造材料为40CrNi2Mo。虽然40CrNi2Mo钢热处理后的材料强度高，综合力学性能好，但由于电铲的工作环境恶劣，经常导致推压轴早期失效。我公司经过若干年的经验积累，探索出了推压轴锻件制造方法，但推压轴锻件热处理后的综合力学性能不稳定，产品合格率较低。本文针对该问题对推压轴锻件的热处理工艺进行优化，提高了产品的合格率。

1 推压轴制造工艺路线及技术要求

40CrNi2Mo材料推压轴的调质前粗加工图见图1，化学成分见表1，技术要求见表2。

推压轴的制造工序为：炼钢→锻造→粗加工→调质热处理→半精加工。

2 原热处理工艺及结果分析

2.1 原热处理工艺

原工艺淬火温度840℃，保温3.5 h，油冷。工艺曲线见图2。

表1 化学成分(质量分数，%) Table 1 Chemical composition (mass fraction,%)

表2 技术要求Table 2 Technical Requirement

图1 推压轴调质前粗加工图Figure 1 Rough machining drawing of push shaft of electric shovel before tempering and puenching

图2 原热处理工艺主要参数Figure 2 The main parameters of the original heat treatment process

图3 优化后的热处理工艺Figure 3 Heat treatment process after optimization

炉号Re /MPaRm/ MPaA5(%)Z(%)Akv(-40℃)/JHBW10-3-1810-2-4310-2-4210-2-4410-2-2110-3-269109008809059359301 0401 0101 0001 0201 03095012.5111213141746.53955.561615316.51216242626341335288316313278

表4 40CrNi2Mo材料实际化学成分(质量分数，%)Table 4 Actual chemical composition of 40CrNi2Mo (mass fraction,%)

按照图2的热处理工艺在井式炉中处理了6件推压轴，结果只有1件合格，其余5件性能都不满足技术要求。具体检验结果见表3。

2.2 不合格原因分析

表4为40CrNi2Mo材料的实际化学成分。由表4可以看出，材料的实际化学成分满足技术要求，材料的偏析程度小，从而排除了化学成分对热处理性能的影响。材料的各项性能达不到技术要求，说明材料没有充分的淬透，材料的热处理工艺不合理。

3 工艺优化

为了使工件的力学性能达到要求，对原热处理工艺进行优化，优化后的工艺见图3。在加热过程中，将淬火保温时间延长30 min，使工件心部温度达到加热温度，并完成奥氏体充分转变。钢中奥氏体的转变一般由形核、核的长大、碳化物的溶解和成分均匀化这几个步骤完成。这个过程是铁、碳和合金的扩散过程，所以需要一定的时间，时间越长这个过程进行的越完全。但是淬火保温时间过长会造成晶粒度粗大，反而对锻件的性能不利。根据有关资料介绍，保温时间按锻件有效截面来计算，对于40CrNi2Mo材料来说，淬火保温时间按每100 mm 保温(48～60)min计算，将淬火保温时间由原来的3.5 h增至4 h。

表5 优化工艺处理后的力学性能检验结果Table 5 Mechanical properties after optimizing treatment process

钢的性能主要取决于钢的组织和结构，而钢的组织和结构取决于淬火冷却方式。原热处理工艺采用油冷，不能使锻件心部的组织完全转变为贝氏体和马氏体，应改变冷却方式以增大心部的冷却速度。由于40CrNi2Mo材料淬透性非常好，如果直接采用水冷又会增加锻件的开裂倾向。为了充分发挥水冷和油冷的优势，优化后的淬火工艺采用水淬油冷的冷却方式。为了减小淬火时的应力，防止工件淬火时开裂，在水淬油冷之前先将工件空冷(0.67～1) min。

按照优化后的热处理工艺处理了4件推压轴，其性能全部达到技术要求，具体数据见表5。

4 结论

材料为40CrNi2Mo的大型矿用挖掘机推压轴锻件，采用水淬油冷的热处理工艺能获得良好的综合力学性能，在很大程度上提高了电铲推压轴的使用寿命。

[1] 康大韬，叶国斌.大型锻件材料及热处理.北京：龙门书局出版社，1998.

[2] 王兴齐. 电铲用轨道的典型热处理工艺.大型铸锻件，2008 .(4).

[3] 安云挣. 热处理工艺学. 北京：机械工业出版社，1982.