大型环类锻件调质处理

李晓宏 杨 迪 黄守己

(沈阳铸锻工业有限公司热处理分公司，辽宁110142)

我公司多次承接大型环类零件的调质热处理。该类齿圈是大型矿山粉碎机上的关键部件，用于矿山矿石粉碎。该机内主要的结构有环形轨道，在环形轨道上设环式碾盘，碾盘则由多个碾辊组成。该类环形齿圈是机器中的环形轨道，需要较高的综合力学性能和准确的尺寸精度。此类大型环件直径较大、厚度较薄，处理过程中容易变形，变形后无法校正。硬度要求高，且均匀性不容易控制。为解决这些问题，本文从工艺和生产操作方面进行改进，并严加控制，提高工件整体质量。

1 工件介绍

此种环锻件分为两种，第1种为环轨，材质40CrNi2Mo，最大尺寸∅4572/4252 mm×100 mm，单重3900 kg；第2种为齿圈，材质34CrNi3Mo，最大尺寸∅5232/4660 mm×140 mm，单重6000 kg。

技术要求：硬度分别达到320～360HBW、340～380HBW，均匀性不超过30HBW。

变形要求：调质后环轨不超过30 mm(单面余量20 mm)，齿圈不超过20 mm(单面余量15 mm)。

表面质量：没有裂纹等缺陷。工件实际化学成分见表1。

2 工艺制定

根据材料的固态相变点Ac1和Ac3以及对该材料的性能要求，选定该材料的热处理温度为T1，回火温度为T2。升温过程要考虑工件的特点，控制升温速度，要有入炉保温、中间保温过程，以减少淬火过程中的应力，尽量减小变形的产生。淬火保温时间的选定，按每毫米有效截面保温1～1.3 min计算，适当延长均温，总淬火保温时间控制在4 h以内。具体工艺见图1。

3 调质处理

3.1 生产操作

首先进行来件检验，检查来件表面有无砂眼、裂纹等明显缺陷，检查加工是否存在尖角，棱角是否需要倒圆。准确测量每件尺寸，核对图纸计算余量大小。

环轨的最大直径为4572 mm，有效厚度为100 mm，齿圈的最大直径为5232 mm，有效厚度为140 mm，都属于大尺寸薄板类工件。同种材料中此种形状不容易淬出高硬度，有效厚度太薄非常容易变形。

公司拥有调质炉中，最大加热区为5000 mm。工件直径较大，达到炉体上限，无法使用托盘。根据以往经验，为了达到较好的平整度，公司定制一批新垫铁，尺寸合适方便起吊。垫铁平行摆放，间距大小参考环件四等分后的距离。

图1 工艺曲线Figure 1 Process curve

吊具选用工字梁和4条马蹄链，端头马蹄形挂扣根据垫铁端头的大小和形状自制。件与件之间需要小垫块多点隔开均匀垫起，每件垫起8点，提前预备80件垫块，相同规格高度一致。装炉时关键部位容易变形处增加辅助支撑点。

3.2 检验结果

硬度检测结果见表2，变形检测结果见表3。从检测结果看，硬度合格且均匀，达到客户要求。变形量方面100 mm厚截面变形最大22 mm，140 mm截面变形最大达到18 mm。虽然在余量范围内，但是变形较大，为客户的后续加工带来不便。综合考虑研究后，为进一步减小变形，改进装炉方式。

表2 硬度检测结果Table 2 Hardness test result

表3 变形量检测结果(mm)Table 3 Test result of deformation amount(mm)

表4 改进生产方式后变形量检测结果(mm)Table 4 Test result of deformation amount after improving of production mode (mm)

4 改进生产方式

总结生产经验发现，装炉方式对变形影响较大，主要是受力不均匀导致。如两个垫铁中间距离大，容易出现下沉现象。增加与炉底板的受力支撑点，使受力更均匀分散。所以采用双层垫铁装炉，支撑点由原来8个增加到12个。同时，增加与炉底板间的距离，有效避开烧嘴位置，增加温度均匀性，有效避免局部温度过热的危险。

冷却油温应控制在50℃以下，淬火油温度最高不能超过80℃。冷却油槽规格为15 m×6.5 m×6 m，配有油温监测，循环冷却系统。注意起吊平稳，操作迅速，在最短时间内平稳入油，天车配合串动冷却，提高硬度均匀性。控制油冷时间，掌握好终冷温度，出油后尽快保温。增加中间检查，检测淬火后硬度，为回火提供准确参考。变形检测结果见表4。

比较单层装炉方式，变形量明显减小。变形量直径方向最大由18 mm减小到7 mm，垂直方向最大由22 mm减小到12 mm，改善效果较好。

5 结论

(1)大型环类锻件在处理过程中容易变形，且有效厚度越薄变形量越大。工艺上采用分阶段缓慢升温保温，能有效减小热应力，增加温度均匀性。

(2)装炉方式及操作过程控制，对环件的变形和最终的质量同样非常重要。双层垫铁摆放，多点均匀垫平垫稳；增加与炉底板间的有效支撑点，抬高环件与烧嘴间的距离；吊运过程平稳迅速，能有效控制大型环锻件的变形。

[1] 郑三妹，崔丽丽，孙长波，等. 30Cr2Ni2Mo钢大型环类锻件的热处理工艺研究[J]. 大型铸锻件，2014(4):13-17.