30CrNiMo8軸熱處理工藝改進

　摘　要：軸是電機中一個重要零件，作為電機與設備至用之間機電能量轉換的紐帶，支承轉動零部件，傳遞力矩和確定轉動零部件對定子的相對位置。因此，電機軸必須具有可靠的強度和剛度，以確保設計功能的實現。

　　【關鍵詞】 電機軸；熱處理工藝；機電能量轉換；相對位置；傳遞力矩；零部件；轉動；定子
　　軸是電機中一個重要零件，作為電機與設備之間機電能量轉換的紐帶，支承轉動零部件、傳遞力矩和確定轉動零部件對定子的相對位置。因此，電機軸必須具有可靠的強度和剛度，以確保設計功能的實現。
　　我公司生產的30CrNiMo8軸為階梯軸如圖1所示，鍛造后需要進行整體調質熱處理，本體機械性能要求高，并且需要進行低溫沖擊試驗，所以需要有良好的綜合機械性能。為保證產品質量并防止淬火冷卻速度過大造成開裂，本文對30CrNiMo8材料特性，熱處理工藝開發過程進行了簡單闡述。

圖1　30CrNiMo8軸

 　　一　30CrNiMo8軸技術要求

　　⑴30CrNiMo8材料化學成分見表1。

表1　30CrNiMo8主要化學成份（wt%）

　　⑵30CrNiMo8軸熱處理機械性能要求見表2。

表2　30CrNiMo8軸熱處理后機械性能要求

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

　　2）硬度均勻性要求：中間位置同一圓周周向檢測四點（均布），硬度差值≤40HB。軸向檢測四點（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，級差不大于3級，組織為回火索氏體。
　　二　30CrNiMo8軸工藝分析

　　軸材質為30CrNiMo8，電渣重熔方式生產，合金元素較多，內部缺陷相對較少。由于30CrNiMo8軸直徑超過200mm，從電機軸調質技術要求看，不僅有高強度的機械性能及-40℃的低溫沖擊，而且對表面硬度及橫截面硬度梯度有嚴格要求，同時對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，但存在導致工件變形和開裂的風險，冷卻工藝選擇不當極易產生淬火開裂。
　　為了解決上述矛盾，保證產品質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較弱的油中繼續冷卻，這樣過冷奧氏體向馬氏體組織的轉變，是在脫離了水劇烈冷卻環境轉而在油中平緩的冷卻條件下發生，可有效避免組織轉變應力與收縮應力疊加，以防止工件過度變形和開裂。

　　三　30CrNiMo8軸熱處理工藝方案

　　30CrNiMo8鋼屬于德國DIN標準中一種合金結構調質鋼，具有較高的屈服強度、抗拉強度，同時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℃，保溫時間為4～4.5h，淬火采用水淬油冷，回火溫度選擇570～620℃，回火時間的選擇不但要保證透燒使其組織轉變得以充分進行，同時要盡量消除殘余應力，回火時間定為4.5～5h，回火后采用水冷。

　　四　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　調質熱處理工藝曲線

　　⑵30CrNiMo8軸鍛件熱處理驗證。

　　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，淬火前啟動循環冷卻攪拌系統，淬火前水溫≤39℃，油溫60～80℃。水冷時間50～60s后進入油冷，保證淬火均勻，防止變形和開裂。回火后采用水冷，避免產生二類回火脆性。

　　2）熱處理后進行硬度均勻性檢測和硬度分布檢測，檢測數據見表3。

表3　硬度均勻性及硬度分布檢測數據

　　3）連體試樣R/2處取樣進行機械性能檢測，檢測數據見表4。

表4　機械性能檢測數據

　　⑶30CrNiMo8軸本體試驗數據分析。

　　30CrNiMo8軸本體取樣機械性能數據，表面硬度均勻性及截面硬度分布數據均達到技術要求，從總體各位置性能數據看，綜合機械性能較好，-40℃低溫沖擊值富余量較大，實物超聲波探傷檢測未發現裂紋。對實物取樣進行金相組織檢驗，金相組織為正常回火索氏體如圖6所示，回火后晶粒細小，依據GB/T6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》，晶粒度可評為7.0級以上，如圖7所示。

圖6　金相組織（500×）

圖7　晶粒度（100×）

　　結束語

　　30CrNiMo8材料通過采用水淬油冷方式進行淬火，使奧氏體向馬氏體轉變過程脫離了水劇烈冷卻環境，轉而在油中平緩的冷卻條件下發生，可有效避免組織轉變應力與收縮應力疊加，控制工件過度變形和開裂，同時機械性能數據、硬度分布及金相組織滿足技術要求，綜合性能良好。