42CrMo超长齿条热处理淬火工艺

中冶京诚（营口）装备技术有限公司 （辽宁 115000） 李云亭 薛建博

我公司订货的42CrMo齿条精加工尺寸：宽350mm，高300mm，总长度为41m，齿形为人字齿，齿高65mm。此齿条共分5段，粗加工：头段长度约10m，单重11t一根；中段约8m单重8t三根；尾段约8m单重7t一根，总重42t。其制造过程为：炼钢→80MN油压机锻造→粗加工→热处理调质→硬度检验→半精加工→人工时效→精加工。该齿条化学成分见表1。

表1 42CrMo齿条化学成分（质量分数） （%）

齿条热处理调质许可变形量≤30mm（即≤3mm/m），调质硬度要求280～320HBW。热处理难度很大，淬火过程中极易发生扭曲变形。

1.传统加工方式

（1）台车炉加热后经油冷淬火处理 用4m×10m台车炉，5件同装一炉，工件间距200mm。利用链子起吊单件油冷淬火，淬火初期需上下窜动，保证淬火过程中出现的蒸汽膜被打碎，否则淬火不均匀，硬度低。利用同样大小另一个台车炉进行回火，回火过程中需校直机热校直。

优点是可同炉加热处理，缩短整体工艺周期，油冷淬火可以保证淬火过程中不易开裂。

缺点：①变形大。细长工件从台车上将工件用链子两点起吊进入油池中，由于油冷过程时间较长（60min），工件会出现两端及中部下沉弯曲，工件形成M形弯。②容易出现性能不合格。由于300mm截面10m长的工件形状不规则，两点起吊，很难找平衡，淬火过程中很难上下窜动，会出现淬火初期蒸汽膜未及时打碎，冷却不足，硬度达不到要求。③事故隐患大。工件在油池中上下窜动容易出现歪斜，一头掉入油池底部，一般油池底部都会沉积水，因工件很难从油池底部取出，工件会在池底被淬裂。④增加校直工时和能源消耗。回火过程中额外增加热校直工序和回火保温时间，5件校直后，需回炉进行校后回火保温。

（2）井式炉加热后立式淬火处理 仿照转子等长轴件立式加热方式，需设计和制作专用挂具（约10t重），并在工件一端留500mm余量，加工吊装孔穿销子进行吊挂，保持工件竖直，利用井式炉立式单件加热。在筒形淬火槽中，实现立式淬火。回火在另一台井式炉中进行。

优点：淬火过程安全，工件变形量很小，可以保证加工尺寸，无需增加校直工序。

缺点：①增加生产周期。因需单件装炉，整个工艺周期是台车炉的5倍。②能源消耗大。加热时单件装炉，附具重量和工件重量相同，总体能源消耗是台车炉的3～5倍。③增加制作费用。吊具设计和制作会增加成本，工件长度方向留量过大（增加吊装孔），加工工时增加。

2.新方案分析

根据生产此类产品时传统工艺过程的弊端和局限性提出以下新方案：采用台车炉5件同炉加热，垫铁高度500mm，间距1500mm。采用水冷处理（喷水+喷雾）。

淬火过程：将加热后的工件用链子单件吊出炉，水平放置在预先制作的工字形钢架上，使工件淬火过程中严格处于水平状态，在钢架两侧安装喷雾装置进行喷水、喷雾淬火。

新方案采用台车炉加热，可以提高加热效率，节省工艺周期，适合批量生产。整个淬火过程在200mm工字钢的水平支撑架上进行，防止了淬火过程中由于长时间链子两点起吊而引起的变形，且淬火过程安全可控。由于水冷工艺可有效地改善锻件的综合性能，降低ΔFATT值，具有无法替代的优点，在不断提高锻件冶金质量的前提下，国内外都在重要的大锻件上越来越多地采用水冷工艺。同时本方案后期结合喷雾冷却，在保证硬度均匀的同时还可以防止淬火开裂。

3.工艺过程

（1）制作水平支撑架 使用200mm工字钢制作支撑架，用两根9m平行工字钢，每隔1.5m焊一根1.5m工字钢作横梁，组成水平支撑面，在支撑面下方每隔3m有两个工字钢立柱作支撑。

（2）喷雾装置 利用水管、风管、阀门、专用喷雾喷嘴、防火水带及供水泵等在支撑架两侧做成喷水系统。喷嘴间距200mm，喷嘴同时与水管和风管相连，水管和风管上安装压力表，通过阀门调节实现水压、风压控制。

（3）齿条冷态试喷 将工件冷态放到支撑架上，调整两侧喷嘴高度和位置，以及风压、水压，使喷水喷雾达到最佳效果（见图1）。

图1 齿条喷淬示意

（4）执行调质热处理工艺 齿条调质热处理工艺如图2所示。

图2 齿条调质热处理工艺

（5）硬度检验 在齿条工作面进行硬度检验，结果如表2所示，可见满足硬度280～320HBW的要求。

表2 硬度检验 （HBW）

（6）调质后齿条冷加工划线检验 弯曲量平均为12～18mm（即1.2～1.8mm/m）。尺寸检验结果：满足≤30mm粗加工留量尺寸。

（7）其他 此批齿条进行半精加工、热处理时效处理、精加工、包装，最终顺利交付用户。

4.结语

（1）42CrMo齿条喷淬处理较油冷淬火可以在较低的回火温度下获得更好的性能，使工作面淬火均匀、应力小，硬度均匀性好，容易得到更深的淬硬层。

（2）此喷淬工艺过程优于传统的浸油和浸水淬火，有效防止由于淬火初期蒸汽膜没有被打破而引起淬不上火而使工件硬度偏低的现象发生，同时淬火较油冷省时、安全、环保，过程可控性强。

（3）钢结构架的采用，有效地防止了水浸和油浸淬火过程中工件上下窜动和长时间链子两点悬吊引起的大的变形和扭曲。此淬火过程工件变形小（＜2mm/m），保证了下道工序机加工的顺利进行，减少热校直工序，节省校直工时和校直前后工件在台车炉中加热的能源消耗。