唐建良,蒋杨英,林志峰
舟山市7412工厂 浙江舟山 316041
汽车排气歧管螺栓材质为耐高温的40Cr10Si2Mo钢,该螺栓的淬火温度在1000~1050℃[1],我公司有连续网带炉和真空炉两种炉型选择,真空炉型号为VUQ669H ,真空炉最高使用温度为1250℃。连续网带炉的型号为S Y805-6,最高使用温度为950℃,试产量少时,在真空炉能满足质量和产能的要求,后来批量生产,真空炉产能无法满足要求,由于连续网带炉炉温最高950℃,为此在连续网带炉允许的温度范围内进行了相关工艺试验,与真空炉生产件进行性能对比,最终在连续网带炉上实现了批量生产,质量和效率都大幅提高,能耗成本大幅下降。
该螺栓的尺寸和形状如图1所示,螺栓材质为40Cr10Si2Mo钢,化学成分见表1。
表1 螺栓的化学成分(质量分数) (%)
图1 螺栓尺寸和形状
螺栓的技术要求:淬火硬度≥50HRC[2],淬火+回火后,抗拉强度885~1050MPa。
真空炉热处理工艺:温度为1000℃,保温120min,高压气淬,回火温度为700℃,回火时间为180min,装炉量为每炉320kg,生产一炉的总时间为10h(包括升温时间),生产效率为32kg/h,真空炉热处理工艺如图2所示,相关性能测试见表2。
表2 真空炉生产件性能
图2 真空炉热处理工艺
40Cr10Si2Mo钢相变转变点Ac3为930℃[3],连续网带炉最高使用温度为950℃,因此连续网带炉采用940℃,通过改变保温时间方法进行试验,工艺参数及检测结果见表3。
表3 连续网带炉生产工艺参数及产品性能
从表3可看出,连续网带炉淬火温度940℃,保温时间超过130min时,生产的产品可以符合要求,在实际生产中采取940℃保温150min,油淬,回火温度700℃,回火时间120min,装炉量是550kg/h,也就是说生产效率为550kg/h。
连续网带炉按940℃保温150 min,油淬,回火温度700℃,回火时间120 min生产,取10件产品与真空炉生产的10件产品进行对比测试,淬火硬度对比见表4,回火硬度对比见表5,常温抗拉强度对比见表6,550℃高温强度[4]结果见表7,生产效率对比见表8。
表4 淬火硬度对比 (HRC)
表5 回火硬度对比 (HRC)
表6 常温抗拉强度对比 (MPa)
表7 550℃高温强度对比 (MPa)
表8 生产效率对比 (kg/h)
从以上对比分析可看出,连续网带炉生产的产品与真空炉相比,硬度、常温强度更稳定,波动值更小;在550℃高温下高温抗拉强度、屈服强度更高。在生产效率方面,连续网带炉生产效率约是真空炉的17倍。
真空炉生产的产品金相组织如图3所示,连续网带炉生产的产品金相组织如图4所示。
图3 真空炉调质件金相组织(500×)
图4 连续网带炉调质件金相组织(500×)
按GB/T 38720—2020《中碳钢与中碳合金结构钢淬火金相组织检验》要求,对图3、图4进行金相组织评级[5],真空炉生产的产品,金相组织为回火索氏体5级,连续网带炉生产的产品金相组织为回火索氏体4级,连续网带炉产品质量优于真空炉。
真空炉采取的是周期性生产,且淬火温度高、耗时长;网带炉是连续式生产,淬火温度相对较低,生产效率高,二者能耗相差较大,具体能耗见表9。
表9 热处理能耗对比 (kW·h/t)
真空炉采取的是较高的淬火温度、较短的保温时间,使材料完全奥氏体化,由于温度较高,晶粒较粗大[6],连续网带炉采取的是在Ac3以上10℃较长时间保温来完成奥氏化转变,晶粒较细小,因此连续网带炉生产的产品在力学性能、金相组织方面优于真空炉;同时由于连续网带炉是连续性生产,因此效率高;真空炉升温时间很长,且装炉量小,因此生产效率低。在能耗方面,网带炉生产的电耗最低,约为真空炉电耗的21.7%,这样大幅节约了电能。
1)40Cr10Si2Mo钢螺栓,真空炉按标准要求的淬火温度1000℃、保温时间80min,淬火后700℃回火120min执行,能满足性能要求。
2)40Cr10Si2Mo钢螺栓,连续网带炉比标准淬火温度低60℃,即940℃通过加长保温时间,保温时间达150min,淬火后700℃回火120min,能满足性能要求。
3)对真空炉与连续网带炉生产的产品进行了全面的对比测试,结果表明,连续网带炉生产的产品在硬度均匀性、抗拉强度的均匀性、高温强度、高温屈服强度及金相组织等方面优于真空炉,且连续网带炉的生产效率约是真空炉的17倍,解决了生产瓶颈,大大降低了热处理能耗。