一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法

技术领域

本发明涉及一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，属于42CrMo锻造技术领域。

背景技术

风力发电机组变桨轴承等轴承套圈锻件在交变应力、冲击负荷、甚至低温环境下服役，容易产生疲劳断裂，由于近年来5.5MW～10MW海上巨型风电机组迅猛增长，这些大兆瓦风电机组要求：调质轴承套圈42CrMo锻件(例如其截面尺寸为230mm×326mm)的各个部位特别是心部位置的力学性能，需要满足力学性能指标要求：屈服强度R

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，采用本发明制造的42CrMo锻件综合性能高，其各个部位特别是心部位置都能够满足力学性能要求。

本发明采用的技术方案如下：

一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，包括以下步骤：

S1、备料：基于标准材质牌号42CrMo的化学成分及其质量百分含量条件下，添加并调整微合金元素含量，炼制形成坯料；

S2、锻造：对坯料进行锻造形成锻造毛坯；

S3、预备热处理：对锻造毛坯进行正火预备热处理或淬火预备热处理；

S4、粗加工：对锻造毛坯进行粗加工，去除锻造毛坯表面的氧化层；

S5、调质：对锻造毛坯进行调质热处理；

以保证制造的42CrMo锻件心部位置满足力学性能要求：屈服强度R

进一步的，步骤S1中，添加的微合金元素质量百分含量为，Ni：0.50～0.62％；V：0.05～0.10％。

进一步的，步骤S1中，调整的微合金元素质量百分含量为，C：0.41～0.47％；Si：0.18～0.37％；Mn：0.70～0.82％；Cr：1.00～1.25％；Mo：0.25～0.31％。

进一步的，步骤S1中，添加并调整微合金元素含量后，化学成分及其质量百分含量为，C：0.41～0.47％；Si：0.18～0.37％；Mn：0.70～0.82％；P≤0.015％；S≤0.010％；Cr：1.00～1.25％；Ni：0.50～0.62％；Mo：0.25～0.31％；V：0.05～0.10％；Al：0.020～0.045％；Ti≤0.003％；Cu≤0.20％；Ca≤0.0015％；O≤0.0015％；H≤0.0002％；N≤0.0070％；其余为Fe。

进一步的，步骤S2中，采用环锻工艺对坯料进行锻造。

进一步的，步骤S2中，锻造比≥5。

优选的，步骤S2中，在环锻过程中，还对坯料进行随形环锻。

进一步的，步骤S2中，始锻温度为1100℃～1150℃，终锻温度≥850℃。

进一步的，步骤S3中，正火预备热处理的加热温度为860℃～880℃；淬火预备热处理的加热温度为855℃～865℃，进入淬火介质温度为845℃～855℃。

优选的，步骤S4中，在粗加工过程中，还对锻造毛坯进行随形粗加工，去除锻造毛坯的多余余量。

进一步的，步骤S5中，在调质热处理过程中，淬火加热温度为855℃～865℃，进入淬火介质温度为845℃～855℃；回火加热温度为630℃～640℃。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，制造的42CrMo锻件综合性能高，既具有高强度，又具有较高塑性，同时具有较好低温冲击性能。其各个部位特别是心部位置都能够满足力学性能指标要求：屈服强度R

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是经随形环锻、随形粗加工后调质的轴承套圈锻件的截面示意图；

图2是图1中的轴承套圈锻件的力学性能检验取样位置示意图；

图3是经环锻但非随形环锻、不经粗加工而调质的轴承套圈锻件的截面示意图；

图4是图3中的轴承套圈锻件的力学性能检验取样位置示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实施例的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，包括以下步骤：

S1、备料：基于标准材质牌号42CrMo的化学成分及其质量百分含量条件下，添加并调整微合金元素含量，炼制形成坯料；

S2、锻造：对坯料进行锻造形成锻造毛坯；

S3、预备热处理：对锻造毛坯进行正火预备热处理或淬火预备热处理；

S4、粗加工：对锻造毛坯进行粗加工，去除锻造毛坯表面的氧化层；

S5、调质：对锻造毛坯进行调质热处理；

以保证制造的42CrMo锻件心部位置满足力学性能要求：屈服强度R

采用本发明制造的42CrMo锻件，既具有高强度(屈服强度R

a)锻件强度(屈服强度R

b)锻件低温冲击性能(KV

c)锻件硬度不大于310HB，机械加工性能较好，能够提高滚道加工、铣齿、钻孔等机加工尺寸精度和表面光洁度，既有利于提高锻件的疲劳寿命，又有利于提高锻件的机械加工效率；

d)在本发明的化学成分及力学性能条件下，锻件具有良好的表面(滚道、齿面)淬火性能。

采用本发明方案制造的42CrMo锻件力学性能能够满足下表的要求：

进一步的，步骤S5之后，还包括步骤S6、精加工：对锻造毛坯进行精加工形成所需的42CrMo锻件产品。

进一步的，步骤S1中，添加的微合金元素质量百分含量为，Ni：0.50～0.62％；V：0.05～0.10％。添加的合金元素Ni，有利于提高锻件低温冲击吸收能量；添加的合金元素V，有利于细化锻件晶粒；同时，添加的合金元素Ni、V还有利于提高淬透性。

进一步的，步骤S1中，调整的微合金元素质量百分含量为，C：0.41～0.47％；Si：0.18～0.37％；Mn：0.70～0.82％；Cr：1.00～1.25％；Mo：0.25～0.31％。本发明对微合金元素C、Si、Mn、Cr、Mo的含量进行了调整，特别是提高了这些微合金元素加入量下限，能够与新添加的合金元素Ni、V共同发挥集合效应，显著提高锻件淬透性，有利于提高锻件综合性能，有利于改善锻件截面性能均匀性。同时，在提高了这些微合金元素加入量下限后，而V的添加量控制在较低、较窄范围，有利于在获得较高强度的同时获得较好塑性，从而获得更好的低温冲击性能，同时还有利于降低表面淬火裂纹风险。

进一步的，步骤S1中，添加并调整微合金元素含量后，化学成分及其质量百分含量为，C：0.41～0.47％；Si：0.18～0.37％；Mn：0.70～0.82％；P≤0.015％；S≤0.010％；Cr：1.00～1.25％；Ni：0.50～0.62％；Mo：0.25～0.31％；V：0.05～0.10％；Al：0.020～0.045％；Ti≤0.003％；Cu≤0.20％；Ca≤0.0015％；O≤0.0015％；H≤0.0002％；N≤0.0070％；其余为Fe。本发明还控制了合金元素Al的含量，既能保证充分脱氧，同时又能够防止夹渣。本发明对元素S、P等有害杂质进行控制，例如可采用精炼、脱气工艺来减少夹杂物含量，改善夹杂物形态和分布，有利于提高锻件低温冲击吸收能量。本发明控制了元素N的含量，能够避免时效老化。

进一步的，步骤S2中，采用环锻工艺对坯料进行锻造。

进一步的，步骤S2中，锻造比≥5。

优选的，步骤S2中，在环锻过程中，还对坯料进行随形环锻。随形环锻指的是：按照42CrMo锻件产品的最终设计形状来环锻出大致轮廓。随形环锻的设计，能够避免锻件在后续的精加工过程切断锻造纤维流线组织，同时有利于减小热处理截面厚度，调质时也更容易淬透锻件毛坯。

进一步的，步骤S2中，始锻温度为1100℃～1150℃，终锻温度≥850℃。坑冷至≤200℃后出炉。

进一步的，步骤S3中，正火预备热处理的加热温度为860℃～880℃；淬火预备热处理的加热温度为855℃～865℃，进入淬火介质温度为845℃～855℃。

优选的，步骤S4中，在粗加工过程中，还对锻造毛坯进行随形粗加工，去除锻造毛坯的多余余量。随形粗加工的指的是：按照42CrMo锻件产品的最终设计形状来粗加工出初步轮廓。随形粗加工的设计，去除锻造毛坯多余余量，从而有利于减小热处理截面厚度，调质时也更容易淬透锻件毛坯，同时也有利于减小调质后的精加工余量，使锻件产品能够保留更多的近表面层致密组织，提高疲劳寿命。

进一步的，步骤S5中，在调质热处理过程中，淬火加热温度为855℃～865℃，进入淬火介质温度为845℃～855℃；回火加热温度为630℃～640℃。出炉后空冷。调质＝淬火+回火，得益于本设计的淬火温度与回火温度的设计，有利于强度与塑性优化匹配，从而获得高综合性能。淬火介质优选为水。

基于上述各技术特征的组合设计下，本发明还对采用本发明方案制造的42CrMo锻件进行了力学性能检验，具体的，详见实施例一、二。本发明还做了三个对比例，每个对比例亦进行了力学性能检验，具体的，详见对比例一、二、三。

实施例一

在实施例一中，步骤S3的预备热处理为：对锻造毛坯进行正火预备热处理。正火预备热处理有利于均匀组织、消除应力。

实施例一的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，包括以下步骤：

S1、备料：基于标准材质牌号42CrMo的化学成分及其质量百分含量条件下，添加并调整微合金元素含量，炼制形成坯料；坯料为精炼形成的Φ800mm连铸圆坯，其化学成分及其质量百分含量如下表：

S2、锻造：对坯料进行锻造形成锻造毛坯，采用环锻工艺对坯料进行锻造，并对坯料进行随形环锻，锻造比为5.2；始锻温度1135℃，终锻温度928℃，环锻后坑冷至195℃出炉。坯料被锻造形成圆环状的锻造毛坯；锻造毛坯的轮廓形尺寸为Φ

S3、预备热处理：对锻造毛坯进行正火预备热处理；正火预备热处理的加热温度为870℃，出炉后空冷；

S4、粗加工：对锻造毛坯进行粗加工，去除锻造毛坯表面的氧化层，并对锻造毛坯进行随形粗加工(例如加工滚道、齿下方的空刀结构)，去除锻造毛坯多余余量；随形粗加工后，锻造毛坯的截面尺寸为230mm×326mm；

S5、调质：对锻造毛坯进行调质热处理；在调质热处理(淬火+回火)过程中，淬火加热温度为860℃，进入淬火介质温度为851℃；回火加热温度为635℃，出炉后空冷；

以保证制造的42CrMo锻件心部位置满足力学性能要求：屈服强度R

采用实施例一方案制造的42CrMo锻件形状如图1所示，取样位置如图2所示，并根据取样位置进行试样编号，力学性能检验结果如下表：

从实施例一的检验结果可以看出，采用实施例一方案制造的42CrMo锻件具有高综合性能，各项力学性能指标满足要求。

实施例二

实施例二与实施例一不同之处在于，在实施例一中，步骤S3的预备热处理为：对锻造毛坯进行正火预备热处理；而在实施例二中，步骤S3的预备热处理为：对锻造毛坯进行淬火预备热处理。

实施例二中，其步骤S3如下：

S3、预备热处理：对锻造毛坯进行淬火预备热处理；淬火加热温度为860℃，进入淬火介质温度为851℃。

采用实施例二方案制造的42CrMo锻件形状如图1所示，取样位置如图2所示，并根据取样位置进行试样编号，力学性能检验结果如下表：

从实施例二的检验结果可以看出，采用实施例二方案制造的42CrMo锻件也具有高综合性能，各项力学性能指标也满足要求。

实施例二与实施例一相比：

从实施例二与实施例一的检验结果可以看出，采用本发明方案制造的42CrMo锻件都具有高综合性能，都能够满足各项力学性能指标要求。还可以看出，采用实施例一的方案制造的42CrMo锻件的综合力学性能优于采用实施例二的方案制造的42CrMo锻件的综合力学性能；并且正火工艺比淬火工艺更加简单，因此，实施例一的方案优于实施例二的方案。采用实施例一、实施例二制造的42CrMo锻件，再经过检验，其锻件晶粒度、低倍组织、非金属夹杂物、UT及MT等检验结果都能够满足标准与设计要求。

对比例一

对比例一与实施例一、二的不同之处在于，在对比例一中，不进行步骤S3的预备热处理。

采用对比例一方案制造的42CrMo锻件形状如图1所示，取样位置如图2所示，并根据取样位置进行试样编号，力学性能检验结果如下表：

对比例一与实施例一、实施例二相比：

从对比例一的检验结果可以看出，虽然对比例一与实施例一、二的化学成分、以及锻造及粗加工相同；但是对比例一没有进行步骤S3的预备热处理，其综合性能不够高，特别是试验编号9、12的冲击吸收能量KV

对比例二

对比例二与实施例一的不同之处在于，在对比例二中，步骤S1中，不添加也不调整微合金元素含量。

对比例二中，其步骤S1如下：

基于标准《GB/T 29717-2013滚动轴承风力发电机组偏航、变桨轴承》材质牌号42CrMo的化学成分及其质量百分含量条件下，炼制形成坯料，其化学成分及其质量百分含量如下表：

采用对比例二方案制造的42CrMo锻件形状如图1所示，取样位置如图2所示，并根据取样位置进行试样编号，力学性能检验结果如下表：

对比例二与实施例一、实施例二相比：

从对比例二的检验结果可以看出，由于对比例二的步骤S1中不添加也不调整微合金元素含量，但是进行了步骤S3的正火预备热处理；其编号8、9、11、12的低温冲击性能KV

对比例三

对比例三与对比例二的不同之处在于，在对比例三中，步骤S2中进行环锻但非随形环锻，不进行步骤S3的预备热处理，也不进行步骤S4的粗加工以及随形粗加工。

采用对比例三方案制造的42CrMo锻件形状如图3所示，取样位置如图4所示，并根据取样位置进行试样编号，力学性能检验结果如下表：

对比例三与实施例一、实施例二相比：

从对比例三的检验结果可以看出，由于对比例三的步骤S1不添加也不调整微合金元素，进行步骤S2中的环锻但非随形环锻，不进行步骤S3的预备热处理，也不进行步骤S4中的粗加工以及随形粗加工；其编号2、3、5、6、8、9、11、12的屈服强度R

对比例三与对比例二相比：

对比例三的步骤S1不添加也不调整微合金元素，步骤S2仅环锻成矩形截面而不是随形环锻，并且不进行步骤S3的预备热处理，也不进行步骤S4中的粗加工以及随形粗加工，没有去除锻件表面的氧化层及多余余量。而对比例二的步骤S1不添加也不调整微合金元素含量，但是步骤S2进行了随形环锻，还进行了步骤S3的正火预备热处理，还进行了步骤S4的粗加工以及随形粗加工，去除了锻件表面的氧化层以及多余余量。虽然两者的综合性能都不能够满足要求，但是，采用对比例二的方案制造的42CrMo锻件的综合性能优于采用对比例三的方案制造的42CrMo锻件的综合性能。

综上所述，采用本发明的一种高综合性能42CrMo锻件的制造方法，制造的42CrMo锻件综合性能高，既具有高强度，又具有较高塑性，同时具有较好低温冲击性能。其各个部位特别是心部位置都能够满足力学性能指标要求：屈服强度R

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。