提高38CrMoAlA环形锻件晶粒度均匀的制备方法

技术领域

本发明涉及结构钢环形件锻造的技术领域，特别地，涉及一种提高38CrMoAlA环形锻件晶粒度均匀的制备方法。

背景技术

38CrMoAlA钢是一种常用的渗氮钢，有很好的渗碳性能和力学性能，渗氮处理后，表面有高的耐磨性和疲劳强度。运用于发动机上的38CrMoAlA齿圈零件，渗氮前要求零件晶粒度不小于5级，该环形齿圈锻件在自由锻锤上镦粗后冲孔，再扩孔锻造成形，热处理状态为正火(930℃，空冷)+高温回火(730℃，空冷)+淬火(930℃，油冷)+回火(630℃，油冷)。环形齿圈在自由锻上经多火次成形，成形过程为手工操作，锻件各部位变形量差异较大，导致晶粒不均匀，由于晶粒长大驱动力随晶粒不均匀性的增加而增加，因此热处理高温加热(淬火加热)过程中奥氏体晶粒长大倾向明显，故齿圈锻件在进行晶粒度检查时出现如图1所示的晶粒体大小不均的情况，即晶粒度不合格，由于晶粒体大小不均，会导致零件持久性能和抗疲劳性能差，从而难以满足零件的渗氮处理。

发明内容

本发明提供了一种提高38CrMoAlA环形锻件晶粒度均匀的制备方法，以解决如何提高38CrMoAlA环形锻件晶粒度均匀度，使得晶粒度符合渗氮处理的规定要求的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种提高38CrMoAlA环形锻件晶粒度均匀的制备方法，用于制备38CrMoAlA环形锻件并提高38CrMoAlA环形锻件的晶粒度均匀度，包括以下步骤：

S100：将38CrMoAlA钢原料制成的圆柱坯料置于加热炉中，并将圆柱坯料加热至始锻温度，形成始锻坯料；

S200：将始锻坯料在自由锻锤上锻造为方形坯料，然后对方形坯料依次进行沿Y轴拔长、沿Y轴镦粗、沿X轴拔长、沿X轴镦粗、沿Z轴拔长、沿Z轴镦粗，进而形成方形锻坯；

S300：将方形锻坯再次置于加热炉中，并将方形锻坯加热至锻造温度，形成回炉锻坯；

S400：将回炉锻坯在自由锻锤上依次进行倒棱角、滚圆、冲孔和环扎，形成环形坯料；

S500：对环形坯料进行抛丸，以清除表面氧化皮；

S600：对步骤S500加工后的环形坯料进行热稳定处理，以使环形坯料的晶粒满足均匀细小的要求；

S700：对步骤S600加工后的环形坯料进行粗车，进而形成符合设计要求的环形锻件。

进一步地，所述步骤S100包括以下步骤：

S101：将38CrMoAlA钢原料制成的圆柱坯料置于加热炉中预热，预热温度为850±20℃，保温时间t0＝加热系数δ0×D0，其中，D0为圆柱坯料的横截面直径，加热系数δ0＝0.6；

S102：将预热后的圆柱坯料在加热炉中高温加热，高温加热温度1120±20℃，保温时间t1＝加热系数δ1×D0，其中，加热系数δ1＝0.4。

所述步骤S200包括以下步骤：

S201，将始锻坯料在自由锻锤上锻造为方形坯料，并使

S202，将步骤S201中的方形坯料沿Y轴方向拔长，并使

S203，将步骤S202中沿Y轴方向拔长后的坯料沿Y轴方向镦粗，并使得沿Y轴方向镦粗后的坯料的尺寸与步骤S201中方形坯料的尺寸相当；

S204，将步骤S203中沿Y轴方向镦粗后的坯料沿X轴方向拔长，并使得沿X轴方向拔长后的坯料的尺寸与步骤S202中的Y轴方向拔长后的坯料尺寸相当；

S205，将步骤S204中沿X轴方向拔长后的坯料沿X轴方向镦粗，并使得沿X轴方向镦粗后的坯料的尺寸与步骤S201中方形坯料的尺寸相当；

S206，将步骤S205中沿X轴方向镦粗后的坯料沿Z轴方向拔长，并使L

S207，将步骤S205中沿Z轴方向拔长后的坯料沿Z轴方向镦粗，并使

进一步地，所述步骤S300中，回炉加热的温度为1120±20℃，保温时间t2＝加热系数δ2×L

进一步地，所述步骤S400包括以下步骤：

S401，将回炉锻坯在锻锤上将Z轴方向上的棱角倒圆，形成圆柱初坯；

S402，将圆柱初坯进行滚圆，形成圆柱锻坯；

S403，将圆柱锻坯沿中心轴进行冲孔，形成环形粗坯；

S404，将环形粗坯进行环扎，形成环形坯料。

进一步地，所述步骤600包括以下步骤：

S601，对步骤S500加工后的环形坯料进行正火，其正火温度为930±10℃，保温150min后冷却；

S602，对步骤S601中冷却后的环形坯料进行初次回火，其回火温度为730±10℃，保温120min后冷却；

步骤S603，对步骤S602中冷却后的环形坯料进行低温淬火，其淬火温度为790±10℃，保温180min后冷却；

步骤S604，对步骤S603中冷却后的环形坯料进行二次回火，其回火温度为610±10℃，保温90min后冷却；

步骤S605，对步骤S604中冷却后的环形坯料进行淬火，其淬火温度为930±10℃，保温150min后冷却；

步骤S606，对步骤S605中冷却后的环形坯料进行三次回火，其回火温度为630±10℃，保温120min后冷却。

进一步地，所述步骤S601和步骤S602在保温结束后均采用静置空冷。

进一步地，所述步骤S603、步骤S605以及步骤S606在保温结束后均采用油冷冷却。

进一步地，所述步骤S604在保温结束后均采用水冷冷却。

进一步地，所述步骤S700中，对环形坯料粗车后的表面粗糙度达到Ra1.6。

本发明具有以下有益效果：

本发明的提高38CrMoAlA环形锻件晶粒度均匀的制备方法中，通过对始锻坯料在自由锻锤上依次沿空间直角坐标系的三轴方向进行拔长、镦粗改锻，使各方向变形充分，从而使得晶粒组织分别均匀，再通过回炉加热后一次性完成对回炉锻坯的倒棱、滚圆、冲孔、环扎，在一次回炉加热内完成制环和环扎，能够较少火次能耗，避免坯料多次加热和手工锻造引气的晶粒组织不均匀的缺陷，后续通过对环形坯料的热稳定处理以获得均匀细小起始晶粒，保证了锻件晶粒度均匀，且晶粒度级别符合技术规定。

实际操作时，先将38CrMoAlA的圆柱坯料置于加热至始锻温度，然后将锻坯料在自由锻锤上依次进行沿Y轴拔长、沿Y轴镦粗、沿X轴拔长、沿X轴镦粗、沿Z轴拔长、沿Z轴镦粗，进而形成方形锻坯；再将方形锻坯进行回炉加热；再对回炉锻坯在自由锻锤上依次进行倒棱角、滚圆、冲孔和环扎，形成环形坯料；再对环形坯料进行抛丸，清除表面氧化皮；然后对环形坯料进行热稳定处理，具体包括以下步骤：第一步，对形坯料进行正火，其正火温度为930±10℃，第二步，进行高温回火，其回火温度为730±10℃，第三步，进行低温淬火，其淬火温度为790±10℃，第四步，进行二次回火，其回火温度为610±10℃，第五步，进行淬火，其淬火温度为930±10℃，第六步，进行三次回火，其回火温度为630±10℃；最后对热处理完的环形坯料进行粗车，进而形成符合设计要求的环形锻件。

综上，通过圆柱坯料进行多向改锻，合理设计改锻过程中的坯料尺寸，使得始锻坯料沿各个方向进行拔长、镦粗改锻，使各方向变形充分，从而使得晶粒组织分别均匀，并采用环轧工艺代替自由锻手工操作，减少成形火次，均匀组织；同时，调整热处理工艺，优化低温淬火与二次回火工艺，获得均匀细小起始晶粒，降低后继淬火加热过程中奥氏体晶粒长大倾向，保证了锻件晶粒度均匀，且晶粒度级别符合技术规定。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有的38CrMoAlA环形锻件晶粒度不合格的示意图；

图2是本发明优选实施例的提高38CrMoAlA环形锻件晶粒度均匀的制备方法的流程图；

图3是本发明优选实施例的步骤S200的工艺流程图；

图4是本发明优选实施例的步骤S400的工艺流程图；

图5是本发明优选实施例的通过提高38CrMoAlA环形锻件晶粒度均匀的制备方法改善后的晶粒度组织的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图2～图5所示，本实施例的一种提高38CrMoAlA环形锻件晶粒度均匀的制备方法，用于制备38CrMoAlA环形锻件并提高38CrMoAlA环形锻件的晶粒度均匀度，包括以下步骤：

S100：将38CrMoAlA钢原料制成的圆柱坯料置于加热炉中，并将圆柱坯料加热至始锻温度，形成始锻坯料；

S200：将始锻坯料在自由锻锤上锻造为方形坯料，然后对方形坯料依次进行沿Y轴拔长、沿Y轴镦粗、沿X轴拔长、沿X轴镦粗、沿Z轴拔长、沿Z轴镦粗，进而形成方形锻坯；

S300：将方形锻坯再次置于加热炉中，并将方形锻坯加热至锻造温度，形成回炉锻坯；

S400：将回炉锻坯在自由锻锤上依次进行倒棱角、滚圆、冲孔和环扎，形成环形坯料；

S500：对环形坯料进行抛丸，以清除表面氧化皮；

S600：对步骤S500加工后的环形坯料进行热稳定处理，以使环形坯料的晶粒满足均匀细小的要求；

S700：对步骤S600加工后的环形坯料进行粗车，进而形成符合设计要求的环形锻件。

在本实施例中，通过对始锻坯料在自由锻锤上依次沿空间直角坐标系的三轴方向进行拔长、镦粗改锻，使各方向变形充分，从而使得晶粒组织分别均匀，再通过回炉加热后一次性完成对回炉锻坯的倒棱、滚圆、冲孔、环扎，在一次回炉加热内完成制环和环扎，能够较少火次能耗，避免坯料多次加热和手工锻造引气的晶粒组织不均匀的缺陷，后续通过对环形坯料的热稳定处理以获得均匀细小起始晶粒，保证了锻件晶粒度均匀，且晶粒度级别符合技术规定，使其组织晶粒度等级达到6～7级。其加工完成后的晶粒度组织参考图5，经过本方法改善后的晶粒均匀，无混晶现象，其晶粒度也符合渗氮处理的规定要求。

实际操作时，先将38CrMoAlA的圆柱坯料置于加热至始锻温度，然后将锻坯料在自由锻锤上依次进行沿Y轴拔长、沿Y轴镦粗、沿X轴拔长、沿X轴镦粗、沿Z轴拔长、沿Z轴镦粗，进而形成方形锻坯；再将方形锻坯进行回炉加热；再对回炉锻坯在自由锻锤上依次进行倒棱角、滚圆、冲孔和环扎，形成环形坯料；再对环形坯料进行抛丸，清除表面氧化皮；然后对环形坯料进行热稳定处理，具体包括以下步骤：第一步，对形坯料进行正火，其正火温度为930±10℃，第二步，进行高温回火，其回火温度为730±10℃，第三步，进行低温淬火，其淬火温度为790±10℃，第四步，进行二次回火，其回火温度为610±10℃，第五步，进行淬火，其淬火温度为930±10℃，第六步，进行三次回火，其回火温度为630±10℃；最后对热处理完的环形坯料进行粗车，进而形成符合设计要求的环形锻件。

综上，通过圆柱坯料进行多向改锻，合理设计改锻过程中的坯料尺寸，使得始锻坯料沿各个方向进行拔长、镦粗改锻，使各方向变形充分，从而使得晶粒组织分别均匀，并采用环轧工艺代替自由锻手工操作，减少成形火次，均匀组织；同时，调整热处理工艺，优化低温淬火与二次回火工艺，获得均匀细小起始晶粒，降低后继淬火加热过程中奥氏体晶粒长大倾向，保证了锻件晶粒度均匀，且晶粒度级别符合技术规定。

进一步地，所述步骤S100包括以下步骤：

S101：将38CrMoAlA钢原料制成的圆柱坯料置于加热炉中预热，预热温度为850±20℃，保温时间t0＝加热系数δ0×D0，其中，D0为圆柱坯料的横截面直径，加热系数δ0＝0.6；

S102：将预热后的圆柱坯料在加热炉中高温加热，高温加热温度1120±20℃，保温时间t1＝加热系数δ1×D0，其中，加热系数δ1＝0.4。

在本实施例中，在步骤S101中对38CrMoAlA的圆柱坯料置于加热炉中预热，以使圆柱坯料的外部温度和内部温度一致，防止直接高温加热，外部温度和内部温度不一致，使锻件变形龟裂。采取预热还能够提高金属的塑性和降低变形抗力。

在步骤S102中，对预热好的圆柱坯料进行高温加热，使得坯料加热至始锻温度，进一步提高金属的塑性和降低变形抗力，以便于后续对圆柱胚料进行步骤S200的初锻加工。

参考图2，为步骤S200的工艺流程图，所述步骤S200包括以下步骤：

S201，将始锻坯料在自由锻锤上锻造为方形坯料，并使

S202，将步骤S201中的方形坯料沿Y轴方向拔长，并使

S203，将步骤S202中沿Y轴方向拔长后的坯料沿Y轴方向镦粗，并使得沿Y轴方向镦粗后的坯料的尺寸与步骤S201中方形坯料的尺寸相当；

S204，将步骤S203中沿Y轴方向镦粗后的坯料沿X轴方向拔长，并使得沿X轴方向拔长后的坯料的尺寸与步骤S202中的Y轴方向拔长后的坯料尺寸相当；

S205，将步骤S204中沿X轴方向拔长后的坯料沿X轴方向镦粗，并使得沿X轴方向镦粗后的坯料的尺寸与步骤S201中方形坯料的尺寸相当；

S206，将步骤S205中沿X轴方向镦粗后的坯料沿Z轴方向拔长，并使L

S207，将步骤S205中沿Z轴方向拔长后的坯料沿Z轴方向镦粗，并使

在本实施例中，具体包括以下步骤：

步骤S201，将圆柱形的始锻坯料利用锻锤加工为近似正方形的方形坯料，其长度为

步骤S202，将步骤S201中的方形坯料沿Y轴方向拔长，其拔长的长度不定，由于Y轴方向拔长后，其方形坯料的X、Z方向的长度也会相应的改变，在拔长过程中需要保证

步骤203，将步骤S202中沿Y轴方向拔长后的坯料沿Y轴方向镦粗，并使得沿Y轴方向镦粗后的坯料的尺寸与步骤S201中方形坯料的尺寸相当，该步骤镦粗后的锻件方便进行沿X轴方向的拔长和镦粗；

步骤S204至步骤S205，这两个步骤用于将锻件进行沿X轴方向的拔长和镦粗；

步骤S206至步骤S207，这两个步骤通过对锻件沿Z轴方向的拔长和镦粗，将锻件加工为方形坯料，并使方形坯料的最终尺寸与规定值相符。

综上，将始锻坯料沿各方向进行拔长、镦粗，使得各方向上变形均匀，从而使得晶粒组织均匀，以为后续锻造加工成环形提供良好的基础。

进一步地，所述步骤S300中，回炉加热的温度为1120±20℃，保温时间t2＝加热系数δ2×L

参考图2，为步骤S400的工艺流程图，进一步地，所述步骤S400包括以下步骤：

S401，将回炉锻坯在锻锤上将Z轴方向上的棱角倒圆，形成圆柱初坯；

S402，将圆柱初坯进行滚圆，形成圆柱锻坯；

S403，将圆柱锻坯沿中心轴进行冲孔，形成环形粗坯；

S404，将环形粗坯进行环扎，形成环形坯料。

在本实施例中，上述锻造过程均在一次回炉加热后完成，这样的加工流程可以减少回炉次数，从而降低能耗，同时还可以避免坯料多次加热和手工锻造引起的组织不均匀的问题。

进一步地，所述步骤600包括以下步骤：

S601，对步骤S500加工后的环形坯料进行正火，其正火温度为930±10℃，保温150min后冷却；

S602，对步骤S601中冷却后的环形坯料进行初次回火，其回火温度为730±10℃，保温120min后冷却；

步骤S603，对步骤S602中冷却后的环形坯料进行低温淬火，其淬火温度为790±10℃，保温180min后冷却；

步骤S604，对步骤S603中冷却后的环形坯料进行二次回火，其回火温度为610±10℃，保温90min后冷却；

步骤S605，对步骤S604中冷却后的环形坯料进行淬火，其淬火温度为930±10℃，保温150min后冷却；

步骤S606，对步骤S605中冷却后的环形坯料进行三次回火，其回火温度为630±10℃，保温120min后冷却。

在本实施例中，对于步骤S601，38CrMoAlA钢是亚共析钢，正火温度为Ac3+30℃～50℃，而其Ac3为885℃，故可选正火温度为930℃，可有助于奥氏体成分快速均匀化，保温时间按有效厚度30+4～4.5min/mm计算，锻件有效厚度为28mm，保温时间按150min，可使锻件熟透并得到比较均匀的奥氏体。

步骤S602，通过初次回火，可消除正火产生的内应力，对于有效厚度25mm～30mm的零件，保温时间按120min计算。

步骤S603，38CrMoAlA的Ac1温度为760℃，在Ac1以上30℃进行加热，保温时间按有效厚度60+4～4.5min/mm计算，工件有效厚度为28mm，保温时间按180min进行，由于加热温度较低奥氏体化组织细小。

步骤S604，回火在Ac1以下630℃进行，加热时间按90min控制，可以获得细小的起始晶粒。

步骤S605，38CrMoAlA的Ac3温度为885℃，加热温度为Ac3+30℃～50℃，选择930℃为了加速奥氏体化；保温时间按有效厚度30+4～4.5min/mm计算，工件有效厚度为28mm，保温时间按150min控制，可避免奥氏体晶粒粗化。

步骤S606，38CrMoAlA的Ac1温度为760℃，回火可在Ac1以下进行，为了避开回火脆性(100℃～400℃范围内)，选用630℃回火，加热时间按120min控制，可获得均匀细晶组织，同时得到较好的综合性能。

在本实施例中，为了锻件的晶粒得到细化，相较于现有技术，调整热处理制度，新增了步骤603和步骤604，在正火、初次回火后采用低温淬火和二次回火，以获得均匀细小的起始晶粒，再进行淬火、回火，进而得到满足要求的晶粒组织。这是由于进行低温淬火与二次回火后晶粒更均匀细小，而晶粒长大的驱动力随着晶粒不均匀性的增加而增大，故均匀细小的起始晶粒可降低后继工序高温加热，即正常淬火加热过程中奥氏体晶粒长大倾向。从而保证热稳定处理后的晶粒大小和均匀度符合要求。

进一步地，所述步骤S601和步骤S602在保温结束后均采用静置空冷。在本实施例中，正火和初次回火均采用空冷冷却是为了是晶粒细化，提高锻件韧性，降低开裂风险。

进一步地，所述步骤S603、步骤S605以及步骤S606在保温结束后均采用油冷冷却。在本实施例中，在步骤S603的低温淬火结束后采用又冷迅速对锻件进行冷却，由于低温淬火加热温度较低使得奥氏体化组织细小，采用油冷淬火可以是锻件的组织更加均匀化。在步骤S605中采用油冷冷却可以降低锻件的变形和开裂倾向。在步骤S606中，在三次回火后采用油冷能够获得均匀细晶组织，同时得到较好的综合性能。

进一步地，所述步骤S604在保温结束后均采用水冷冷却。在本实施例中，对二次回火采用水淬，有利于锻件更好的获取均匀细小的起始晶粒。

进一步地，所述步骤S700中，对环形坯料粗车后的表面粗糙度达到Ra1.6。在本实施例中，对热处理完后的环形坯料进行粗车，使得锻件的表面粗糙度符合设计要求，并形成符合设计要求的环形锻件。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。