钩尾销热处理工艺

钩尾销热处理工艺

张彦军

张彦军

（七台河同创机械制造有限责任公司，黑龙江七台河154600）

摘要：分析并比较了Q275钢普通热处理工艺与锻热淬火+回火工艺对钩尾销进行热处理，效果显著。

关键词：钩尾销；Q275Q钢；普通热处理工艺

1问题的提出

铁路机车车辆用车钩钩尾销（以下简称“钩尾销”）如图1所示，是连接车钩与钩尾框的主要配件，在列车高速运行中，由于受钢轨接头、道岔及列车运行中制动等影响，钩尾销频繁受到较复杂的牵引力和冲击力。在力的作用下，连接件间产生相对运动，造成磨耗。因此要求钩尾销在保证强度的前提下，具有一定的硬度，以确保其耐磨性能。铁标TB/T2943-1999规定，13号车钩钩尾销硬度要达到HRC20-28。钩尾销材质为0275钢，0275钢含量为0．28％~0．38％，属于亚共析钢，钩尾销应进行热处理来达到技术要求。按锻热正火工序，硬度仅约为HB200，换算成洛氏硬度HRC<20，达不到技术要求，必须进行淬火处理。

图1车钩钩尾销零件图

2钩尾销锻造工艺方案的确定

2．1普通淬火+回火工艺及存在的不足。钩尾销普通淬火+回火工艺是经锻造成形冷却后（860±10）℃加热，保温50min，淬火介质为10％NaCl水溶液，随后进行（500±10）℃、保温1h回火。

普通淬火+回火工艺存在的不足：Q275钢淬透性较差，据文献介绍，Q275钢的临界淬火直径仅为19m，钩尾销有效厚度为40mm，所以采用普通热处理工艺后钩尾销心部淬不透，会出现软点，综合力学性能差；另一方面工艺成本高，能源消耗大，劳动环境恶劣。

2．2锻造余热淬火+回火工艺方案的分析和确定。据文献[3]介绍，锻造余热淬火（以下简称锻热淬火）指零件在热锻成型后立即投入淬火介质中，以获得淬火组织的一种将锻造和淬火结合在一起的工艺方法。实际上是加入了形变（锻造成型过程）的高温淬火，即稳定奥氏体的形变淬火，淬火临界直径大大提高，对于一般碳钢，如控制终锻温度在900℃左右，淬透性可提高约1倍。而如果按照传统工艺，9275钢钩尾销经锻造成型冷却，再经热处理工序重新加热至淬火温度900℃左右，就会造咸奥氏体晶粒粗大，而且没有淬火前的形变，奥氏体晶粒得不到细化，导致综合力学性能降低。因此，决定采用锻热淬火方式对钩尾销进行热处理[1]。

2．2．1锻热淬火的理论分析。

（1）锻热淬火的强韧化效果是由锻热淬火时钢的显微组织决定的。锻造形变时奥氏体晶粒沿变形方向被拉长，奥氏体晶粒内发生“多边化”过程，形成了大量亚晶粒，从而细化了奥氏体晶粒：锻造变形时奥氏体中形成了大量位错，这些位错在随后马氏体转变时，不但保留下来，而且形成晶核，并被牢固地“钉扎”起来，促使马氏体转变量增多并细化。而在马氏体转变时又产生了大量位错，据文献介绍，位错密度可以达到1012根/平方厘米，马氏体转变量的增多、细化及位错密度的增加，使零件的综合力学性能提高。（2）锻热淬火的实际淬火温度为锻造毛坯终锻温度，比普通淬火加热温度要高得多，奥氏体化温度提高、钢中的杂质和碳化物允分溶解于奥氏体中，使奥氏体稳定性增加，明显提高了淬透性（临界直径）。从而提高了零件的硬度[2]。据文献[1]介绍，马氏体形态取决于奥氏体的化学成分和马氏体的转变温度mS，低碳钢及马氏体转变温度MS≥300℃，则有利于形成板条马氏体。锻热淬火由于属于高温加热，奥氏体晶粒均匀，同时，Q275钢马氏体的转变温度MS≈360℃，马氏体形核与生长更易于形成条状、板条状，因此能获得勺高温淬火相似的组织，即得到位错型板条马氏体，消除了孪晶型马氏体。而且高温奥氏体化后的锻造形变及以后的再结晶可以使奥氏体晶粒细化，因此使淬火后所得板条马氏体尺寸以及板条马氏体的宽度和长度均得到显著细化，克服了高温淬火组织粗大的缺陷。（3）碳化物弥散强化作用。锻造成型过程中在压应力作用下，碳在奥氏体中的溶解度显著下降，促使碳化物在淬火过程中析出，同时，高密度的位错，为回火时碳化物的析出提供了大量的有利场所，使碳化物弥散分布度提高，阻止奥氏体晶粒的长大。弥散碳化物同位错的相互作用，提高零件的综合力学性能。（4）锻热淬火节省了淬火加热工序，能够节约能源、提高劳动生产率，改善劳动环境[4]。每吨锻件可节约电400kW/h。

2．2．2锻热淬火+回火工艺的确定。

（1）通过上述分析制定钩尾销锻热淬火+回火工艺。始锻温度1180~1220℃，终锻温度930℃。锻造成型后立即进行淬火，淬火温度不低于900±10℃，淬火介质为水（循环水），随后进行回火，回火温度540±10℃，保温时间1h。（2）工艺参数的确定。锻热淬火件具有较高的回火稳定性，硬度增加12％~14％。为获得与普通淬火回火后相同的淬透层硬度，锻热淬火件的回火温度一般需提高约40℃，锻后淬火件选取回火温度为（540±10）℃。

回火加热保温时间：t=hakD=1．25×1×40＝60min

式中，h—系数，一般取h=1~1．5；D—工件有效厚度，由图1可知D=40mm；a—保温时间参数（见表1），a=1．2min/mm；k—工件装炉修正系数，一般取k=1。

3效果及存在问题的解决

3.1锻热淬火组织状况。9275钢锻热淬火及回火后的金相照片（略），淬火后可见细条状板条马氏体、马氏体板条群、部分碳化物及残余奥氏体。回火后为回火马氏体和残余奥氏体。

3.2硬度。表2为钩尾销锻热淬火及回火后的硬度值，分别从钩尾销的中部和端部测量。

从表2可见，锻热淬火及回火后，钩尾销硬度完全满足产品HRC20~28的技术要求。

钩尾销采用锻热淬火+回火工艺，产品合格率稳定在98％以上。

3.3存在的主要质量缺陷：硬度有时偏低，出现返工现象。产生上述质量缺陷的原因分析：锻造成型后至淬火前的停留时间过长（超过10s，锻造设备距离淬火槽较远），出现回复再结晶，奥氏体晶粒内部的位错密度逐渐减少，形变强化就会部分消失，导致淬火后硬度偏低，回火后产品硬度也偏低。

上述结果表明，采用锻热淬火，锻造成型后至淬火前的停留时间参数必须严格控制，锻造成型后3~5s内完成淬火。

参考文献

[1]刘云旭.金属热处理原理[M].北京：机械工业出版社，1981.

[2]安运铮.热处理工艺学[M].北京：机械工业出版社，1983.

[3]雷廷权，等.钢的形变热处理[M].北京：机械工业出版社，1979.

[4]樊东黎.热处理技术数据手册[M].北京：机械工业出版社，2000.