42CrMo4偏航轴承是风力发电机中的核心部件,用于风电机机舱的偏航转动,性能要求高。环件生产过程可粗分为坯料锻前加热、自由锻制坯加环轧和锻后热处理三个阶段。锻坯的锻前加热质量直接影响到其内部质量和性能;加热时表层的氧化和脱碳直接影响材料的利用率和产品表层的综合力学性能。现有锻前加热工艺是基于普遍适用的经验加热规范,并没有针对某一具体产品进行合理的分析设计。本文以某公司42CrMo4偏航轴承的坯料加热工艺作为研究对象,首先分析42CrMo4的高温氧化和脱碳行为,建立其相应的数学模型,借助有限元模拟软件Deform-3D探究坯料加热过程中温度、应力和组织转变的变化过程并借助数学模型预测氧化层和脱碳层的理论厚度,然后通过优化加热工艺参数来降低总加热时间、氧化层和脱碳层理论计算深度,最后分析试制产品的综合力学性能和金相组织,主要研究内容如下:测定42CrMo4氧化增重曲线,拟合计算出氧化激活能Q值为217k J/mol,可换算出不同温度下氧化速率常数KP·T。借助SEM分析不同温度下氧化层的表面形貌和截面形貌。通过OM对不同温度下试样脱碳层的形貌结构进行观察分析并测量计算平均脱碳层厚度。根据菲克第二定律整理出理论脱碳层厚度计算公式,并结合已烧损的氧化层厚度和氧化层对脱碳的抑制设置修正系数n=1.05,使理论计算获得的脱碳层深度与实验测量值接近。总结整理并设计出高温下42CrMo4在变温条件下的氧化和脱碳数学模型。计算获得坯料在火焰炉膛中的近似综合传热系数。基于Jmatpro计算出42CrMo4的热物性参数。根据自由锻件加热通用技术条件制定经验加热工艺。采用有限元模拟软件Deform-3D,结合相应参数,模拟经验加热规范下坯料加热过程中温度、相变、应力的变化过程。其中,因坯料径向尺寸过大,在加热过程中分别出现三次峰值温差值293.41℃、321.81℃和521.49℃。低温区间的前两次峰值温差对应的轴向应力和径向应力均低于同温度下材料屈服强度。基于42CrMo4的氧化和脱碳数学模型,以加热过程中的温度和时间作为变量,对坯料在加热过程中的氧化脱碳行为进行计算预测。以相变保温温度、相变保温时间和始锻温度作为试验设计因素,以总加热时间、理论计算氧化层脱碳层厚度为响应目标。单因素分析表明:提高相变保温温度、相变保温时间、降低始锻温度有利于降低氧化脱碳程度,但提高相变保温时间会大大增加总加热时间。基于BBD设计试验方案,选取合适的试验设计因素,使用Deform-3D模拟获得样本数据,建立优化目标和试验设计因素的响应面模型,再使用Design-expert选取出最优的加热工艺:始锻温度1200℃、相变保温温度900℃、相变保温时间为25min。试制后产品的力学性能和金相组织经分析符合要求。本课题将实验分析、数学模型计算、有限元分析、响应面模型相结合,设计出有效降低加热时间,减少氧化脱碳的加热工艺参数,为同类型大型锻件的坯料加热工艺提供了理论依据和技术支持。