軸承蓋高溫形變熱處理

朱正才

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211188）

1 前言

形變熱處理是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)熱處理新工藝。它是在金屬材料上有效利用形變強(qiáng)化和相變強(qiáng)化，將壓力加工與熱處理相結(jié)合，使成形工藝和最終性能統(tǒng)一起來的一種工藝方法。它不但能夠得到一般加工方法所達(dá)不到的高強(qiáng)度與高塑形的良好結(jié)合，并且還能簡(jiǎn)化鋼材或零件的生產(chǎn)流程而帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。形變熱處理分為高溫形變熱處理[1]和低溫形變熱處理兩類。高溫形變熱處理是將鋼加熱至穩(wěn)定奧氏體區(qū)，保持一段時(shí)間，在該溫度下變形，隨后立即快冷至一定溫度，以獲得所需組織。

形變熱處理的實(shí)質(zhì)就是在材料的奧氏體區(qū)域內(nèi)，對(duì)鋼材進(jìn)行塑性變形，隨后利用鍛造余熱進(jìn)行淬火，以固定在形變過程中所具有的特殊組織形態(tài)，從而提高材料的塑形、韌性及強(qiáng)度。

凡經(jīng)鍛造加工的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼和不銹鋼等的毛坯調(diào)質(zhì)件以及軋制的環(huán)類件，都可以進(jìn)行形變熱處理。這種工藝不僅所需設(shè)備簡(jiǎn)單，投資耗費(fèi)少，而且操作技術(shù)也不復(fù)雜，容易掌握。既節(jié)約了能源，降低了成本，又可縮短施工周期，確保質(zhì)量。

2 軸承蓋新老熱處理工藝比較

軸承蓋是機(jī)械壓力機(jī)曲軸部位滑動(dòng)軸承上的重要零件，在使用中，受到復(fù)雜載荷的作用，需要具備較高的綜合機(jī)械性能。鍛件如圖1所示。鍛件質(zhì)量6.5kg，材質(zhì)45鋼，熱處理要求調(diào)質(zhì)217～255HBS。

圖1 軸承蓋鍛件圖

老工藝鍛造及熱處理工藝規(guī)范為：在燃煤反射爐中加熱到1200℃始鍛溫度[2]，在750kg空氣錘上胎膜鍛，鍛后在空氣中冷卻，然后正火，再經(jīng)調(diào)質(zhì)（淬火，高溫回火）處理，其加熱曲線如圖2所示。其工藝流程為：

圖2 鍛造加熱及調(diào)質(zhì)過程

形變熱處理工藝過程如圖3所示。

綜合以上兩種熱處理工藝，其流程如圖4所示。

從圖中可以看出，原工藝鍛造完工后，需經(jīng)正火加熱，淬火才能高溫回火，而且費(fèi)時(shí)較多。新工藝省去了正火、淬火的加熱，節(jié)省能源，縮短生產(chǎn)周期，減少造成質(zhì)量事故的機(jī)會(huì)。

圖3 鍛造加熱調(diào)質(zhì)過程

圖4 常規(guī)工藝與鍛熱調(diào)質(zhì)工藝流程比較

3 形變熱處理工藝規(guī)范

鍛造前，將爐溫加熱到1350℃，實(shí)際的始鍛溫度為 1250℃～1300℃，終鍛溫度為 1000℃～950℃，切邊后保證溫度高于900℃。將鍛件放入油或水中淬火，570℃回火100分鐘出爐空冷。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 探傷

油淬試件10件，抽取5件進(jìn)行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)有影響強(qiáng)度的裂紋。水淬試件10件，全部進(jìn)行磁粉探傷，其中6件發(fā)現(xiàn)有裂紋。該裂紋的長(zhǎng)度為20mm～55mm不等。深度為＜1.5mm。測(cè)試結(jié)果表明，用水冷卻的能力高，冷卻速度快，易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，高溫淬火會(huì)導(dǎo)致鍛件開裂，所以選擇油淬是合理的，能完全避免裂紋的產(chǎn)生。

4.2 硬度

對(duì)10件油淬試件進(jìn)行硬度測(cè)試（在軸承蓋兩連接板平面上），硬度值見表1。從表中可看出，每個(gè)連接板上不同的位置上測(cè)量的硬度值是基本均勻的。

表1 形變熱處理不同位置硬度值（HRC）

4.3 金相

（1）普通調(diào)質(zhì)金相。金相組織為片狀索氏體與呈白色網(wǎng)狀分布的鐵素體，顯微硬度HBS185。由顯微組織可以看出，試樣的淬火溫度偏低Ac1附近，未能獲得調(diào)質(zhì)效果，如圖5所示。

（2）形變熱處理金相。金相組織肌體為細(xì)片狀索氏體及白色網(wǎng)狀鐵素體，顯微硬度HBS230。針狀鐵素體由晶界向晶內(nèi)延伸，有輕微的魏氏組織，如圖6所示。

（3）普通調(diào)質(zhì)與形變熱處理金相比較。形變熱處理金相基本符合要求，但出現(xiàn)了少量的魏氏組織。其原因是鍛后溫度高，放入油中淬火時(shí)間間隔較長(zhǎng)，使得晶粒粗大。

圖5 普通調(diào)質(zhì)金相（400×）

圖6 形變熱處理金相（400×）

（4）壓力實(shí)驗(yàn)。壓力實(shí)驗(yàn)表明，形變熱處理后制件的屈服極限達(dá)到360MPa，而普通調(diào)質(zhì)制件的屈服極限350MPa。形變熱處理后制件的綜合機(jī)械性能大大優(yōu)于普通調(diào)質(zhì)工藝的綜合機(jī)械性能。經(jīng)過形變熱處理的軸承蓋可提高實(shí)際使用的可靠性。

5 強(qiáng)化機(jī)理分析

金屬的強(qiáng)度取決于原子間結(jié)合力及組織狀態(tài)兩大因素[3]。融入肌體中的合金元素只能在大的范圍內(nèi)改變?cè)娱g結(jié)合力。而各種加工處理過程只能改變組織狀態(tài)。

提高金屬?gòu)?qiáng)度的途徑有二：其一是盡可能減少金屬的組織缺陷，使之接近于理想的完整晶體；其二是在有缺陷的工業(yè)材料上通過一定的加工處理引入大量的位錯(cuò)以及造成阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。這樣，因位錯(cuò)本身的相互纏繞或受溶質(zhì)原子、沉淀相、晶界和亞組織等所構(gòu)成的障礙阻塞，造成晶格滑移困難，從而達(dá)到提高強(qiáng)度的效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

在金屬材料上合理綜合運(yùn)用形變強(qiáng)化與相變強(qiáng)化工藝，可得到更加滿意的強(qiáng)化效果。對(duì)一些重要零件的強(qiáng)化，提高綜合機(jī)械性能，具有重大實(shí)際意義。

[1] 王健安.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2] 鍛壓手冊(cè)編委會(huì).鍛壓手冊(cè)（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3] 朱正才.Cr12MoV鋼的鍛造與熱處理[J].熱加工工藝，2009，（19）：166-167.