滲碳齒輪漸變攪拌淬火冷卻工藝研究

麻夢(mèng)梅

(陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 722409)

淬火冷卻是熱處理生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序之一。零件的淬火質(zhì)量關(guān)系到其最終的性能表現(xiàn)及使用壽命[1]。近年來,學(xué)者們對(duì)淬火攪拌進(jìn)行了大量研究,主要研究方向集中在淬火冷卻機(jī)理的研究[2],以及冷卻溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)[3]。淬火冷卻介質(zhì)(例如快速光亮淬火油)的使用溫度、攪拌速度、粘度、使用環(huán)境等,淬火工件的材料、結(jié)構(gòu)及尺寸等因素[4]都會(huì)影響零件最終的冷卻效果。其中攪拌速度對(duì)零件冷卻的影響非常大,合適的攪拌強(qiáng)度有利于介質(zhì)流程形成均勻穩(wěn)定的紊流[5],提高介質(zhì)冷卻能力,從而獲得均勻的硬度和較深的淬硬層,并控制工件畸變[6]。

目前,大部分零件淬火攪拌方式主要為快攪拌和慢攪拌,常用攪拌工藝如表1所示。通常熱后零件指標(biāo)合格,但內(nèi)花鍵變化較大,單一的攪拌方式已無法滿足特殊零件淬火冷卻要求,部分齒輪熱后表現(xiàn)為內(nèi)花鍵縮量較大,影響了工件熱后加工及合格率。

表1 常用淬火攪拌工藝

根據(jù)金屬熱力學(xué)原理,工件在馬氏體相變點(diǎn)附近淬火時(shí)要緩慢冷卻以減小淬火變形?；诖?本文對(duì)某滲碳齒輪的攪拌方式進(jìn)行對(duì)比研究,分析不同攪拌工藝下齒輪熱處理質(zhì)量及熱后變形情況,為同類零件熱處理質(zhì)量提升提供工藝參考。

1 試驗(yàn)方法

某滲碳齒輪零件結(jié)構(gòu)如圖1所示,零件重量為2.344 kg,材質(zhì)為20CrMnTiH3,化學(xué)成分如表2所示,熱前加工工序主要為粗精車、鏜孔、滾齒、插齒、剃齒。熱處理工藝如圖2所示,試驗(yàn)中采用愛協(xié)林STKEs-56/56/75-6+2×15+8-950CN連續(xù)爐生產(chǎn)線,配備快速光亮淬火油。零件熱處理技術(shù)要求為:1/2齒高處有效硬化層深0.84～1.34 mm,齒根硬化層深≥0.59 mm,表面硬度62～65 HRC,心部硬度30～45 HRC,心部無塊狀鐵素體,滲碳層組織1～5級(jí),晶間氧化≤0.02 mm;熱后內(nèi)花鍵跨球距要求85.485～85.369 mm。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及剖面示意圖

圖2 熱處理工藝

表2 零件化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

為了探究攪拌工藝對(duì)熱后內(nèi)花鍵變形的影響,將試驗(yàn)零件分為8組,具體攪拌工藝如表3所示,主要分為快攪拌、慢攪拌、先慢后快攪拌以及先快后慢攪拌等。所有試驗(yàn)零件均采用掛放方式進(jìn)行備裝,每組裝量及備裝位置均保持一致。試驗(yàn)結(jié)束后采用GX41F金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察,采用FM-700顯微硬度計(jì)和TH320洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè),采用3220-100C千分尺(75～100×0.01mm)進(jìn)行內(nèi)花鍵跨棒距檢測(cè)。

表3 不同攪拌工藝試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 熱處理指標(biāo)

熱處理后對(duì)試驗(yàn)零件的組織、層深、硬度等進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)零件硬度檢測(cè)結(jié)果如表4所示,心部硬度為40.60～42.60 HRC,平均值為41.73 HRC;表面硬度為62.60～63.80 HRC,平均值為63.13 HRC,硬度變化不大。

表4 試驗(yàn)零件硬度檢測(cè)結(jié)果(HRC)

不同攪拌工藝下試驗(yàn)零件的金相組織基本一致,表面為細(xì)小的針狀馬氏體及少量殘余奧氏體,心部為板條馬氏體,金相組織均達(dá)到3級(jí)以上,如圖3所示。

(a)齒面;(b)心部

不同攪拌工藝下試驗(yàn)零件的金相檢驗(yàn)結(jié)果詳見圖4。齒面層深為1.10～1.22 mm,平均值為1.17 mm;齒根層深為1.00～1.09 mm,平均值為1.04 mm;齒面梯度為0.62～0.73 mm,平均值為0.68 mm,均滿足技術(shù)要求且變化不大。

圖4 金相檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 熱后尺寸檢測(cè)

對(duì)比不同攪拌工藝下熱后內(nèi)花鍵尺寸變化量,試驗(yàn)結(jié)果如圖5～7所示。由圖5可知,第三組工藝下(0 rpm×8 s+400 rpm×30 s+1350 rpm×330 s)熱后內(nèi)花鍵縮量最小,平均值為0.095 mm,最大值為0.11 mm,且組內(nèi)變化量最小,僅0.02 mm;第六～八組工藝下(先快后慢攪拌),熱后內(nèi)花鍵縮量的變化相對(duì)較大,平均值在0.147 mm以上,最大值為0.245 mm;熱后內(nèi)花鍵橢圓度平均值在0.02以內(nèi),最大值為0.045,橢圓度變化不大。

圖5 熱后內(nèi)花鍵縮量

圖6 熱后內(nèi)花鍵組內(nèi)變化量

圖7 熱后內(nèi)花鍵橢圓度變化

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

零件的淬火過程是熱應(yīng)力和組織應(yīng)力同時(shí)產(chǎn)生、相互抵抗的過程,本身具有過程復(fù)雜、控制困難的特點(diǎn)。一方面,由于溫度的降低,零件表層和心部的溫度差導(dǎo)致體積膨脹不均勻產(chǎn)生熱應(yīng)力,冷卻速度和溫度差是影響熱應(yīng)力大小的主要因素,其中冷速越大,熱應(yīng)力越大。通常,零件淬火時(shí)的熱應(yīng)力形變主要發(fā)生在高溫階段。淬火冷卻初期,由于零件溫度較高,對(duì)扭曲變形較為敏感,因此對(duì)變形敏感的齒輪零件來說,淬火開始階段適合較慢的冷卻速度[7]。另一方面,在冷卻過程中,表層和心部相變不同而產(chǎn)生組織應(yīng)力,其大小與馬氏體相變溫度范圍的溫差和奧氏體與馬氏體之間的體積差有關(guān),奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過程使其產(chǎn)生組織應(yīng)力。結(jié)合零件本身壁厚不均勻的特性,在淬火過程中不同壁厚位置冷卻速率不一致導(dǎo)致零件各處產(chǎn)生相變時(shí)間點(diǎn)不同,局部位置收縮量不一致進(jìn)而產(chǎn)生變形,影響熱后尺寸。

試驗(yàn)過程中,淬火冷卻初期,淬火油先不攪拌,“靜止?fàn)顟B(tài)”下淬火油仍具有一定的冷卻能力,根據(jù)工件淬火時(shí)的對(duì)流傳熱公式[8],

qc=hcA=(Ts-Tf,∞)

式中:hc為流體與固體之間的平均對(duì)流熱傳遞系數(shù),W/m2·K;A為與流體表面的接觸面積,m2;Ts為表面溫度,K;Tf,∞為介質(zhì)與受冷卻物體之間的溫差, K。當(dāng)接觸面積保持一定,ΔT越小,傳熱速率qc越小,零件表面及心部溫度差越小,這在一定程度上降低了零件的高溫變形敏感性。

本試驗(yàn)中第二組、第三組攪拌工藝,零件先在靜止?fàn)顟B(tài)保持一定時(shí)間,再開啟慢攪拌,零件溫度冷卻至300 ℃左右時(shí)開啟快攪拌,此時(shí)介質(zhì)流速提高,介質(zhì)冷速和換熱系數(shù)均增大,通過攪拌帶動(dòng)介質(zhì)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)零件表面油溫的均勻一致性以及淬火組織轉(zhuǎn)變,熱后內(nèi)花鍵組內(nèi)穩(wěn)定性較高,且內(nèi)花鍵縮量相對(duì)其他組變量較小。

此外,靜止攪拌時(shí)間過長(zhǎng)將導(dǎo)致油品冷卻能力不足,此時(shí)零件組織轉(zhuǎn)變相對(duì)不充分,零件表面出現(xiàn)部分非馬氏體組織,如圖8所示,這對(duì)零件性能產(chǎn)生不利影響。對(duì)于壁厚較大的部位,由于心部與表面溫度差下降,熱應(yīng)力引起的零件變形相對(duì)較低[9],而對(duì)于壁厚較小的部位,已大部分完成冷卻過程。進(jìn)一步加快攪拌速度后,為組織轉(zhuǎn)變提供部分驅(qū)動(dòng)力,從而完成相變過程。但因前期冷卻能力不足,零件各部位無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻轉(zhuǎn)變[10],熱后內(nèi)花鍵縮量及組內(nèi)變化量均相對(duì)較大。

圖8 零件表面非馬氏體組織

相比第七、八組攪拌工藝,零件在靜止?fàn)顟B(tài)下直接快攪拌,淬火介質(zhì)中可能產(chǎn)生較多的氣泡,氣泡為熱的不良導(dǎo)體,與工件表面接觸導(dǎo)致局部散熱速度降低而產(chǎn)生軟點(diǎn)[11],從而影響淬火油冷卻性能,使得淬火時(shí)零件部分位置冷卻力不足,部分零件表面出現(xiàn)非馬氏體組織,冷卻過程中各部位組織應(yīng)力與熱應(yīng)力的不平衡導(dǎo)致熱后零件變形相對(duì)較大。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),先慢后快的漸進(jìn)式攪拌對(duì)提高同類齒輪類零件熱后尺寸穩(wěn)定性有一定的作用。

4 結(jié)論

1)不同攪拌工藝下,零件熱后組織及有效硬化層深基本一致;但淬火冷卻初期,冷卻不足可能導(dǎo)致熱后零件出現(xiàn)非馬氏體組織。

2)淬火冷卻初期,靜止攪拌時(shí)間過長(zhǎng)對(duì)冷卻過程不利。

3)對(duì)部分結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的滲碳齒輪零件,先慢后快的淬火攪拌工藝可以改善熱后尺寸穩(wěn)定性。