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1、精品学习资源利用锻造余热等温正火稳固渗碳淬火变形规律一、概述1. 汽车渗碳钢件地现状与进展汽车齿轮、传动轴等重要零件一般均采纳低合金渗碳钢制造,这类钢材是汽车用合金结构钢中使用最广、用量最大地钢种之一,一般都需要经过锻造、预先热处理、切削加工、渗 碳、淬火、回火等多道冷热加工工序,以获得高地表面硬度和较好地心部韧性,使工件具有耐磨、耐疲惫和耐点蚀等良好地特性.由于各国资源和工业进展地体会不同,各国地各大工厂使用地渗碳钢种也不完全相同. 目前 ,各国标准中列出地渗碳钢钢号比较多,汽车齿轮用渗碳钢主要是低碳合金钢,其中 Cr 钢、 Mn 钢和 Mo 钢用于次要和小尺寸齿轮,Cr - Ni 钢、 C
2、r - Mn 钢、 Cr - Mo 钢、 Mn - Mo 钢和 Cr - Ni - Mo钢用于尺寸较大地重要零件.随着汽车产品技术水平地日益提高及市场竞争地日益激化 , 汽车齿轮用钢正处于由各大企业地体会型向科学化、国际化方向进展地过渡阶段 ,由各具特色地Cr - Ni 钢、 Cr- Ni - Mo钢、 Ni - Mo 钢向低成本、通用地Cr - Mo 钢过渡. 因此必需采纳相应合理地热处理新工艺与之相协作.2. 渗碳钢件锻造毛坯预先热处理地现状及存在地问题锻造毛坯地预先热处理,不仅对切削加工性能有极大地影响,而且对最终热处理变形也有重大影响 .为了提高齿坯地可切削性,排除锻造应力 ,使组织匀
3、称化 ,目前国内对渗碳钢齿坯普遍采纳正火处理 .正火是将钢材或钢件加热到临界点Ac3 或 Ac m 以上地适当温度 ,保持肯定时间后在空气中冷却,得到珠光体类组织地热处理工艺. 正火是一种传统地老工艺,因其设备、工艺要求简洁 ,能耗少 , 始终被广泛采纳 ,但并非完善无缺 .随着汽车工业地进展及对产品质量要求地提高,特殊是引进车型用钢材料地多样化,一般地正火处理已达不到齿坯预先热处理地目地.鉴于一般正火处理是将钢件加热到高温奥氏 体化后在空气中 有时吹风 冷却到室温 ,属于毛坯热处理 ,加之以往对正火钢件要求地硬度范畴较宽 156 207HBS, 一般不检查显微组织 ,加之又多在锻造工厂 车间
4、进行 ,故通常简洁被人们所忽视 . 对于锻件正火后到底需要获得什么样地显微组织外形和硬度指标,既缺乏深化理论讨论 ,又缺少生产性实践探讨.实际上我国目前普遍存在这类零件切削后表面粗糙、切削刀具使用寿命低、渗碳淬火前后变形波动较大等问题,这些与正火显微组织不良、硬度不佳有亲密地关系 .欢迎下载精品学习资源在实际生产中 ,渗碳钢锻造毛坯经正火处理后,由于不能掌握正火地冷却速度,因此奥氏体分解相变无法掌握 ,必定在一个温度区间内连续进行,因而获得地显微组织和硬度也可能不同 .有些钢件由于冷却速度较大,有可能局部甚至全部获得非平稳组织 - Fe 魏氏组织、贝氏体等 ,这不仅影响切削加工性能,而且也会转
5、变钢件渗碳淬火后地变形规律,会因变形过大而报废 ,这种情形在淬透性波动较大地钢中更易显现.对于冷却速度较小地钢件,由于钢地硬度过低 ,切削时易发生塑性变形,形成切削瘤 ,显现 “粘刀 ”、“烧刀 ”现象 .一般热处理地变形量随机加工变形量地增大而增大,由于机加工工艺不当 ,如拉削速度过快、刀具磨损切削时所造成地残余应力、拉削过程中基准面不平、存在铁屑等异物、齿轮拉花键孔时出孔方向不当等都可使热处理变形量增大.通过改进机加工工艺 ,加工变形量可得到有效掌握.近年来 ,随着引进车型带来齿轮材料多样化和对齿轮质量地高标准要求, 采纳一般正火处理已难以满意汽车生产地要求. 锻件地正火处理不仅要求硬度在
6、一个较窄地范畴之内钢件切削加工时易断屑、表面光滑, 而且要求获得稳固地显微组织较粗地铁素体晶粒加较细地珠光体 ,以改善切削加工性能及稳固渗碳淬火后地变形规律.美国金属学会向能源部提交地国际研发方案中 ,提出地目标之一就是 “努力达到热处理零件地零变形和最大限度地匀称性”.为了满意上述要求,需对正火工艺进行改进,以获得正火所要求地显微组织和硬度范畴.二、渗碳钢地正火工艺正火是渗碳钢锻件预先热处理地主要手段.其目地是排除或改善坯料制备时所造成地各 种组织缺陷 ,获得最利于切削加工地组织和硬度,改善组织中相地势状和分布,细化晶粒 ,为最终热处理做好组织预备.1. 钢地正火组织、硬度与切削加工性能材料
7、地切削加工性是指对某种材料进行切削加工地难易程度.钢件地切削性能 ,主要取决于其力学性能和显微组织,而力学性能又受显微组织地影响.被加工钢件地硬度、强度越 高, 刀刃插入和劈开表面层地阻力越大,切削热越高 ,刀具磨损也就越快；钢件地硬度、强度过低时 ,塑性往往增大 ,切削时不易断屑 ,而且钢件简洁与刀刃粘结,刀具简洁发生冷焊磨损,使刀具地使用寿命降低 ,而且简洁产生积屑瘤使加工表面质量恶化,增加钢件表面粗糙度 .在相近地力学性能下 ,钢料地显微组织对切削加工性能有明显地影响.面心立方晶格地奥氏体与体心立方晶格地铁素体相比,因其形变硬化指数高、导热系数小、原子间结合力强等,使切削加工性能降低 .
8、贝氏体特殊是粒状贝氏体,因含有难加工地岛状马氏体和残留奥氏体,比珠光体切削加工性能差 .在铁素体加珠光体地显微组织中,粒状珠光体因比片状珠光体地塑性欢迎下载精品学习资源高而使切削加工性降低.钢地显微组织中有硬质相或组织, 如碳化物、氮化物、硼化物或马氏体等 ,对刀刃有机械磨损作用,它们地硬度越高、数量越多、尺寸越大、外形呈尖角、分布不匀称 ,损耗刀具越严峻 . 严峻地带状组织和混晶组织也会使钢料地切削加工性能恶化.因此 ,为了提高钢料地切削加工性能,应使其既软 低硬度、低强度 又脆 低塑性 ,并需要相应地显微组织与之协作.对于合金渗碳钢 , 硬度一般以 170 180HBS 为宜 ,但随着含碳
9、量降低 ,硬度应适当提高 .其显微组织应为：由较粗晶粒3 5 级地奥氏体形成地先共析铁素体加细片状珠光体 渗碳体片薄易破裂为宜,而且先共析铁素体大小和珠光体层间距离应基本相同 .此外 ,当先共析铁素体呈网状或断续网状时,钢料地拉削和切齿加工性能更好,然而要获得这样地硬度和显微组织,钢件不经过正确地预先热处理是不行地.2. 钢地正火组织、硬度与渗碳淬火地变形齿轮地设计结构尺寸、材料、锻造、预处理、机加工及热处理显微组织与应力分布所导致地变形都会影响成品齿轮地精度,明显地变形量产生于渗碳淬火冷却过程中.由于变形 引起地齿轮几何外形地变化,实质上是产生噪声和局部应力集中地根源,这使其使用寿命降低.
10、而且对于大多数汽车渗碳钢件,渗碳淬火后一般不进行磨削加工,其渗碳淬火后地变形直接影响到装配总成地最终质量,因此渗碳零件热处理时地变形必需严格掌握. 影响渗碳钢件变形地因素许多 ,主要有如下几个方面：零件外形；材料 钢种、淬透性等 ；锻造；毛坯热处理；机械加工；渗碳淬火规范. 对于大量生产地汽车零件,在影响渗碳钢件变形地诸多因 素中 ,人们地留意力往往集中在渗碳淬火方面, 而最易忽视地是锻坯地预先热处理 正火. 在实际生产中经常显现地零件渗碳淬火后变形过大现象,往往是由于预先热处理不当引 起地 .变形地表现形式是多样地,但就其产生根源 ,可分为内应力 热应力和组织应力 造成地应力塑性变形和比体积
11、变化引起地体积变形即体积容变形 .由于渗碳淬火前后钢件地显微组织不同 ,而不同地显微组织地比体积是不同地,因而钢件渗碳淬火后地体积必定与渗碳淬火前不同 .不同地体积变化 , 对于厚薄不均地零件又会引起外形变化.但是只要把握其尺寸变化规律 ,通过掌握切削加工前留好地预变形量, 就可以使零件渗碳淬火后少量变形甚至不变形.三、锻造毛坯等温正火对切削加工及渗碳淬火后奥氏体晶粒度、变形地影响齿坯采纳等温正火,能够对相变进行掌握 ,即齿坯奥氏体化后 ,快速冷却到 A1 以下地珠光体相变温度等温,使相变在等温温度下进行,由于等温正火能够有效地掌握冷却时地相变,使相变在等温温度下进行,防止了带状组织超差 ,非
12、平稳欢迎下载精品学习资源组织 - Fe 魏氏体组织、贝氏体组织、马氏体组织地显现 ,为切削加工及渗碳淬火做了组织和性能上地预备 .1. 等温正火对切削加工地影响钢件地切削加工性能对于大批量、连续化、多刀切削生产地汽车制造至关重要.如前所述, 钢件地切削加工性能主要取决于其力学性能和显微组织,而力学性能又受显微组织地影响, 一般正火因其奥氏体化后在空气中连续冷却,使其冷却慢地部位简洁形成铁素体带和珠光体带相互交叉地带状组织.这类组织热处理变形大,带有各向异性 ,影响加工表面地粗糙度, 冷却快地部位简洁形成粒状贝氏体组织、增加毛坯地硬度,不利于零件地加工,并对其后地 热处理变形产生影响 .由于等温
13、正火较一般正火能够有效地防止贝氏体组织, 带状组织等非正常组织地显现 ,能够有效地掌握正火后地硬度,满意 160 180HBS 地硬度要求 .因此 ,等温正火处理地钢件切削加工性能较一般正火大大提高.我厂于 2001 年 1 月份研制了等温自动正火线,将锻造毛坯地一般正火改为等温正火.锻造毛坯采纳等温正火处理后,我厂下工序底盘厂钢件地切削加工性能明显提高,在产量提高 地情形下 ,2001 年全年刀具消耗较2000 年降低 1/3, 且提高了零件加工精度,降低了废品率 , 降低了零件表面粗糙度.2. 等温正火对渗碳淬火后奥氏体晶粒度地影响实施利用锻造余热等温正火工艺,需要解决钢件停锻后奥氏体晶粒
14、粗大且在冷却时不能细化、而在渗碳后又必需具有细小地奥氏体晶粒地问题,需对锻造余热等温正火渗碳淬火后地奥氏体晶粒大小进行测定.将经锻造余热等温正火炉处理地22CrMo 试样放入坩埚中 ,以石墨粉作爱护剂 ,放入加热炉 ,模拟渗碳加热 ,重新加热到 930 ,保温 90min, 而后淬火冷却 . 经抛光后用 60 地含有 0.5% 1% 烷基璜酸盐苦味酸饱和水溶液腐蚀,测定奥氏体晶粒大小 热蚀法 ,如图 1 所示 .同时将模拟锻后直接淬火处理地试样也用热蚀法腐蚀,测定奥氏体晶粒度 ,即为渗碳淬火前原始奥氏体晶粒度.锻造余热等温正火处理地试样经渗碳淬火后地晶粒大小与原始晶粒比较,晶粒显著细化 ,晶粒
15、度可达 9 级以上 ,而原始晶粒度达 3 级左右 .由此可以得出 ,经锻造余热等温正火获得地粗大铁素体+珠光体组织 ,在后序渗碳加热时可以重新细化 ,获得细小、匀称地奥氏体晶粒.讨论证明 ,加热原始组织为有序粗晶粒组织 非平稳组织马氏体、贝氏体等 时, 可能导致形成地奥氏体晶粒与原始组织晶粒相同地势状、大小和取向 ,显现组织遗传现象.而加热原始组织为等轴状先共析铁素体和珠光体地平稳组织时, 粗大晶粒地性质发生根本性转变,可以使晶粒重新细化 .欢迎下载精品学习资源3. 等温正火对零件渗碳淬火后变形地影响对选用 22CrMo钢制造地汽车后桥减速器从动锥齿轮分别进行一般正火与等温正火处理, 经机械加
16、工及渗碳淬火后,比较零件变形情形 .在对比变形试验中,保证每种零件地机加工艺及热处理渗碳淬火工艺相同,从而对比一般正火与等温正火对零件变形地影响.后桥减速器从动锥齿轮变形要求为:平面度 0.10mm,椭圆度 0.08mm.各随机抽样 100 件成品零件进行测量 ,预处理为一般正火地零件变形分布规律见图3 ；预处理为等温正火地零件变形分布规律见图 4.以后桥减速器从动锥齿轮为例进行变形分析,在预处理为一般正火地成品零件中随机抽 样 100 件,椭圆度、平面度超差地不合格零件,共 29 件,其变形符合要求地合格品率为71%. 从图 3 中可以看出 ,无论是内孔变形仍是平面变形,其变形数据集中在上限比例偏高,占 60. 7%, 变形数据在下限比例仅占10% 15 %, 而且样本极差偏大,样本均值偏技术要求上限.由此可见 ,预处理为一般正火地零件,渗碳淬火后其变形统计数据地分布不是一个合理地分布, 数据离散程度较大 .在预处理为等温正火地成品零件中随机抽样100 件,椭圆度、平面度不合格零件共 2 件, 其变形符合要求地合格品率为98%. 从图 4 中可以看出 ,内孔、平面变形数据比较集中 ,变形数据地 85 % 90 % 落在中下限 ,而且样品极差和均值也比较小.由此可见 , 预处理为等温正火地零件,渗碳淬火后其变形统计数据地分布比较合理,概率密度曲线近似 正态分布 .欢迎下载