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淬火和回火处理中的案例与缺陷控制

【摘要】:圆板牙热处理工艺的制定应依据材料的淬透性和晶粒长大的倾向、球化组织的级别和具体的技术要求等,选用符合要求的热处理设备。图3-519CrSi钢制造的大板牙图3-519CrSi钢制造的大板牙图3-52大型圆板牙用淬火套圈2.柴油机摆臂轴淬火剥落裂纹和防止措施柴油机摆臂轴采用45钢制作,热处理技术要求整体硬度为50~55HRC,马氏体级别小于3级,回火充分。

1.圆板牙的热处理及变形的控制

1)圆板牙的应用和材料的选择

圆板牙是用来加工外螺纹的专用工具,在切削过程中其切削锥部分必须有高的硬度和耐磨性,同时要具有良好的韧性和强度。圆板牙属于薄刃工具,其韧部所受的冲击力不大;制造的材料组织中应含有均匀分布的细小合金碳化物颗粒,淬透性好,淬火应力和变形小,只有这样才能保证上述技术要求。

9CrSi钢为常见的合金工具钢,为过共析低合金工具钢,其主要化学成分为碳含量(0.85%~0.95%)、铬(含量0.95%~1.25%)、硅(含量1.20%~1.60%)。该钢的合金元素中硅不与碳结合,它在相变点Ac1以上则完全溶入奥氏体,提高了过冷奥氏体在贝氏体转变区域的稳定性,故明显提高了该钢的淬透性,同时采用分级或等温淬火的工艺方法,既获得了高的硬度又减小了变形。9CrSi钢退火后,由于硅能防止淬火马氏体析出的合金碳化物的聚集和回火时的分解,因此使其具有一定的回火稳定性。研究表明,该钢在250~270℃温度回火,其硬度仍保持在60HRC以上,表现出在较高的切削速度和温度下,还具有良好的工作状态。由此可知,9CrSi钢具有热处理变形小、良好的切削加工性及耐磨性和高韧性等特点,可以作为加工圆板牙的材料。

2)圆板牙的热处理工艺规范

一般圆板牙制造厂家的热处理工序为:预热→加热→冷却→清洗→硬度和金相检验→回火→硬度检验→清洗→发黑。

圆板牙热处理后的具体技术要求:基体平面硬度为60~63HRC;针状马氏体级别不大于3级;螺纹中径的变形量符合要求,即过端塞规全部通过;内螺纹表面无氧化和脱碳;发黑处理后为棕红色或棕黑色。

圆板牙热处理工艺的制定应依据材料的淬透性和晶粒长大的倾向、球化组织的级别和具体的技术要求等,选用符合要求的热处理设备。分析该钢的“C”曲线可知其淬透性时间小于10s,故淬透性好。考虑到9CrSi钢中含有Si元素,故在加热过程中容易出现脱碳现象,因此圆板牙应在盐浴炉、可控气氛炉或真空炉中进行热处理,才能确保产品的技术要求。淬火温度分别在850~860℃、870~880℃和880~890℃时,其晶粒度分别为8级、7级和5级。显然加热温度高,则奥氏体的晶粒粗大,力学性能变差,因此采用850~860℃为宜。其淬火冷却方式有分级淬火、等温淬火和油冷等。研究表明,圆板牙螺纹中径的膨胀量同冷却方法有直接的关系,为控制螺纹中径的变化量,在实际热处理过程中,采用分级淬火或等温淬火。常见的圆板牙的热处理工艺曲线如图3-50所示。

3)圆板牙的热处理变形规律

硝盐的分级和等温淬火的规律为:当加热温度不变时,介质温度越低(>150℃),螺纹的收缩越大;当分级和等温温度恒定时,加热温度越高(在工艺范围内),则螺纹越胀大。因此,大规格板牙比小规格板牙的分级、等温温度高。

由此可见,淬火加热温度对螺纹的变形有重要的影响,降低加热温度可明显减小螺纹中径的胀大变形量,变形的实质为:由于加热温度的提高,奥氏体中碳和合金元素含量增加,造成淬火后马氏体比体积增大和组织应力引起的塑性变形增加。另外对其进行分级或等温淬火,可以保持圆板牙内外温度的均匀一致性,有利于减少螺纹中径的胀量。研究表明,提高加热温度,主导应力方向的胀大变形量明显增加,尤其是超过一般加热温度(>870℃),螺纹的胀大变形量增加0.08%~0.18%。

图3-50 9CrSi圆板牙的热处理工艺曲线

4)关于控制螺纹淬火的几点注意事项

(1)采用挂架加热时,不允许调整槽口向上,这样会使板牙开裂和变形概率的增加。

(2)对特大型板牙(≥M80)而言,尽管采用最低的分级等温温度(150℃),但螺孔依旧胀大(图3-51),其原因在于板牙外层的冷却速度快,而内部冷却条件差,故外层首先收缩,对内部产生一定的压应力,加上内部有较高的温度,塑变抗力低,容易产生塑性变形,即造成表面大的部位向外伸展,而表面小的部位内缩。将板牙放入45钢制作的淬火夹具套圈内(图3-52),由于套圈大大减小了外圈的冷却速度,使圆板牙内螺纹和外圆的冷却差缩小,故减小了内应力的作用,控制了圆板牙内径的胀大。另外降低加热温度(860℃),分级温度增至180~190℃时,内径的变形也可控制在要求的范围内。

(3)大直径的圆板牙中心组织性能比小直径的差,为减小螺纹的变形应降低淬火加热的温度。

(4)由理论分析,提高等温或分级淬火温度,可使圆板牙的螺纹中径胀大;反之起到缩小的作用。而在实际热处理生产过程中,大规格的螺纹中径缩小而小规格胀大,即大规格的等温处理温度高于小规格的等温处理温度。

图3-51 9CrSi钢制造的大板牙

图3-52 大型圆板牙用淬火套圈

2.柴油机摆臂轴淬火剥落裂纹和防止措施

柴油机摆臂轴采用45钢制作,热处理技术要求整体硬度为50~55HRC,马氏体级别小于3级,回火充分。具体热处理工艺为:在820~850℃的中温盐浴中保温7~8min,冷却介质为温度在30℃以下10%的氯化钠水溶液,回火工艺为在200~240℃硝盐溶液中保温60~90min。热处理后发现,在半径2.5mm与圆柱面的交接处出现开裂而剥落,如图3-53所示。半径2.5mm开裂后边缘剥落出现缺陷的原因应从摆臂轴整个机械加工的流程进行分析。半径2.5mm与圆柱面交接处采用车削加工手段,由于原材料在加工后(边缘处)产生严重的加工应力(内应力),而在淬火前又未及时消除,在热处理过程中边角处产生裂纹,因此导致表面的剥落。

图3-53 柴油机摆臂轴淬火剥落裂纹

如果摆臂轴在切削后进行550~600℃的去应力退火处理,彻底消除加工造成的残余应力,则完全可以避免棱角、截面变化大的零件淬火裂纹的产生。也可采用表面淬火处理,如高频淬火,避开容易产生质量缺陷的部位。因此要充分考虑零件的机械加工过程可能对热处理变形和开裂的影响,尤其是对于薄壁、尖角、形状不对称、形状复杂、键槽、中心孔等,既要在零件的设计中尽可能地避免,也要采取一些必要的防范措施(如预冷、保护等),只有这样才能确保零件热处理后符合技术要求。

零件热处理前的原始组织状态和应力状态对零件的热处理质量有重要影响,一般零件在加工前应进行预备热处理(如退火、正火、调质处理等),为热处理提供合格的组织和为淬火做好准备,从而确保其基体的组织符合零件热处理的技术要求,同时改善零件应力状态,减少产生缺陷的因素。事实证明,对于形状复杂、截面突变、精度要求高、变形要求严格的零件,在热处理前或粗加工和精加工工序间增加去应力退火工序是十分必要的。另外,合理安排零件的工艺路线,即确定预备热处理、机械加工和热处理等工序的位置,是减少热处理过程中变形和开裂的有效的方法和措施。

3.M56高速钢丝锥热处理回火硬度不足

大型机用丝锥材质为W9Mo3Cr4V,经过淬火和回火后,丝锥方尾和端面的硬度值为58~60HRC,不符合63~66HRC的技术要求,需要进行球化退火后才能进行重新返工处理。

经过对仪表记录和丝锥实物的检查,发现其淬火的温度低于规定的温度(要求1210~1230℃,实际上为1190℃),晶粒度在10.5~11级,细于工艺要求的9.5~10级,组织中存在部分未溶解的碳化物,表明淬火的温度低,碳化物溶解较差。另外丝锥在进行分级淬火时(50%BaCl2+30%KC1+20%NaCl)的温度为640~650℃,高于规定的560~590℃的分级温度。因此造成碳化物的部分分解,影响了丝锥高温回火后的产品硬度。最后,对该批丝锥重新进行球化退火,在脱氧彻底的盐炉中进行,退火后的硬度在250HBW以下,第二次淬火的温度为1120℃,并进行580℃的分级淬火。返工丝锥的硬度为63~65HRC,符合技术要求。

4.高速钢滚刀产生的回火裂纹

对高速钢(W6Mo5Cr4V2)滚刀在冬季进行正常的盐浴淬火后,将整筐滚刀清洗干净转入高温回火炉回火,进行三次高温回火,冷至室温后检查硬度和晶粒度时发现滚刀的齿根处有裂纹,造成本批滚刀全部报废。检查滚刀的金相组织和硬度,晶粒度为9.5~10级,回火充分,没有粗晶现象,表面温度和加热时间符合工艺要求。对裂纹处进行检查,裂纹两侧晶粒均匀,无氧化脱碳,材料本身无偏析,组织正常。

通过以上分析可以看出,回火裂纹的产生同回火过程中快速冷却有关。调查中发现,为了缩短滚刀二次回火和三次回火的间隔时间,每次回火后均用电风扇强力吹风,滚刀表面快速冷却,而内部仍处于较高的温度,随后表面的残留奥氏体迅速转变为马氏体,二者之间的比体积有明显的不同,加上内外组织转变的不同时性和不一致性,造成表面体积膨胀,受拉应力的作用,内部为压应力,最后造成滚刀的表面开裂。