轴承钢制典型零件淬火畸变的综合控制

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欢迎访问e展厅 展厅 3 热处理设备展厅 退火炉, 渗碳炉, 盐浴炉, 真空炉, 淬火炉, ... 本文叙述的是一个重要传动零件(如图1所示) ，其整体硬度要求为58 ～62 HRC。从结构上看，其左端80mm 外圆处为零件的重要加工基准，这部分呈环形开口结构，由于缺乏内部支撑，在热处理的淬火过程中会出现明显的形状和尺寸变化。由于机械加工在某装置上预留的径向加工余量仅为0.10mm，所以需要对其淬火畸变加以严格控制。另外，此零件还具有外螺纹和内花键等结构，由于该零件在淬火后已呈高硬度状态，无法在淬火后进行补充加工，所以这些结构在淬火前就已加工至最终尺寸。机加工方面对热处理淬火工序提出允许的淬火畸变量如表1所示。 注：外螺纹和内花键部分在淬火前后进行检验时，分别使用的是同样规格的量具，故其允许的名义淬火畸变量为零。 一、影响淬火畸变的因素 1. 内应力的影响 在通常情况下，淬火零件的畸变包括尺寸变化和几何形状变化，但不论哪种畸变，主要都是由于淬火时零件内部产生的内应力所造成的。根据内应力形成原因的不同，又分为热应力与组织应力。零件的淬火畸变主要就是这两种应力综合影响的结果，如果应力大于材料的屈服极限，就会发生永久性畸变。淬火冷却是热应力与组织应力发生最集中的时段，特别是当淬火剂不纯或冷却能力太强时，引起的内应力更大，畸变也就更为严重。在零件淬火冷却的前期，主要是热应力起作用；在淬火冷却的后期，起主导作用的是组织应力。对于轴承钢来说，由于其Ms 点较低，残余奥氏体较多，故其淬火畸变主要是热应力畸变。 2. 零件尺寸和形状的影响 一般说来，如果零件截面比较对称，厚薄相差不大时，则其畸变比较规则、均匀。反之则零件淬火时除了表里冷却不同外，零件各个部位间的冷却也很不均匀，棱角及薄边部分冷却较快，而凹陷或沟槽处冷却较慢。由此可以得出这样的结论：截面形状不对称的零件在热应力作用下，畸变表现为向快冷面凸起；在慢冷面未淬透的条件下，畸变也将如此；而在慢冷面能淬透的条件下，零件在组织应力的作用下畸变表现为向慢冷面凸起。 对于上述的零件，由于零件的各部分薄厚不均，在加热和冷却时，各部分结构之间存在着较大的温度差，淬火畸变的倾向十分明显，所以在升温和冷却过程中应采取相应的措施以减少畸变的程度。 3. 机械加工的影响 机械加工时，由于零件各部分加工的切削量不同，势必会造成零件的一部分受到拉应力，而另一部分受到压应力。切削越多，这些应力也就越大。淬火前，如不对这些应力加以消除，就会在淬火时发生额外的畸变。 4. 热处理工艺的影响 适度降低淬火温度可以使热应力和组织应力都相应地减小，因而可在一定程度上避免零件发生畸变。另外，在冷却阶段，降低在Ms 点以下的冷却速度，也可减少因组织应力而引起的畸变。 二、热处理工艺特性分析 零件选用的材料是轴承钢GCr15Si Mn。这种材料在淬火组织中存在着两种亚稳定组织———马氏体和残余奥氏体，且有自发转化或诱发转化为稳定组织的趋势。同时，零件在淬火后处于高应力状态，在长时间存放或使用过程中，也极易引起尺寸改变，丧失精度，甚至开裂。通过回火可以消除残余应力，防止开裂，并能使亚稳组织转变为相对稳定的组织，从而稳定尺寸，提高韧性，获得良好的综合力学性能。 三、为控制淬火畸变而制定的综合措施 1. 增加预备热处理工序 经过切削加工的零件，往往存在着较大的残余应力。对于畸变要求较严格的零件来说，在最终淬火前的加工流程中，应进行多次去应力退火工序。对于该零件，由于加工比较复杂，可在整个工艺流程中进行三次真空去应力退火，第一次的保温温度为( 680 ±10) ℃，第二次和第三次的保温温度为( 640 ±10) ℃，三次退火的保温时间均设定为2h，保温结束后均在真空炉的冷却室里进行冷却。 2. 采用合理的淬火参数及方法 为了避免淬火后零件发生氧化，影响其加工精度，所以最好采用真空炉作为淬火加热设备。为减小热应力，淬火时的加热温度不易太高，时间不宜太长，冷却速度不宜太快，并应尽量保持零件各部分温度均匀一致。所以相对合理的淬火工艺是：先在再结晶温度附近(720 ～750 ℃) 预热30 ～40min，再随炉升至( 820 ±10) ℃这一下限淬火温度，保温时间缩短至40 ～50min，冷却方式采用油冷，此时可将真空淬火油的温度升至60 ℃以上，以减小淬火畸变的倾向。在真空淬火时，还可专门设计一个简易的淬火套圈对环形开口部位加以固定。零件在装夹时，可采用大头向下、孔口朝上的装夹方式，大而厚的部分先入油，小而薄的部分后入油，这样就可以进一步起到防止畸变的效果。 淬火后，为了尽可能减少残余奥氏体的含量，可迅速进行- 70 ℃以下的冷处理，冷处理的时间为1. 5 ～2h。冷处理后，零件内的残余奥氏体的含量将会降至6% 以下，这样就可达到稳定零件尺寸的目的。冷处理后，零件应在油炉中进行回火，回火的温度为( 180 ±20) ℃，保温时间为3 ～4h，冷却采用空冷的方式。综上所述，本零件各热处理工序及其工艺曲线如图2 所示。 四、工艺效果 通过采用以上的改进措施，经过近10个批次的生产试验，该零件的外螺纹和内花键这两个部位允许畸变量的合格率均为100 %，80mm 外圆对轴线跳动量以及其尺寸变化量的合格率均超过了95% ，取得了较为满意的效果。 五、结语 在工业生产中，重要和关键的零件大多要进行淬火，淬火中零件发生畸变是不可避免的，因此为了提高产品质量，降低废品率，减小淬火畸变是关键任务之一。经过理论分析、制定相应的措施并付诸试验。笔者初步摸索出了一些减小畸变的方法，并取得了一定的成效。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/2/2008)