20CrNiMo钢拨叉热处理工艺试验

来源:热处理工程师手册作者:郭海祥

HEATTREATMENTOFMETALS

October2011

20CrNiMo钢拨叉热处理工艺试验

夏致斌

(株洲职业技术学院机械工程系,湖南株洲412001)

摘要:采用正交试验法,研究了温度、碳势、氨流量和保温时间对拨叉表面硬度、有效硬化层深度及表层组织的影响。优选的20CrNiMo钢拨叉的热处理工艺参数为:840℃保温30min,碳势1.0%,氨流量10L/min。关键词:拨叉;正交试验;有效硬化层深度;表面硬度

+中图分类号:TG156.82

文献标志码:A文章编号:0254-6051(2011)10-0065-03

Experimentonheattreatmentprocessof20CrNiMosteelshiftingfork

XIAZhi-bin

(DepartmentofMechanicalEngineering,ZhuzhouProfessionalTechnologyCollege,ZhuzhouHunan412001,China)

Abstract:Effectoftemperature,carbonpotential,ammoniaflowandholdingtimeonthecasehardness,effectivehardeneddepthandsurfacemicrostructureoftheshiftingforkwasstudiedbyadoptingorthogonalexperiment.Theoptimizedparametersof20CrNiMosteelshiftingfork840℃holdingfor30min,carbonpotentialis1.0%,ammoniaflowis10L/min.arefollowing,

Keywords:shiftingfork;orthogonalexperiment;effectivehardeneddepth;casehardness

拨叉是汽车变速系统中的关键零件之一,起着

变换车速、改变方向的重要作用。在冲击及磨损的条件下服役,因此,要求拨叉具有高的耐磨性和冲击性能,以及一定的强度和硬度。随着我国汽车工业的发展,对拨叉零件的需求量越来越大,质量要求越来越高。

为了开拓国际市场,引进了国外某型号重载卡车的系列拨叉零件的加工。由于该零件热处理的技术要求高,前期试验合格率不足30%。热处理工艺的研制开发成为拨叉零件批量生产的瓶颈。

收稿日期:2011-05-04

基金项目:湖南省教育厅科研项目(09C1309)

作者简介:夏致斌(1966—),男,湖南永州人,高级工程师,硕士,主要从mail:xiazbzb@事材料与金属热处理工艺的研究,发表文章12篇。E-126.com

验法,研究了温度、碳势、氨流量和保温时间对拨叉表

面硬度、有效硬化层深度及表层组织的影响,为制定该产品的热处理工艺提供参考。

1

1.1

工艺试验

技术要求与分析

该产品材料为20CrNiMo钢,要求碳氮共渗有效硬

化层深度为0.1~0.25mm,表面硬度锉试硬不小于62HRC,表面组织为隐针马氏体+残留奥氏体(企业003A~D级),标准TES-心部组织为马氏体+贝氏硬度高,组织必须满体。技术要求的难点在:渗层浅,

足TES相应标准要求。如果共渗时间过长,则容易超时间短则硬度难以保证;碳、氮浓度控制也必须精深,

细,否则表面残留奥氏体很容易超标,或者硬度难以达

到技术要求。

檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴

时,耐磨性最好。

参考文献:

[1]刘

平,李

谦,吴

磊,等.4Cr5MoSiV1热作模具钢等温淬火

J].金属热处理,1996,21(2):14-16.艺的研究[[2]谢冬柏,高

飞,王福会,等.H13钢的马氏体/贝氏体组织与性能

[J].金属热处理,2002,27(5):11-14.

[3]田保红,郑世安.马氏体-下贝氏体复相组织强韧化机理研究及实

1993,14(4):29-33.际应用[J].洛阳工学院学报,[4]方鸿生,郑燕康,周

欣.中碳贝氏体/马氏体复相组织强韧性的

J].金属热处理学报,1986,7(1):10-14.研究[

M/B下相界面增多,单位界面上在塑性变形中所承受从而延缓微裂纹的萌生,而任何能够的应力集中下降,

提高裂纹萌生和扩展抗力的措施都有韧化材料的效M/B下复相组织具有较好的韧性果。因而,

[3]

3结论

Cr12MoV钢经1020℃加热+280℃×3h等温淬

与常规淬火回火工艺相比,在冲击性火+回火处理后,

能不降低的情况下,耐磨性有所提高。等温时间为4h

661.2

试验条件

生产设备为UNICASE型箱式炉,由于设备使用年限较长,已经老化,所以各参数的稳定性较差,控制人为因素较大。试验过程对该设备进行了改造。

通过前期试验研究与调研分析发现,影响产品质量的关键因素有温度、碳势、氨流量和保温时间。

4

为此选用L9(3)正交表(如表1所示)设计试验研究温度、碳势、氨流量和保温时间对产品质量的影响

[1-2]

第36卷

1.2%,10、15L·min-1,氨流量分别选用5、保温时间

4

30、40min,分别选用20、按照L9(3)正交试验表格共

设计了9个试验,每炉试验按规定放置与产品同材料

的试品,对试品进行检验,获得有效硬化层深、表面硬度、表层组织、心部组织等结果

。试验采用废品零件填炉,在前后夹具的中心

位置各放置一个试样。采用HV-1000型维氏硬度计(载荷选用5kg)检测碳氮共渗有效硬化层深度和表面、心部硬度,用4XC型光学金相显微镜观测表面和

心部组织。

表1正交试验因素与水平

Table1

Factorsandlevelsoforthogonalexperiment

水平甲乙丙

丁温度/℃碳势/%氨流量/(L·min-1)

保温时间/min

18400.852028501.010303

860

1.2

15

40

2试验结果与分析

L9(34)正交试验结果如表2所示。表层组织为隐

针马氏体+残留奥氏体,用3.5%硝酸酒精腐蚀放大400倍。其中A、B、C、D、E、F、G代表残留奥氏体的级别,对应的含量分别为10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%,见图1;心部组织在所有试验条件下均获得马氏体+贝氏体组织,全部合格,故未列出。温度

分别选用840、850、860℃,碳势选用0.8%、

1.0%、表2L4

9(3)正交试验结果

Table2

Testresultsoforthogonalexperiment

试验方案甲乙丙丁有效硬化表面硬度/表层组织层深/mmHV5TES级别

111110.12676A212220.18780C313330.36726F421230.30795B522310.15715D623120.30722E731320.28703C832130.35795F9

3

3

2

1

0.27

676

E

图1

马氏体、残留奥氏体的评级图谱(TES-003)Fig.1Gradeatlasofmartensiteand

residualaustenite(TES-003)

2.1极差分析

表面硬度和有效硬化层深的极差分析如表3所

示。由表3分析得到,

在试验条件范围内,各因素对表面硬度的影响大小为:保温时间>碳势>氨流量>温

度;对有效硬化层深度的影响大小为:保温时间>碳势>温度>氨流量。其中氨流量对有效硬化层深度影响的差距很小。

表3表面硬度及有效硬化层深的极差分析Table3Limitvaluedifferenceanalysisofcasehardnessandeffectivehardeneddepth

水平表面硬度

有效硬化层深甲乙丙丁甲乙丙丁Ⅰ21822174219320670.660.700.770.54Ⅱ22322290225122050.750.680.750.76Ⅲ21742124214423160.900.950.791.01Ⅰ-7277247316890.220.230.260.18Ⅱ-7447637507350.250.230.250.25Ⅲ-

7247087157720.300.320.260.34极差

20

55

35

83

0.08

0.09

0.01

0.16

2.2

各因素对结果的影响分析试验结果显示,保温时间对其表面硬度影响最大,

由于时间短,表层高浓度的碳来不及扩散,淬火后残留

奥氏体量多,其中第3、6、8、9次试验的表层组织残留奥氏体量均超标,当时间延长后,表层活性碳往里扩

第10期夏致斌:20CrNiMo钢拨叉热处理工艺试验

67

散,从而降低了最表层的碳、氮浓度,所以看起来保温

[3]

时间对表面硬度的影响最大。

碳势、氨流量最佳参数都是2水平,即碳势为1.0%,氨流量为10L/min。碳、氮浓度既要保证淬火后获得足够的马氏体,使表面硬度满足工艺要求(>766HV5),同时又要保持一定的碳氮浓度梯度在规定的时间内不致使有效硬化层深度超标

[4]

淬火温度,温度愈高,渗速愈快,而且容易形成残留奥氏体,反而降低硬度。试验过程中,未出现有效硬化层深度小于有效硬化层深度下限要求及0.10mm的情而是经常出现超深,综合分析确定采用840℃,温况,

度低便于控制有效硬化层深度,产品变形趋势小,其中该产品的变形控制也非常关键。2.4

验证试验

用优化的工艺参数(温度840℃,碳势1.0%,氨流量10L/min,保温时间30min),连续生产3炉,表面。

影响有效硬化层深度的主要因素当然是保温时间,当选取保温40min时,深度全部超标,当保温时间为20min时,深度偏下限,即接近0.1mm,因此保温时间以30min时效果较好,

但必须配合相应的碳势和温度。碳氮势高,碳浓度梯度大,扩散快,容易超深,表层残留奥氏体也容易超标,比如第6次试验;温度高,扩散系数大,也容易超深,比如第7、8次试验。2.3

工艺参数的优化分析

分析对产品表面硬度的影响因素,可以得到优化工艺参数组合为:温度为2水平即850℃,碳势为2水平即1.0%,氨流量为2水平即10L/min,保温时间为3水平即40min。

分析对产品有效硬化层深度的影响因素,可以得到产品的优化工艺参数为:温度为1水平即840℃,碳势为2水平即1.0%,氨流量为2水平即10L/min,保温时间为1水平即20min。

综合以上分析,碳势与氨流量二者是一致的,可以确定取2水平,而温度和保温时间不一致。当保温时间为40min时,有效硬化层深度超深,产品不合格,

而保温时间为2水平即30min时,表2中第2次试验是合格的,因此可以考虑取2水平即30min。取1水平即20min有效硬化层深度的效果更好,表3中为0.18mm,但在随后的进一步试验与分析中,发现该产品在锻造过程中表面存在轻微脱碳现象,脱碳深度平均为0.05~0.10mm,试验时采用的试品是没有脱碳的,

因此取2水平是可行的。在产品批量生产试验时,切取产品检查,有效硬化层深度满足技术要求。同时发现如果锻坯脱碳深度超过0.10mm时,将严重影响产品的有效硬化层深度的控制,因此必须对锻坯严加控制,确保脱碳深度小于0.10mm[5]。

温度对表面硬度和有效硬化层深度的影响,分别为850和840℃时获得最佳效果,但是碳氮共渗后采用直接淬火,

因此,该温度既是碳氮共渗的温度,也是硬度和有效硬化层深度分别为782、

796、792HV5和0.20、0.16、0.18mm,表层组织见图2。经检验得出,生产的试验件质量符合技术要求

图2验证试验件的表层组织

Fig.2Microstructureofsurfacelayerofthe

experimentalparts

3结论

1)保温时间对表面硬度和有效硬化层深度的影响最大,碳势次之,碳势是影响表层组织残留奥氏体量的主要因素。

2)当温度为840℃,碳势为1.0%,氨流量为10L/min,保温时间为30min时,生产出的产品质量符合技术要求。

参考文献:

1]付艳艳,宋月清,惠松骁,等.用正交试验法优化VST55531钛合金

的热处理工艺[

J].金属热处理,2008,33(7):66-68.2]张冬匀.利用正交试验法对正火工艺的探讨[J].金属加工,2008

(9):36-39.3]毛

喆,李继良,黄宏武,等.碳氮共渗中碳势的控制[J].金属热处

理,

2010,35(4):110-111.4]王泾文.淬火温度对20CrMnTi钢组织和性能的影响[J].热加工工

艺,

2005(1):50-53.5]曲维忱,谢雁宾,曲

琦.汽车齿轮锻坯正火后异常组织的预防

[J].汽车工艺与材料,2000(6):40-42.