带孔零件的热处理变形分析

来源:热处理工艺学作者:汪庆华

    孔径的胀缩是热处理中较复杂的问题之一,因为它难以用机械方法矫正。在孔径胀大超过公差时,零件的磨削精加工将无能为力。复杂孔型的变形更给机加工上带来极大困难,甚至会使费了很多工时加工出来的零件报废。

    带孔件的孔径,在淬火时变形的基本规律是:热应力引起孔径缩小而组织应力以及组织转变时的体积变化引起孔径胀大。

    我国许多工厂有着丰富的利用热应力缩孔的经验。将带孔件低于临界点加热后急冷,可显著缩小内孔,孔径越小,厚度越大时,缩小效果越好,冷却速度越快时,缩小效果也越好。另外为了强化缩孔作用,可使夹板夹住工件急冷,使外表面冷却速度大大地快于内表面,缩孔效果更好。此法可用来修复孔径已胀大的零件,也可用来抵消零件淬火时孔径胀大的倾向。热应力使孔径收缩的原因,在于冷却第一阶段外层热收缩给内孔部分以压力,使内孔发生塑性变形而缩小。

    组织应力产生的胀大作用由以下两方面引起:在内外都形成马氏体的情况下,外层先形成时给内孔以张力,使其发生塑性变形而扩大,与上述热应力方向正好相反,因此得到相反的效果;在外层形成马氏体而内孔部分未形成,或是内孔形成而外层未形成,都由于部分马氏体的形成引起整个工件的胀大。零件薄的环状工件内外差不多同时形成马氏体,从组织应力上讲是很小的,但从淬火前后体积变化来讲则是很大的(周围长度增加很多)。这种工件往往是胀大量最多的。所以带孔零件只要有马氏体形成,就增加了孔胀的因素。

    8-30为一个伞齿轮,40Cr钢制造,技术要求:硬度37~44HRC,内孔变形要求:,即只许缩,不许胀。采用的工艺是:预热450℃,40~50min,然后盐炉加热,825℃,40~50min。碱浴冷却,150℃,10min。采用硝盐炉回火420℃,20min空冷。结果:测量了三件孔径,均为-0.02mm回火后硬度为39~43HRC。变形控制好,质量合格。

    对于此零件曾进行过如下试验以设法进一步减小变形,即采用870℃加热,350℃硝盐等温淬火,28min,结果硬度为30HRC,孔变形+0.04mm。后改用880℃加热,300℃硝盐等温15min。结果硬度41HRC,孔变形+0.67 mm,证明硝盐等温淬火是不能达到要求的。因此将已胀大的工件修复(即加热到临界点A1以下用水冷,数次以后内孔恢复到原来尺寸)。再按上述碱浴分级,达到了技术要求。也试验过用油淬的,结果比硝盐等温淬火的内孔胀大还要多。

 

伞齿轮示意图

 

    8-30    伞齿轮示意图

    成功的经验是:

    40Cr钢直径90mm的齿轮,淬火时硬度较易达到,但往往发生内孔胀大。一般认为等温淬火(形成贝氏体)变形小,此件处理情况说明碱浴的分级淬火(形成马氏体)对防止内孔胀大是有效的,而等温淬火对40Cr钢这类零件来说,并不是防止内孔胀大的有效方法。与上述齿轮轴相反,防止内孔胀大时采用碱浴(急冷)比采用油淬(缓冷)具有更好的效果。

    为什么淬入碱浴的孔不胀大呢?从高温区冷却速度来看,碱浴最大,从低温区来看,碱浴分级后的空冷比油冷要小,即碱浴淬火比其他两种介质产生热应力大。可见碱浴淬火克服胀大的缺陷,主要是利用较大的热应力缩孔作用抵消了组织转变引起的孔胀。在生产中避免孔胀的基本方法是加大高温区的冷却不均匀性,使内外层冷却速度差增大。对于薄的环状件,可用夹板夹持淬入冷却剂,这就使原来因工件薄而内外层冷却差别较小的情况变为外层快,内层慢的冷却情况,如图8-31所示。在使用时应注意此种方法在钢淬透性较低而内孔又要求较高硬度的情况下是不能保证内孔硬化的。

 

环状零件收缩内孔夹板示意图

 

    8-31    环状零件收缩内孔夹板示意图

    除了用铁板夹持淬火这种促使收缩方法外,还有用水管将中孔冲水进行局部冷却的方法,比在水中淬火时收缩得还要多。也可将中孔零件淬火前用石棉和铁皮将外层包起来,淬火时同样能得到较大的收缩。这两种方法都是外部冷得慢,中孔冷得激烈,外部产生热应力,给中孔以压缩应力,而当中孔向马氏体转变时,体积胀大,膨胀的方向是向孔中心进行,因而造成收缩的变形。用这种方法修复已磨损扩大了的拔丝模的中孔很有效。

    零件的形状对于孔的胀缩也有显著的影响,例如图8-32所示的工件,AB两个尺寸对A向的变形有影响,一般A<B时,倾向于缩小,而A>B时,倾向于胀大。

 

带孔零件示意图

 

    8-32    带孔零件示意图