齿轮锻坯等温正火工艺

来源:热处理实用数据速查手册作者:网络整理

  正火是汽车变速器齿轮、轴类零件锻坯预先热处理的常用工艺。目的是为了获得均匀、接近理想平衡状态的组织(铁素体和珠光体)和合适的硬度范围(160-190HB),以提高切削加工性和控制最终热处理变形。但常规正火由于受设备限制采用堆装、堆冷方式,会造成不同零件之间或同一零件不同部位的冷却速度及其组织、应力和硬度的较大差别,导致切削加工性能恶化和热处理变形加大,从而降低齿轮精度等级和影响齿轮的使用性能。

  另外,随着汽车行业中齿轮、轴类零件精度等级的提高以及Ni-Cr钢的普及应用,采用常规正火工艺已经不能适应生产的要求,为此我们公司于2007年底进行技术改造,购进了一条等温正火线,并于2008年六月份调试完成。在等温正火线的调试以及试生产过程中,我们对20CrMnTiH、20CrMoH、SAE8620H等材料进行了等温正火试验,通过工艺试验得出以下结论:要获得均匀分布的组织、硬度以及良好的机械切削加工性能,主要取决于正火工艺过程中快冷、缓冷的设计和等温温度、时间的确定。下面做一简单的总结回顾:

  等温正火及其关键工艺参数:

  根据常用低碳合金渗碳钢的奥氏体连续冷却转变曲线,奥氏体均匀化后,在随后的冷却过程中,由于冷却速度的不同,正火后不同零件之间或同一零件的表面与心部组织也不相同(铁素体与珠光体的含量比例或含有贝氏体)。要完全获得理想均匀的铁素体和珠光体,则对冷却速度的限制较为严格,这是常规正火很难实现的。

  等温正火的原理是将工件加热到AC3或ACcm以上30~50℃,保温适当时间后,以合适的方式冷却到珠光体转变区域某一合适温度,并在此温度下保温,使不同零件和同一零件的不同部位温度均匀化,并在该温度下均匀地完成铁素体+珠光体转变,然后在空气中冷却的正火工艺。

  由于不同零件和零件的不同部位基本上是在同一温度下完成组织转变的,所以转变产物及应力、硬度分布是均匀的,从而克服了常规正火过程中零件冷却速度难以控制、零件冷却不均匀的问题。

  等温正火处理包括三个工艺区间:(1)加热与奥氏体均匀化阶段;(2)中间冷却阶段(从奥氏体化温度冷却至等温处理温度的阶段);(3)等温处理阶段以及以后的空冷。

  1、加热与奥氏体均匀化阶段:关键工艺参数是加热温度与保温时间。

  与常规正火相同,这一阶段主要是为了消除锻造原因引起的不良组织与缺陷,达到组织、成分均匀化,为后续热处理获得良好的组织与性能打下基础。奥氏体化加热与保温阶段的温度选择与常规正火的相同,一般采用920~950℃。

  2、中间冷却阶段:这一阶段无论在设备制造上,还是对整个工艺设计,都是十分关键的问题。关键工艺参数包括装炉方式、快冷方式(包括冷风量及冷风方向)、快冷时间、缓冷方式(包括风量与风向)以及缓冷时间等。

  对于设备制造,要考虑风冷过程中冷却室各个部位冷却速度的均匀性,同时应考虑能实现快冷和缓冷的结合,从而实现不同零件之间或同一零件内、外部的温度均匀化,以便实现均匀的组织转变,在设备的调试过程中,对于这一点我们是有深刻体会的。而对于工艺,应调整好装炉方式与装炉量、冷却速度和冷却均匀性之间的关系。这一阶段是控制带状组织和避免非平衡组织转变的关键阶段。因此,在工艺上采取控制冷却的方式即以快速冷却方式冷却至接近铁素体转变终了线,然后采用缓冷方式使得零件之间或零件的不同部位温度均匀降至等温温度。

  3、等温处理阶段:关键工艺参数包括等温温度和等温时间。

  等温温度和等温时间应依据材料的等温转变曲线、装炉量和零件的有效厚度等加以确定,应充分保证奥氏体向铁素体和珠光体发生转变有足够的时间。

  二、等温正火应注意的几个问题:

  如前所述,材料的奥氏体等温转变曲线是制定等温正火工艺的依据,根据上述对等温正火中各阶段关键工艺参数的分析,在制定等温正火工艺时应注意以下几个问题:

  1、装炉方式和装炉量:等温正火对零件装炉方式和装炉量的要求较为严格,主要目的是为了在中间冷却阶段获得良好的冷却均匀性,避免散热的不均匀和散热的“死角”。装炉方式应保证通风顺畅,然后根据设备的有效尺寸要求确定装炉量。

  2、奥氏体化温度和时间的确定:按照常规正火温度的一般选择方法选择正火温度,对于低碳合金渗碳钢,同时应考虑相当于或略高于渗碳(或碳氮共渗)温度10~30℃,但是不要选择太高的温度,以防止实际晶粒不均匀长大的混晶或过烧组织的出现,因此一般选择920~950℃。为了避免奥氏体化加热时间过长,同时又保证零件表面和心部能够达到一致的组织状态,应考虑采用分段加热的方法解决,附加一段860~920℃的预热。

  理论上讲,奥氏体化保温时间越长,组织均匀性越好,尤其是对正火后带状组织的改善越有利。但是我们从生产的角度来考虑,更应该注重经济性和实用性,关注经济效益和生产效率,根据零件的装炉量、有效尺寸和装炉方式分析,选择2~4小时。对于20CrMnTiH、20CrMoH、SAE8620H等易于实现均匀化的钢材来说,一般选择2~3小时;而对于Ni-Cr、Ni-Cr-Mo钢中的高Ni钢,则为了使带状组织消除较好,一般奥氏体化时间应较长,可选择3~4小时。

  3、中间冷却阶段控制

  为了有效实现带状组织的控制,又避免贝氏体组织的出现,在工艺上应合理分配速冷时间和缓冷时间,尽可能实现在速冷后,部分完成铁素体的转变(可以采用红外仪测试零件的温度,速冷后零件表面的温度一般在700℃左右)。

  缓冷根据材料等温转变曲线和不同的材料,应使零件表面的温度控制在不同的范围,一般略高于等温处理温度20~30℃。

  4、等温温度和时间

  实际生产中,可以在一定温度范围内,通过调整等温温度达到调整齿坯硬度,以适应各种机械加工的需要。

  等温温度的选择是根据材料的等温转变曲线和齿坯硬度、带状组织要求和零件的尺寸、装炉量等来选择,原则是选取先共析铁素体与珠光体转变的“鼻子”附近温度范围。

  等温时间的选择往往根据实际生产经验来确定。参考文献中提出了确定等温时间的简单而有效的方法是:从等温出炉的一批零件中取出一件,放在水中冷却,然后比较等温后和正常空冷条件的硬度,如果水冷零件的硬度明显高于空冷零件的硬度,则说明等温过程不足,需要延长等温时间。

  三、等温正火齿坯的组织及性能要求:

  为了保证良好的机械切削加工性能和有效实现热处理变形稳定性的控制,齿坯等温正火一般应达到以下要求:

  1、等温正火处理后,显微组织应为均匀分布的铁素体与珠光体,允许有少量针状铁素体和轻微混晶存在,但不允许存在大块状分布特征的铁素体。

  2、晶粒度为5-8级。

  3、带状组织:按照GB/T13299-1991评定,应≤2级。

  4、无贝氏体。

  5、硬度及其均匀性:根据机械切削加工性能对材料硬度的要求,一般在160-190HB之间最佳,但从等温正火工艺和设备能力角度考虑,一般要求156-207HB。

  硬度均匀性:同一截面、同一毛坯件不同位置硬度差应≤8HB,不同毛坯件硬度差应≤15HB。

  通过对多种变速器齿轮、轴类零件进行等温正火工艺试验,我们解决了由于齿坯组织和硬度不均匀导致的机械加工困难问题,同时也改善了热处理变形的稳定性,降低了零件的报废率。

  四、结论:

  1、等温正火工艺的采用,实现了变速器齿轮、轴类零件齿坯质量的有效控制,从而改善了切削加工性和热处理变形稳定性。

  2.等温正火工艺制定的关键是依据奥氏体等温转变曲线,合理控制中间冷却阶段快冷、缓冷速度与时间和等温处理的温度与时间。

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