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紅外測溫儀在差速器齒圈余熱正火工藝上的應用
文章來源:西安紅外儀器檢測網   更新時間:2017-09-20   閱讀:52

        汽車齒輪件的等溫正火工藝已得到了同行業的認可并取得了廣泛的應用,但鍛件的余熱正火理論上雖有斷斷續續的研究報道,節能也非常顯著,但實際應用上卻很少有成功的先例,并未得到廣泛的應用。究其原因主要是鋼件在停鍛后的奧氏體晶粒比正火重新加熱的顯著粗大,擔心這種粗大晶粒會在滲碳加熱時發生組織遺傳,使零件的服役性能惡化。二是鍛件停鍛后鋼的奧氏體晶粒粗大和碳濃度分布均勻,使珠光體轉變滯后,冷卻時容易獲得馬氏體、貝氏體、魏氏體等異常組織,使切削加工性能惡化。


我司通過校企合作,自2007年成功研制出國內第一條網帶式等溫正火生產線以來,目前鍛件余熱正火工藝在我司汽車差速器齒圈上已進行了應用,并取得了一定的成效。本文著重敘述差速器齒圈產品余熱正火后的質量情況及其后續應用情況。


1.產品介紹
差速器齒圈是汽車變速箱上的一個重要零部件,有幾種產品規格。材質為20CrMnTiH,每件重量在4~8kg。每種規格年產量約60萬件。
鍛造余熱正火工藝流程為:下料→中頻加熱(紅外測溫儀控制鍛件溫度)→粗鍛→精鍛→切邊沖孔→控制冷卻→等溫爐保溫→拋丸→轉后續粗加工。


2.余熱正火工藝質量情況
余熱正火后,工件的正火金相、硬度、晶粒度進行了全面檢測。金相、硬度檢測部位如圖1所示。

 

                                    圖1                                                      圖2                                         圖3


鍛件余熱正火金相和等溫正火金相分別如圖2、圖3所示

為驗證余熱正火工藝的質量情況,將余熱正火工藝與等溫正火工藝后的檢測情況進行了對比(見表1)。


表1 余熱正火工藝與等溫正火工藝后的檢測情況


檢測項目

金相組織/級

硬度HBW

晶粒度/級

帶狀組織/級

魏氏組織/級

貝氏體組織/級

技術要求

1~3(鐵素體+珠光體)

160~190

5~8

≤2

≤1

等溫正火工藝

2(鐵素體+珠光體)

165~170

7~8

1

余熱正火工藝

2(鐵素體+珠光體)

180~185

4~5

1

 

 

從檢測結果看,兩種工藝都滿足金相組織、帶狀組織、硬度等技術要求,魏氏組織、貝氏體組織等不良組織均未出現,鍛造余熱正火晶粒度要粗于等溫正火晶粒度。

為進一步驗證余熱正火產品對后續加工及滲碳淬火變形的影響,取10件余熱正火件與正常等溫正火工件拼裝入爐,出爐后拋丸,跟蹤產品的熱前加工,檢測滲碳淬火前后的齒形、齒向、累積和M值,并將所有試驗件在變速器上裝箱,進一步查看樣件裝配運行情況。

產品加工后滲碳前齒形、齒向及累積的檢測結果如表2所示。

 

表2  滲碳前檢測結果


標號

齒向

齒形

累積

L

R

級別

L

R

L

R

22

-184

94

9

32

4

346

229

55

-171

102

9

29

8

222

241

0

-184

100

9

27

1

338

253

88

-184

104

9

22

-2

301

270

77

-174

99

9

23

3

297

324

44

-172

102

9

30

4

299

245

66

-187

96

9

23

-1

314

254

33

-179

105

9

27

2

519

278

11

-171

106

9

26

5

278

355

99

-176

102

9

27

4

259

375

滲碳淬火后齒形、齒向、累積的檢測結果如表3所示。

 

表3  滲碳淬火后檢測結果


標號

齒向

齒形

累積

齒向一致性

L

R

級別

L

R

L

R

 

22

175

101

10

-106

-54

526

280

不合格

55

87

137

9

-160

-27

495

351

合格

0

28

49

7

-86

-52

528

305

合格

88

16

50

9

-91

-68

486

692

合格

77

22

56

8

-82

-46

440

334

合格

44

23

66

8

-73

-45

475

584

合格

66

66

88

9

-114

-51

544

498

合格

33

32

102

9

-97

-46

464

525

合格

11

40

64

8

-143

-75

462

579

合格

99

-8

57

8

-101

-62

366

518

合格

滲碳淬火前后齒形、齒向及累積變化量如表4所示。

 

表4  滲碳淬火前后變化量


標號

齒向

齒形

累積

L

R

級別

L

R

L

R

22

359

7

0

-138

-58

180

51

55

258

35

1

-189

-35

273

110

0

212

-51

-2

-113

-53

190

52

88

200

-54

0

-113

-66

185

422

77

196

-43

-1

-105

-49

143

10

44

195

-36

-1

-103

-49

176

339

66

253

-8

0

-137

-50

230

244

33

211

-3

0

-124

-48

-55

247

11

211

-42

-1

-169

-80

184

224

99

168

-45

-1

-128

-66

107

143

熱前、熱后齒輪M值檢測分別如表5、表6所示。

 

                                            表5  熱前M值檢測                                              表6  熱后M值檢測


標號

M值

 

標號

M值(196.313~196.433)

1

2

平均值

 

1

2

平均值

22

196.380

196.380

196.380

 

22

196.410

22

196.410

55

196.390

196.390

196.390

 

55

196.395

55

196.395

0

196.370

196.370

196.370

 

0

196.450

0

196.450

88

196.368

196.380

196.374

 

88

196.402

88

196.402

77

196.400

196.390

196.395

 

77

196.450

77

196.450

44

196.385

196.380

196.383

 

44

196.420

44

196.420

66

196.380

196.375

196.378

 

66

196.417

66

196.417

33

196.390

196.390

196.390

 

33

196.450

33

196.450

11

196.390

196.390

196.390

 

11

196.403

11

196.403

99

196.390

196.397

196.394

 

99

196.400

99

196.400

滲碳淬火后,從100倍表面滲層金相圖,500倍心部組織金相圖看,晶粒得到了進一步細化,未發現有粗大晶粒的組織遺傳。


所有跟蹤結果表明:


(1)余熱正火件切削加工性能優于正常的等溫正火件。

(2)樣件熱處理前齒向、齒形均符合工藝要求,熱處理后,齒向變化最大為0.0346mm,齒形變化最大為-0.0189mm,其中標號22工件齒向級別為10級,其余均在9級之內,齒向一致性22號左齒偏大,其他均合格,一致性合格率為95%,高于正常工件一致性數值87.5%
(3)樣件累積均符合要求,變化最大值為0.0422mm,累積最大為0.0692mm,累積合格率為100%。
(4)該批次驗證件齒形、齒向、累積變化較正常工件小,M值變化趨勢不明顯。
(5)余熱正火產生的粗大晶粒,在滲碳淬火后晶粒得到了細化,粗大晶粒并未產生組織遺傳。
(6)所有樣件在汽車變速器上裝箱,裝配全部合格。


3.產品質量原因分析


由于余熱正火件正火后需成型刀具進行切削加工,因而要求正火件具有良好的切削加工性能。同時,工件加工后需經滲碳、淬火、回火處理,因而除要求鋼件具有良好的切削加工性能外,還要求切削加工后的鍛件具有穩定的相同的變形規律。


滲碳齒輪鋼的切削加工性能的好壞與鋼的顯微組織和力學性能有密切關系。它要求這類鋼強度低(易進刀)、脆性大(易斷屑),而且組織比較均勻,不得有過硬、過韌、過軟的大塊組成物的存在。因此齒輪鋼正火硬度要求以160~190HBW,同一零件硬度散差≤10HBW為宜;最佳顯微組織為晶粒較大(3~5級)的奧氏體形成的先共析鐵素體加珠光體。不得有貝氏體、魏氏體等異常組織出現。從表1的檢測結果看,本批余熱正火試驗件硬度180~185HBW,硬度均勻,金相組織均勻,沒有異常組織出現,晶粒度4~5級,遠粗于等溫正火晶粒度。因此,試樣件的切削加工性能,余熱正火件優于重新加熱的等溫正火件。


齒輪鋼滲碳前后的畸變,與淬火前的顯微組織和力學性能也有一定的關系,其既影響鋼件體積變化規律,又影響切削加工后的殘余應力。體積變化和殘余應力較大,尤其是分布不均勻,均使淬火后的畸變加大。由于余熱正火件晶粒較粗,斷屑容易,硬度和金相組織分布均勻,因此余熱正火件切削加工后的殘余應力低于等溫正火件。同時由于鐵素體、珠光體比容小于貝氏體,它們的體積變化遠低于馬氏體、貝氏體的體積變化,擁有平衡組織的余熱正火件,在隨后的滲碳淬火的畸變相對較小。因此余熱正火件的滲碳淬火后的變形小于正常的等溫正火件。


產品鍛后余熱正火,由于鍛后溫度(1000~1100℃)遠高于重新加熱的正火溫度,在高溫下停留時間長。因此余熱正火晶粒明顯粗于重新加熱的等溫正火晶粒,晶粒很難得到細化,只要余熱正火中沒有貝氏體等異常組織出現,粗大的平衡組織在隨后的滲碳淬火中,粗大組織不會遺傳,經過重結晶,晶粒又會得到進一步細化。圖四、圖五中,也未發現有粗大的晶粒存在。因此,不必擔心余熱正火的粗大晶粒會對產品性能造成不良影響。但必須要確保粗大晶粒是平衡組織,即鐵素體+珠光體組織。


4.鍛造余熱正火質量控制要點


根據產品形狀及材料特征,在實施鍛造余熱正火過程中,重點應控制以下質量要點:


(1)原材料控制


原材料的質量嚴重影響產品質量的穩定,特別是化學成分的均勻性、低倍、偏析、帶狀等級等。因此,應對原材料的每個爐號進行入廠理化檢驗,以確保原材料的質量穩定。


(2)鍛造溫度的控制


鍛造加熱溫度、終鍛溫度必須穩定,應保證鍛件加熱充分,工件的心表、頭尾溫差不得超過50℃。因此,必須選擇合適的中頻感應加熱裝置,坯料的加熱運行速度、鍛造節拍必須恒定,同時,在加熱爐出料口應安裝紅外測溫儀和三分選裝置,保證工件的鍛造溫度和終鍛溫度在工藝要求溫范圍內。

(3)鍛后冷卻速度的控制


鍛后控制冷卻,是鍛件余熱正火關鍵。鍛件在冷卻過程中,不得有馬氏體、魏氏體、貝氏體等異常組織出現。因此,需嚴格控制鍛件終鍛溫度、鍛件冷卻速度、鍛件冷卻時間和最終進等溫爐的鍛件溫度(通過紅外測溫儀進行在線監測)等工藝參數。因這些工藝參數受鍛件尺寸、鍛件結構及鍛件重量大小的影響,因此,冷卻工藝參數不能一概而論,必須經過大量的工藝調試,找出最適宜的工藝參數,并進行工藝固化,才能達到正火技術要求。


(4)鍛件等溫溫度和等溫時間的確定


 等溫溫度和等溫時間是余熱正火硬度和正火組織轉變的有力保證,等溫溫度越高,晶粒粗大,帶狀嚴重,等溫溫度偏低,正火硬度偏高,組織易出現貝氏體等異常組織。余熱正火的等溫時間,須確保正火組織轉變充分,一般在0.5~3h內,我們的經驗,等溫正火時間在1~1.5h比較適宜。


5.結語


(1)鍛件余熱正火,由于減少了重新加熱工序,節能效果顯著,按我司節能統計,每噸節電在300kW·h以上。


(2)鍛件余熱正火產生的粗大的平衡組織,斷屑容易,可明顯提高產品的切削加工性能,且粗大的平衡晶粒不會產生組織遺傳,對滲碳淬火工序及產品性能不會造成不良影響。


(3)余熱正火工件因切削性能好,機加工殘余應力小,因此,余熱正火件的滲碳淬火變形明顯低于常規的等溫正火件。

作者:孫滿壽

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