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热处理:平衡的艺术

发布者:重庆鼎星渗氮表面处理有限公司 发布时间:2018-3-8 15:57:28 阅读:次 【字体:

  来源:《金属加工(热加工)》杂志

  热处理的定义就是通过温度的变化改变工件内部显微组织,进而获得理想性能的工艺,而工件的性能往往多种多样,有些性能还存在彼此之间的矛盾关系。例如我们经常遇到的强度和韧性,在一定范围内存在此消彼长的关系。因此,我们从教科书中得到的专业启蒙教育就是,如何借助于热处理工艺获得良好的强韧性搭配。

  一、齿轮类零件的平衡关系

  就齿轮类零件而言,基于其复杂的受力状态,强度和韧性无疑是最基本、最重要的性能,我们在要求轮齿表面具有高硬度、高疲劳强度的同时,还应该具备良好的冲击韧性,尤其是对于承受冲击载荷的越野车辆、工程机械齿轮,以及自然条件和载荷多变的风电齿轮等。因此,我们将“刚柔并济、内外兼修”作为齿轮热处理的最高境界。

  要接近或趋向于上述目标,需要斟酌的因素,或者说要处理的平衡关系很多,其中包括:

  (1)表面硬度的确定

  根据表面耐磨性、脆性甚至磨削性能的要求,大部分齿轮的表面硬度控制在58~62HRC的范围。

  (2)心部硬度的选择

  有研究表明,齿轮心部硬度处于38HRC附近时,具有最好的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度,在确定心部硬度范围时,还需平衡齿轮模数、材料淬透性以及变性倾向的关系。

  (3)硬化层深度的确定

  目前一般取15%~25%Mn作为有效硬化层深度,这里需要掌握的一个平衡关系,就是节圆位置与齿根位置的硬化层匹配关系。为了避免两处的硬化层深度相差悬殊,有些企业标准中明确规定,齿根拐角处硬化层深度不得低于节圆初深度的70%。如美国EATON公司就明确规定,有效硬化层以轮齿节圆为准,允许齿根比节圆处最多浅30%。

  (4)表层中残留奥氏体数量的问题

  残留奥氏体作为亚稳组织不仅影响表面硬度,也存在着由于后续转变而影响工件尺寸和形状变化的问题,因此,某些精密零件就有通过深冷处理而减少或消除残留奥氏体的要求。但是残留奥氏体组织并非一无是处,它在吸收内应力能量,阻滞微裂纹扩展,提高断裂韧性方面的积极作用也是明确的,因此,有专家建议,将齿轮表层的残留奥氏体量控制在16%~19%的水平。

  国外残留奥氏体与马氏体组织是分别要求的,而且往往只有残留奥氏体的要求,并无马氏体的要求。残留奥氏体级别用百分比来表示,对于汽车、工程机械齿轮来说,残留奥氏体量应低于20%,相当于国内标准的3级,也有要求低于10%的情况,相当于国内标准的2级。

  (5)低温回火处理

  渗碳淬火后低温回火处理非常重要,稍有不慎,就会前功尽弃。常规回火温度为180~200℃,但是由于担心表面硬度等不达标,国内齿轮厂家普遍采用较低的回火温度,有的已经低于160℃。

  较低的温度如果再加上保温时间不够,就难以消除硬化层内的残留应力,这样的齿轮往往是硬度有余,而韧性不足,在以后服役条件下容易出现断齿、崩角等严重质量事故,有的齿轮轴在校直时就出现裂纹。

  事实上,回火时虽然马氏体中析出的碳化物造成硬度下降,但与此同时残留奥氏体会转变成新的马氏体或贝氏体,同时增加表面压应力,表面硬度未必有明显降低。有人统计,200℃和230℃回火,无论是在表面硬度、硬化层强度,还是表面压应力方面都不会是质的变化。相反,在硬度相近的情况下,经过略高温度回火的零件,冲击韧性更佳,这与调质时所谓高淬高回能得到更佳综合力学性能的道理是一样的。

  二、齿轮平衡关系实例

  下面是最近遇到的几个实例,从中可以体会到热处理行业内比比皆是的平衡关系。

  1.复杂结构齿轮的热处理

  齿轮如图1所示,其结构特点是内有两段花键,外有轮齿,沿轴向截面对称性差,在普通气氛渗碳炉(多用炉、连续炉)渗碳淬火处理,其变形量基本全部超标。

  图1 复杂结构齿轮

  该齿轮的热处理难点就集中于控制内孔的椭圆与锥度变形,因此,减缓淬火烈度,降低齿轮内应力就成为一个选项。而热处理具备的两个有利条件是:该齿轮材料为19CrNi5,淬透性较好;公司具备可以气体淬火的真空渗碳炉。

  因此,工艺改为960℃×2h渗碳,然后N2淬火,最后低温回火,既获得了合格的金相组织,又确保变形量满足要求。

  2.某齿轮热处理工艺改进

  齿轮结构如图2所示,其特点是齿顶较尖,而且螺旋角β较大,变性倾向大,用常规工艺试验多次,变形量超差。另外,客户对金相组织要求较高,其中次表层ITP组织深度≥0.1mm。

  众所周知,ITP组织(中间转变产物)是由于次表层淬透性降低而形成贝氏体或托氏体等非马组织,有时被称为次贝组织。国外齿轮产品金相组织经常有ITP深度的技术要求,有的标准中规定ITP深度须大于对应硬化层深度的一定比例,是衡量硬化层质量的重要指标。其主要影响因素包括材料淬透性、淬火冷却速度、工件尺寸以及表面碳浓度等。

  如果从控制ITP深度角度考虑,提高齿轮淬火烈度也是一个方向,但这又加大了齿轮的变形倾向。本项目采取的措施是适当提高渗碳后期的碳势,在淬火前的保温阶段通入适量的NH3,彻底解决了ITP组织深度问题。

  图2 齿轮图片

  ITP问题的解决,为控制齿轮变形预留了足够的空间,再通过调整淬火冷却工艺参数(介质类型、搅拌速度及淬火温度),减缓淬火烈度,减小齿轮变形量,使得内在质量(金相组织)和外在质量(齿轮精度)本来相互冲突和矛盾的两个方面得到了很好的兼顾。

  3.调质处理

  作为氮化、感应淬火预备处理的调质工艺,也存在着平衡关系,例如如何确定调质硬度,选择高温回火温度。大量数据表明,调质硬度确实会影响到氮化速度以及表面硬度,将42CrMo调质硬度由20~25HRC提高到28~32HRC后,可使氮化后表面硬度由500HV左右提高到≥600HV。某厂刚开始做一种出口的氮化齿轮时,考虑到是剃齿加工,担心前面的调质硬度太高,造成剃齿困难,结果氮化硬度总是达不到要求,后来将调质硬度提高,才解决了问题。

  从基体强度和承载能力方面,氮化件调质硬度应在300HV以上,美国某些公司要求达到340HV水平,但是目前国内加工刀具还普遍达不到这个水平,因此,常规的调质硬度控制在260~290HV范围。

  这里也反映出冷加工与热加工之间经常出现的平衡关系。很多场合下,热处理不能画地为牢、闭门造车,必须兼顾热前、热后的冷加工工序。

  4.关于渗碳工艺和碳氮共渗工艺

  常规渗碳温度为920~930℃,某些场合下可以采用更高的温度,在这种高温下,碳元素扩散速度很快,用较短的时间即可达到深层深度,对于小模数齿轮,往往几个小时即可。

  但是,高温也加大了渗碳件的变性倾向,尤其是对于某些形状复杂、截面较小的内花键齿轮、轴齿轮等,变形问题非常突出,在这种情况下,可以考虑选择碳氮共渗工艺。

  事实上,碳氮共渗正是基于权衡考虑而诞生的一种嫁接工艺,碳氮共渗齿轮同样具有良好的耐磨性和疲劳强度。由于降低了热处理温度,使得控制变形的压力大大缓解,对于模数较小,硬化层深度1.0mm以下的齿轮类零件,相对于变形量的减小,由于温度降低、工艺时间延长而增加的成本甚至是可以忽略不计的。

  以下归纳出渗碳和碳氮共渗的共性与个性,可供参考。

  (1)氮氮共渗不出现缺陷的前提下耐磨性、表面硬度要高于渗碳,接触疲劳强度高于渗碳齿轮。

  (2)碳氮共渗容易出现“三黑”缺陷,工艺过程对设备要求很严格。国内碳氮共渗与渗碳在井式炉、箱式多用炉中应用非常普遍,齿轮行业应该高度重视“三黑”问题。

  (3)浅硬化层(0.2~0.8mm)的零件,应优先采用C-N共渗工艺。

  (4)对于连续推盘线,不推荐采用碳氮共渗工艺。

  (5)同样的服役条件下,碳氮共渗层深应浅于渗碳层深,这也进一步消化了温度降低、时间延长造成的成本增加。

  (6)对于大模数齿轮,渗碳淬火仍然作为首选工艺。

  三、结语

  同高空走钢丝一样,热处理过程充满变数、风险和挑战,经常是多因一果,把握平衡非常重要,如果顾此失彼,避重就轻,往往会因为失衡而导致不理想的结果,甚至满盘皆输。

  热处理技术人员经常遇到的难题就是处理各种复杂的关系,如原材料与工艺,工艺与设备,内在质量与外在质量,热加工与冷加工等,分析主要矛盾,利用现有条件,达到理想结果,体现着热处理技术人员的智慧与经验。

  材料热处理作为一项工程技术,既有科学的一面,又有艺术的属性,也许这正是这个专业的魅力所在。

  中厚板特殊钢热处理设备的改进

  特殊钢是钢铁材料中的高端产品,改进特殊钢热处理设备对于实现特殊钢生产的高品质化、高效化和低成本化具有重要意义。近几年国内外特殊钢中厚板热处理方面开发了一系列新技术。

  1、改进炉辊。

  高温固溶辊底炉的最高固溶温度可达1200℃,其炉辊必须具有高温承载力强的特点。传统上采用外套为耐热合金的水冷炉辊,但耐热合金炉辊存在造价高、辊面易结瘤、热损失大等缺点。采用耐火石棉纤维炉辊代替耐热合金炉辊,可以有效解决上述问题。石棉纤维炉辊具有良好的耐高温性能、它不与氧化皮黏结,压装后具有一定的承载运转性能,它可以有效的防止结瘤造成的钢板麻点缺陷,同时可以降低热损失,是一个很重要的技术创新。

  2、改进炉壳密封性、保温性。

  炉体密封性和保温性是炉子设计中非常重要的环节,直接影响炉内温度的均匀性、燃料消耗及钢板的热处理质量。可采用以下措施:在进料端和出料端门廊、门廊内安装两道软密封帘,炉门气动压紧,炉壳焊接严密,使用高质耐材,耐火纤维模块和绝热材料;

  3、改进燃烧装置。

  近年在高温固溶炉上采用了高效高速自身预热式脉冲烧嘴,同时采用数字化脉冲燃烧控制新技术。烧嘴喷出的高速脉冲热气流强化了炉内气体循环、强化了炉内对流传热,有效地提高了炉温均匀性和热效率。在强烈的脉冲燃烧作用下,燃烧过程和传热传质过程得到明显的强化。采用高速烧嘴的炉子,钢板升温速度显著加快,而且保温后期钢板温度与炉膛温度趋于一致。

  4、改进冷却水系统。

  采用冷却水闭路循环系统,避免出现冷却水高温水蒸汽的产生,改善了现场环境、减少了高温潮湿环境下的炉子相关部件的氧化,减少冷却水的损失,节约能源。

  5、采用辊式连续淬火机。

  辊式连续淬火机优于传统固定式压力淬火机,钢板在运动中淬火,钢板表面淬火均匀、无软点;淬火钢板长度不受机架限制,能够有效避免淬后瓢曲,可以以极高的冷却速率将钢板冷却到室温;生产效率高、产品质量好。

  6、采用立式酸洗设备。

  立式酸洗优于传统卧式酸洗: 钢板两面都无水印、无酸印或黄斑、无油脂、无氧化铁皮、无过酸洗现象;酸耗量小、节能和节约成本; 占地面积小; 检查酸洗后的钢板表面方便。

  7、改进酸洗工艺。

  采用酸洗液的混酸用HCL+ HF 替代传统的HNO3 + HF,其优点是: 使用氢氟酸的浓度较低,不会发生过酸洗; 在钝化段产生少量氮氧化物,不需要设置脱氮装置;生产不同钢种时只调整酸洗液温度和机组运行速度,不改变酸液浓度,操作方便简易; 酸液不侵蚀材料基体,几乎没有氮氧化物产生,酸洗损耗低,溶解到酸洗液中的金属较少,废酸中自由酸较低,对环境的影响较小。

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