少无畸变的热处理技术

 
 
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    金属制件在热处理时的形状和尺寸变化是不可避免的现象。过大和不均匀的畸变会增加加工余量或使之报废。汽车变速箱齿轮热处理后一般不施行加工,畸变会使其失去互换性或增大间隙,增加车辆噪声。美国福特汽车公司1992年估算,全公司由于热处理畸变每年要增加15亿美元的设备,年运行成本增加2.3亿美元。所以尽量减小畸变一直是许多热处理工作者终生努力的目标。    
    美国金属学会热处理学会和能源郜提出的热处理Road-map,目标是2020年实现零畸变。  
    金属制品的热处理畸变是因表层和心部冷却的不同步所形成的热应力和相变产物具有不同比容导致的相变应力。因此,任何减少热处理加热和冷却的热应力和相变组织应力的措施都可以减少热处理畸变。常用的减少热处理畸变的工艺有:等温和分级淬火、压力淬火、低温化学热处理、合理的装炉加热方式、合适的淬火剂、均匀的淬冷过程和淬火回火时的校直等。    
    1)等温分级淬火:等温淬火是将工件加热到奥氏体化温度,然后冷却到Ms点以上,过冷奥氏体稳定区域长时间保持,奥氏体转变为珠光体+贝氏体组织(见图1.3-1)或单纯贝氏体组织(见图1.3-2)。分级淬火是把钢件奥氏体化后在Ms点稍高温度的热浴中保持(过冷奥氏体不发生转变),然后自浴中取出在Ms- Mf区间空冷(图1.3-3),也可在热浴中冷却到Ms点,取出空冷(图1.3-4)。等温淬火一般在硝盐浴中进行,分级淬火在低温硝盐浴或热油中进行。等温和分级淬火除可减少工件畸变,防止开裂外,尚可使钢件获得强韧化效果。其缺点是淬火效果受到工件尺寸的限制。中碳结构钢和高碳工具钢贝氏体等温淬火工件截面5 - 10 mm。碳素钢马氏体分级淬火工件的截面尺寸为10 -20 mm。合金结构钢等温分级淬火全淬成马氏体的截面尺寸为15 -40 mm(见图1.3-5)。许多高强钢飞机零件、汽车减速箱齿轮渗碳后的淬火,碳素钢和合金钢刀具都广泛采用等温分级淬火。    
 
 
 

图1.3-1奥氏体—珠光体+贝氏体转变的等温淬火

 

 
 
 
 

图1.2-2 奥氏体— 贝氏体转变等温淬火

 

 
 
 
 

图1.3-3 马氏体分级淬火

 

 
 
 
 

图1.3-4 马氏体分级淬火变种

 

 
 
 
 

图1.3-5 钢棒分级淬火、油淬、水淬淬硬的最大直径

 

 
      2)压力淬火: 压力淬火是将环状件(齿圈)、平板或长圆柱件置于压机上淬火冷却,使畸变量校正到0.025 -0.050 mm公差范围内。汽车后桥螺旋伞齿轮、各种尺寸轴承套圈、碟形弹簧、大型平面锯片等都需在压机下淬火冷却。所使用的压机除应保证工件易畸变部位有良好的机械接触外,尚应考虑钢件淬火的特殊要求,如在等温转变曲线“鼻”部应有最大的淬火油供给量(≈750 L/min),在冷到接近Ms点时供油量应减至最小(≈130 L/min),以使钢件淬硬和保持最小畸变。压力淬火应在务必需要时采用,因为压淬设备昂贵,且经常需机械手或机器人辅助,工艺复杂,生产成本会成倍增加。      
      3)表面热处理感应、火焰、激光、电子束、电接触和电解液表面加热淬火只有工件表层被加热和冷却,在局部产生热应力和组织应力,因而畸变较小。钢件感应和火焰表面加热后在油或聚合物介质中淬火能保证最小畸变。激光、电子束、电接触加热后靠工件未加热部分吸收热量来冷却,且淬硬层极薄,所以畸变很小。      
      4)低温化学热处理 渗氮、氮碳共渗、Sur- sulf、QpQ等工艺都是在钢的铁素体状态下施行。一因为温度低(<600℃),二只有表层有组织变化,故工件畸变小。通常渗氮和氮碳共渗的工件都是体积增大,但增大量不超过0.0025 mm。在某些金属制件的特定工况下,用低温化学热处理代替奥氏体状态下的渗碳、碳氮共渗可以显著减少畸变。      
      5)合理的装炉方式 细长、薄的工件在装炉加热时,必须考虑高温下的材料强度低,如放置不当,由本身重量就会导至明显弯曲。故细长工件宜悬挂装炉,不宜悬挂的薄件底面应尽可能垫平,粗长件应多点支承。批量生产时应设计合理的工装夹具。      
      6)适当的淬冷介质 钢件对淬冷介质的要求是具有不发生中温转变的临界冷速,低温(< 200℃)下又具有不导致过分畸变,且可避免开裂的低冷速。在能保证淬硬的前提下,为减少畸变应尽可能选择缓和的介质。除传统的水、盐水和油之外,多种聚合物水溶液可依含量的变化使淬冷能力在水油之间调节。近代因工模具真空热处理和车辆传动零件低压渗碳技术的发展,与之配套的高压气体淬火冷却也投入生产实际。用1-2 MPa压力的气体(H2、N2、He)在强烈循环条件下的冷却能力可达到用油的效果,且因均匀的冷却工件畸变小。图1.3-6所示为各种介质冷却能力(传热系数)的比较。      
 
 
 
图1.3-6所示为各种介质传热系数的比较。
 
 

7)均匀的淬火冷却: 液态介质的强烈均匀循环能显著提高冷速(见表1.3-1和图1.3-7),而循环方向的规律变化可提高冷却均匀度,从而减少工件畸变。

 
 

表1.3-1淬火介质冷却烈度(H)和搅动程度的关系

表1.3-1淬火介质冷却烈度(H)和搅动程度的关系

 
  图1.3-8所示为奥地利AJCHELIN公司的滚底式渗碳炉的被称为“涌泉”式淬火槽。通过淬火油的正反方向循环,工件左右移动使冷却均匀,也使轴承套圈的畸变控制到最低程度,而无需采取压机淬火。  
 

图1.3-8b涌泉式淬火系统中,工悼和辊底,淬火剂的相对运动示意(辊子方向和速度可变)

图1.3-7 搅动速度对钢在淬火油中冷却速度的影响 (354度为镍球的磁性居里点)

 
 
图1.3-8a 滚底式炉涌泉式淬火系统示意(工件进入和离开时,淬火腔打开,淬冷时,淬火腔关闭)
 
 
图1.3-8a 滚底式炉涌泉式淬火系统示意(工件进入和离开时,淬火腔打开,淬冷时,淬火腔关闭)
 
 
 图1.3-8b涌泉式淬火系统中,工悼和辊底,淬火剂的相对运动示意(辊子方向和速度可变)
 
 
图1.3-8b涌泉式淬火系统中,工悼和辊底,淬火剂的相对运动示意(辊子方向和速度可变)
 
  8)畸变的校直: 细长工件淬火时,过度的畸变可在压机上校直,且最好在回火过程中施行。淬火后校直,马氏体组织脆、易断裂。回火马氏体脆性小,且回火时有渗碳体析出和组织应力松弛,也有利于提高塑性。许多薄片状工件淬火后用夹具夹紧施压回火能基本校平。当前已有汽车齿轮轴、简单轴状工件的全自动校直机商品。  
  9)钢材的淬透性保证材料化学成分变化范围小,均匀稳定,淬透性带狭窄,可使工件畸变保持稳定规律,便于规定合理的公差和加工余量,精确控制畸变。  
  l0)经验和技巧的重要性在小批量多品种生产条件下必须手工操作时,有经验的技工会表现出出色的少畸变操作技能,如工件的捆绑悬挂、淬火前预冷、双介质淬火的时间控制,按工件形状选择入液方向、淬冷摆动方式、回火校直尺寸等。  
  11)畸变的预测许多人对简单形状工件进行了淬火畸变预测:运用有限元网格和计算机技术,考虑到与工件淬冷过程有关的各种因素,可以对畸变规律和畸变量作一定程度的估算。这些因素有:工件的起始温度、淬火剂温度、淬火剂冷却性能和搅动程度、工件表面的液流方向、表面形状的复杂程度、工件材料的导热率、相变的温度.时间曲线(连续冷却转变图),最终计算出畸变和应力、工件尺寸和畸变后的形状,以固态模型的三维CAD图像显示。可惜到目前为止,大多数预测只针对形状对称零件。由于影响变数太多,许多数据不全或不够精确,计算的假设又多,这种计算往往只能作一种演练,其结果很难和工程实际吻合。即使如此,国内外的传热学者仍在大量投入资力和精力,不懈努力地从事这方面工作。当然,未来的科研成果如果能做到精确预测,则对机械制造业,对热处理行业严格控制生产过程中的畸变将是一件十分有意义的大事。  
     
     
   
             
 
 
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