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红外测温仪在差速器齿圈余热正火工艺上的应用
文章来源:西安红外仪器检测网   更新时间:2017-09-20   阅读:52

        汽车齿轮件的等温正火工艺已得到了同行业的认可并取得了广泛的应用,但锻件的余热正火理论上虽有断断续续的研究报道,节能也非常显著,但实际应用上却很少有成功的先例,并未得到广泛的应用。究其原因主要是钢件在停锻后的奥氏体晶粒比正火重新加热的显著粗大,担心这种粗大晶粒会在渗碳加热时发生组织遗传,使零件的服役性能恶化。二是锻件停锻后钢的奥氏体晶粒粗大和碳浓度分布均匀,使珠光体转变滞后,冷却时容易获得马氏体、贝氏体、魏氏体等异常组织,使切削加工性能恶化。


我司通过校企合作,自2007年成功研制出国内第一条网带式等温正火生产线以来,目前锻件余热正火工艺在我司汽车差速器齿圈上已进行了应用,并取得了一定的成效。本文着重叙述差速器齿圈产品余热正火后的质量情况及其后续应用情况。


1.产品介绍
差速器齿圈是汽车变速箱上的一个重要零部件,有几种产品规格。材质为20CrMnTiH,每件重量在4~8kg。每种规格年产量约60万件。
锻造余热正火工艺流程为:下料→中频加热(红外测温仪控制锻件温度)→粗锻→精锻→切边冲孔→控制冷却→等温炉保温→抛丸→转后续粗加工。


2.余热正火工艺质量情况
余热正火后,工件的正火金相、硬度、晶粒度进行了全面检测。金相、硬度检测部位如图1所示。

 

                                    图1                                                      图2                                         图3


锻件余热正火金相和等温正火金相分别如图2、图3所示

为验证余热正火工艺的质量情况,将余热正火工艺与等温正火工艺后的检测情况进行了对比(见表1)。


表1 余热正火工艺与等温正火工艺后的检测情况


检测项目

金相组织/级

硬度HBW

晶粒度/级

带状组织/级

魏氏组织/级

贝氏体组织/级

技术要求

1~3(铁素体+珠光体)

160~190

5~8

≤2

≤1

等温正火工艺

2(铁素体+珠光体)

165~170

7~8

1

余热正火工艺

2(铁素体+珠光体)

180~185

4~5

1

 

 

从检测结果看,两种工艺都满足金相组织、带状组织、硬度等技术要求,魏氏组织、贝氏体组织等不良组织均未出现,锻造余热正火晶粒度要粗于等温正火晶粒度。

为进一步验证余热正火产品对后续加工及渗碳淬火变形的影响,取10件余热正火件与正常等温正火工件拼装入炉,出炉后抛丸,跟踪产品的热前加工,检测渗碳淬火前后的齿形、齿向、累积和M值,并将所有试验件在变速器上装箱,进一步查看样件装配运行情况。

产品加工后渗碳前齿形、齿向及累积的检测结果如表2所示。

 

表2  渗碳前检测结果


标号

齿向

齿形

累积

L

R

级别

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

渗碳淬火后齿形、齿向、累积的检测结果如表3所示。

 

表3  渗碳淬火后检测结果


标号

齿向

齿形

累积

齿向一致性

L

R

级别

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

渗碳淬火前后齿形、齿向及累积变化量如表4所示。

 

表4  渗碳淬火前后变化量


标号

齿向

齿形

累积

L

R

级别

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

热前、热后齿轮M值检测分别如表5、表6所示。

 

                                            表5  热前M值检测                                              表6  热后M值检测


标号

M值

 

标号

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

渗碳淬火后,从100倍表面渗层金相图,500倍心部组织金相图看,晶粒得到了进一步细化,未发现有粗大晶粒的组织遗传。


所有跟踪结果表明:


(1)余热正火件切削加工性能优于正常的等温正火件。

(2)样件热处理前齿向、齿形均符合工艺要求,热处理后,齿向变化最大为0.0346mm,齿形变化最大为-0.0189mm,其中标号22工件齿向级别为10级,其余均在9级之内,齿向一致性22号左齿偏大,其他均合格,一致性合格率为95%,高于正常工件一致性数值87.5%
(3)样件累积均符合要求,变化最大值为0.0422mm,累积最大为0.0692mm,累积合格率为100%。
(4)该批次验证件齿形、齿向、累积变化较正常工件小,M值变化趋势不明显。
(5)余热正火产生的粗大晶粒,在渗碳淬火后晶粒得到了细化,粗大晶粒并未产生组织遗传。
(6)所有样件在汽车变速器上装箱,装配全部合格。


3.产品质量原因分析


由于余热正火件正火后需成型刀具进行切削加工,因而要求正火件具有良好的切削加工性能。同时,工件加工后需经渗碳、淬火、回火处理,因而除要求钢件具有良好的切削加工性能外,还要求切削加工后的锻件具有稳定的相同的变形规律。


渗碳齿轮钢的切削加工性能的好坏与钢的显微组织和力学性能有密切关系。它要求这类钢强度低(易进刀)、脆性大(易断屑),而且组织比较均匀,不得有过硬、过韧、过软的大块组成物的存在。因此齿轮钢正火硬度要求以160~190HBW,同一零件硬度散差≤10HBW为宜;最佳显微组织为晶粒较大(3~5级)的奥氏体形成的先共析铁素体加珠光体。不得有贝氏体、魏氏体等异常组织出现。从表1的检测结果看,本批余热正火试验件硬度180~185HBW,硬度均匀,金相组织均匀,没有异常组织出现,晶粒度4~5级,远粗于等温正火晶粒度。因此,试样件的切削加工性能,余热正火件优于重新加热的等温正火件。


齿轮钢渗碳前后的畸变,与淬火前的显微组织和力学性能也有一定的关系,其既影响钢件体积变化规律,又影响切削加工后的残余应力。体积变化和残余应力较大,尤其是分布不均匀,均使淬火后的畸变加大。由于余热正火件晶粒较粗,断屑容易,硬度和金相组织分布均匀,因此余热正火件切削加工后的残余应力低于等温正火件。同时由于铁素体、珠光体比容小于贝氏体,它们的体积变化远低于马氏体、贝氏体的体积变化,拥有平衡组织的余热正火件,在随后的渗碳淬火的畸变相对较小。因此余热正火件的渗碳淬火后的变形小于正常的等温正火件。


产品锻后余热正火,由于锻后温度(1000~1100℃)远高于重新加热的正火温度,在高温下停留时间长。因此余热正火晶粒明显粗于重新加热的等温正火晶粒,晶粒很难得到细化,只要余热正火中没有贝氏体等异常组织出现,粗大的平衡组织在随后的渗碳淬火中,粗大组织不会遗传,经过重结晶,晶粒又会得到进一步细化。图四、图五中,也未发现有粗大的晶粒存在。因此,不必担心余热正火的粗大晶粒会对产品性能造成不良影响。但必须要确保粗大晶粒是平衡组织,即铁素体+珠光体组织。


4.锻造余热正火质量控制要点


根据产品形状及材料特征,在实施锻造余热正火过程中,重点应控制以下质量要点:


(1)原材料控制


原材料的质量严重影响产品质量的稳定,特别是化学成分的均匀性、低倍、偏析、带状等级等。因此,应对原材料的每个炉号进行入厂理化检验,以确保原材料的质量稳定。


(2)锻造温度的控制


锻造加热温度、终锻温度必须稳定,应保证锻件加热充分,工件的心表、头尾温差不得超过50℃。因此,必须选择合适的中频感应加热装置,坯料的加热运行速度、锻造节拍必须恒定,同时,在加热炉出料口应安装红外测温仪和三分选装置,保证工件的锻造温度和终锻温度在工艺要求温范围内。

(3)锻后冷却速度的控制


锻后控制冷却,是锻件余热正火关键。锻件在冷却过程中,不得有马氏体、魏氏体、贝氏体等异常组织出现。因此,需严格控制锻件终锻温度、锻件冷却速度、锻件冷却时间和最终进等温炉的锻件温度(通过红外测温仪进行在线监测)等工艺参数。因这些工艺参数受锻件尺寸、锻件结构及锻件重量大小的影响,因此,冷却工艺参数不能一概而论,必须经过大量的工艺调试,找出最适宜的工艺参数,并进行工艺固化,才能达到正火技术要求。


(4)锻件等温温度和等温时间的确定


 等温温度和等温时间是余热正火硬度和正火组织转变的有力保证,等温温度越高,晶粒粗大,带状严重,等温温度偏低,正火硬度偏高,组织易出现贝氏体等异常组织。余热正火的等温时间,须确保正火组织转变充分,一般在0.5~3h内,我们的经验,等温正火时间在1~1.5h比较适宜。


5.结语


(1)锻件余热正火,由于减少了重新加热工序,节能效果显著,按我司节能统计,每吨节电在300kW·h以上。


(2)锻件余热正火产生的粗大的平衡组织,断屑容易,可明显提高产品的切削加工性能,且粗大的平衡晶粒不会产生组织遗传,对渗碳淬火工序及产品性能不会造成不良影响。


(3)余热正火工件因切削性能好,机加工残余应力小,因此,余热正火件的渗碳淬火变形明显低于常规的等温正火件。

作者:孙满寿

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