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浅谈螺旋伞齿轮制造中的等温正火

时间:2017-3-30 点击:897次

众所周知,螺旋伞齿轮100%取材于钢铁材料,可以说,在很大程度上,钢材本身的品质特性决定了螺旋伞齿轮的各种性能和服役寿命。

钢材本身的各种缺陷不仅会导致其在热处理后的不规则变形甚至开裂,而且,还会造成同一螺旋伞齿轮不同位置的热处理质量特性值不一致,从而造成同一批次的不同个体齿轮、同一齿轮的不同位置的各项机械性能参差不齐,终形成了螺旋伞齿轮服役过程中的“木桶效应”。

 

 

1 从热处理角度谈我国钢铁的质量现状

 

1.1 钢材的内在质量

市场经济是各行各业运行节奏快四拍的时代,很多企业限于自身的检测条件,以及生产进度和生产节拍的安排,对原材料的入厂检验,往往疏于按部就班地进行程序化管理:仅仅做了材质分析,便急不可待投入生产的情况,是司空见惯的;有些企业,甚至在材质分析结果出来前,就已把新入厂的原材料投入到生产中。还有的小企业根本就不做任何检查,他们直接把钢材的质量之“宝”押在了钢厂的信誉上。那是因为这些企业太不了解我国钢铁企业的市场行情和质量现状!

一批钢材的品质优劣,是否合格?绝不仅仅局限于化学成分是否合格。

 除了化学成分,其成分均匀性、原始组织均匀性,以及淬透性、纯净度等都是钢材品质特性的决定因素。一经热处理,这些微观上的缺陷就会被直接被暴露出来,或被放大而成为致命的缺陷。

笔者作为江苏巨力齿轮股份中悦彩票热处理车间的一名热处理工程师,现将10余年来自己工作中所发现的诸多与钢材冶金质量有关的问题分享给大家,并与大家进行交流和探讨;

 

1。2  在热处理过程中发现的钢材质量问题(案例)

1.2.1  40Cr齿轮氮化前调质淬不硬,硬度分散度大

材料为40Cr,热处理技术要求为:

 (1)调质:830~930 MPa

 (2)渗氮:表面硬度:480~580HV10,渗氮层深(DN):≥0.50,化合物层(VS):10~15μm

 

这个产品的调质,初采用密封箱式多用炉850℃加热(奥氏体化),快速淬火油+强力搅拌淬火后检查发现:同一炉产品(齿坯)淬火后的硬度在24~35HRC、34~46HRC、42~50HRC的宽泛领域,同一产品不同位置的硬度值ji差竟达8~12HRC,采用560℃回火,硬度分布为16~20HRC、19~23HRC、27~30HRC等。

对本批不合格品进行多次取样做化学分析和光谱分析,其含碳量和主加元素均符合GB/T3077-1999的成分要求。

 后来,经与钢厂协商,采用“死马当成活马医”的休克疗法:860℃加热(奥氏体化)后,采用8~10%NaCl水溶液淬火,一切损失由钢厂承担。按照这一方案,淬火后的硬度达到48~52HRC;580℃回火后水冷达到技术要求(硬度25~28HRC),经无损检测,本批产品500件,开裂4件。

1。2。2  螺旋伞齿轮(Z20370003)高频淬火暴露出材料淬透性问题

 轿车用二级平衡轴机构中的一个齿轮,该齿轮材料为42CrMo,热处理技术要求为:

 (1)调质24~32HRC;

 (2)齿部感应加热淬火,硬度≥51HRC,有效淬硬层深度1~2mm。

 

这里简要介绍一下这个产品在一台半自动高频感应淬火机床上的加热和淬火过程:

1)在感应器内放好要加热淬火的工件;

2)开启淬火机床的旋转按钮,工件开始旋转;

3)开启淬火机床的加热按钮,设备开始“自动预热—间歇(停留)—加热—淬火(工件下落冷却槽、旋转运动不停止,而且,冷却介质是循环流动的)—复位(工件上升到初始位置)”的淬火程序;

这个产品是一个已量产三年的长线产品,在2016年1月12日突然发现大量产品出现淬火裂纹。当时以为是因为天气寒冷,冷却过度或回火不及时造成的。

后来经过调整高频淬火工艺参数(在选择的加热功率不变的情况下,预热时间和加热时间已压缩近30%),但经无损探伤(无裂纹)、剖检首件发现,有效淬硬层深度还是超过技术要求的上限。再剖检本批开裂严重的产品,其有效淬硬层深度均严重超深,深达6.5mm!

后来加工该产品时,每批产品的时间参数都不能确定,每次调整至首件合格后,中间抽检和末件剖检,淬硬层均不一致,在加工过程曾两次抽取高频淬火5连件产品进行剖切检查,以进行对比分析。第一次剖检的首件硬化层深度为1.85mm,而过程抽取的5连件产品,硬化层深度分别为1.35mm,1.45mm,0.95mm,1.45mm,1.50mm;第二次剖检首件硬化层深度为1.40~1.50mm。而过程抽取的5连件产品,其硬化层深度分别为2.00mm,2.00mm,2.00mm,2.00mm,2.40mm。

后来,在一个批次的加工过程中还发现,1件产品在加热过程便出现热形异常情况,淬火后即发现从一个轮齿的齿面某一位置到齿轮内孔呈贯通性开裂,横向剖开整个齿轮,经腐蚀发现:有效淬硬层在与裂纹的交汇处出现拐弯而内凹

 

1.2.3  盆角齿渗碳缓冷后重新加热压力淬火后组织不均匀

 某一汽车后桥从动齿轮(22CrMoH)渗碳缓冷,并经860℃重新加热(7工位周期推盘式加热炉,推盘周期25min)、压力淬火、剖切(检测)后的残骸。

 在整个齿轮的周向大约互成60°的6个均布位置分别切取6个轮齿,然后,检查其有效硬化层深度(CHD)及金相组织、芯部硬度,芯部金相组织,检查结果表明:6*齿的芯部金相组织不合格,有块状游离态的未溶铁素体。在6*齿相邻位置再切取1齿(7*齿)与6*齿雷同。

 

说明:上述齿轮的锻坯是经过等温正火的。


 

1-6:6*齿芯部金相组织

 

1.2.4  汽车轮毂轴管(300S)热挤压加工异常

一款热挤压汽车轮毂轴管(300S),材料为40Cr。

目前,此类产品一般的加工模式是:圆钢锯切下料(D×H)→自动上料机上料→中频感应加热炉(加热)→剥皮机(去除氧化皮后)→经导向滑道→滑向Ⅰ工位压型模(压型)→转入Ⅱ工位成型模(热冲内孔)→再转入Ⅲ工位反挤模(锻坯整形)→下线。


 

1-8:轴管(300S)锻坯

 

该产品在某企业加工时发现:新模具(成型冲头与反挤冲头)上机后,加工只产品3~5件,冲头即被严重拉毛,无法继续使用。

采用便携式里氏硬度计检查未使用的新冲头,表面硬度46~48HRC,台式布氏硬度计检查其硬度为495HBW。完全符合设计要求(46~49HRC)。

换上新冲头后,依然如此:挤压过程伴随沉重的异响。

 

该材料在热挤压时冲头下行的过程中,行程逐渐沉重,压机的声音逐渐沉闷(渐强),直至发出很强的嗡嗡声。检查机床压力表发现:正常情况下,该产品在Ⅱ工位热冲(成型)时,使用5Mpa即可正常生产;而在压制该批材料时,冲头在下行过程中,随着冲头的逐渐下降,压力表显示压力读数由5Mpa逐渐上升,直至后陡增至16Mpa;Ⅲ工位热冲(反挤)时,压力由正常情况下的10~12Mpa渐增,后达到20Mpa。

操作工人反映了本批(炉次)材料的另外两个特征:

1)仿佛有较强的磁性,使锯切后的棒料端面(锯口)上顽强的黏附着较多的、难以脱落的锯屑,压制过程中能够感觉到材料硬而韧,类似剁切滚刀肉的感觉;

2)在正常情况下,料棒上附着的少量锯屑,被带入中频感应加热炉,经加热烧结,待冷却后像豆腐渣一样“稣”,一捣即碎,很容易清理;而本批材料所黏附的锯屑较多,在中频感炉加热后,仿佛像口香糖一样软而黏的玻璃体。

材料锯切时的异常(有较强的磁性)

 

换上本钢材供应商的另一个炉批号的同规格材料进行加工,一切恢复正常。

对异常材料取样化验分析,材料的化学成分完全符合GB/T3077-1999中40Cr的成分标准;

对热挤压异常材料进行金相组织分析,发现严重混晶和粗大的魏氏组织

 

原材料横向截面发现混晶(100×)

轧制过热+冷却不当形成的魏氏组织(500×)

 

从本案看,被加工(热挤压)的材料明显表现为:硬而韧、热融性差、热态流动性差,热塑性抗力大、热塑性成形能力低劣等缺陷,但以上分析结果和证据,似乎又不足以说明锻压异常的40Cr圆钢材料存在明显的质量问题问题。

由于找不到确切的证据表明本批(炉次)圆钢存在明显的质量问题,而钢厂亦无法解释和解决本批(炉次)材料的锻压问题,经双方协商:需方将已锯切材料进行退火(扩散)处理后试压,尚未锯切的圆钢退回供方。

此后,需方将已锯切的约600件钢料(40Cr-Ф115×569),进行880℃×5h随炉空冷的退火处理,重新加工时,一切正常。跟踪粗(车)加工件的热处理调质质量情况,亦未发现异常情况。

 

1.2.5  材料品质对氮化白亮层致密度的影响

疏松即不致密,是渗氮—氮碳共渗过程所产生的一种缺陷组织,通常是指分布在ε相区的黑色点状组织;实际上是一些形状不规则,大小不等的孔洞。

关于疏松的形成原因国内外学者持有不同观点:①在形成化合物过程中,铁原子由外向内迁移,而引起点阵缺陷由内向外反向迁移的结果;②渗氮过程中形成的内应力是产生孔洞状疏松的主要原因;③多数人认为是由于渗氮-氮碳共渗工艺参数(主要是工艺温度和工艺时间及分解率)控制不当,而使表层化合物层(主要为ε相)的氮原子重新结合成氮分子,从表面逸出,形成针孔(或孔洞);④还有人认为:在进行气体渗氮时,NH3分解后产生的氢原子也会渗入钢中,当氢原子结合成氢分子时也会产生很大压力而逸出表面,从而形成孔洞。

无论何种观点,都认同孔洞多在气氛实际氮势过高的情况下产生,即表面疏松的形成是由亚稳定的高氮ε相分解造成的,控制渗氮气氛氮势,限制表面含氮量,可以减轻表面疏松。

笔者在这里要强调的是材料本身的内在质量对氮化产品白亮层致密度的影响。数年前,笔者所在单位为一家德资企业加工4种减速机用齿圈。

这4种齿圈中的3种,由需方自供料(42CrMo4),另1种则由供方自备国产的42CrMo。经过多次工艺试验,3种需方自供料制作的齿圈氮化后,其白亮层(的致密度)均达到技术要求。这些合格产品均在60KW普通井式气体氮化炉完成工艺试验和验证,并在75KW和105KW普通井式气氮炉实现量产;更有一齿圈达到白亮层100%致密的至高境界!

然而,国产42CrMo材料制作的齿圈,虽与另外3种同炉调质,同炉氮化,经过多次试验,却终没有达到技术要求,做得好的一次,其致密部分的厚度也仅仅达到白层总厚度的51.65%。

齿圈(932777601)气体氮化检测报告

通过这一事件,笔者深度怀疑,氮化-软氮化产品的白亮层致密度与材料本身的“内在品质”存在一定关系,但非常遗憾的是:笔者查阅了大量的中外文献,至今却未能找到相关的理论依据。

后来,笔者见到有人在热处理网站上传了一个31CrMoV9的氮化产品的检测报告,其工艺时间长达124h,氮化层深度(DN)深达0.76mm(界限硬度400HV),而居然看不到脉状组织!而同炉的42CrMo、25Cr2Mo1V产品的脉状组织却大大超过GB/T11354-2005规定的高级别!

 

 

2 齿轮用钢锻坯的等温正火

 

2.1 浅论等温正火的理论基础和技术要求

目前,等温正火在改善齿轮材料的原始组织,减小终热处理变形量方面的作用越来越为业内人士所认可。

等温正火的主要理论依据应该是钢的奥氏体等温转变曲线图,等温正火的主要目的是获得均匀细小而近于等轴状的晶粒和组织,同时获得适宜的硬度,以利于获得良好的金切加工性能。但非常遗憾的是:迄今为止,笔者翻遍了手头的科技文献资料,却未能找到20CrMnMoH、22CrMoH的奥氏体等温转变曲线。

实践证明,渗碳钢在160~210HBW的硬度范围,均可获得优秀的加工表面,但当正火硬度达到上限(偏高)时,会导致刀具磨损较快,从而增加刀具的消耗。对于不同牌号的齿轮材料,由于合金化的差异,很难使正火后的硬度与金相组织获得两全其美的匹配,当二者不可兼得的时候,应该如何决定取舍呢?

 

个人认为,在这种情况下,应该优先保证获得良好的金相组织。

但不少设计人员对等温正火的意义和实际操作实务缺乏必要的了解,提出的技术要求带着极大的盲目性,只追求正火后的硬度,而忽视对金相组织的要求,从而舍利而趋弊。如此一来,不仅不利于后续的切削加工,而且给终热处理埋下祸根。

奇文共欣赏,疑义相与析。今天借此机会在这里给各位专家、同行展示一下济南汇九齿轮中悦彩票所做的两种材料的等温正火效果,以期取得抛砖引玉的效果,希望各位专家和同行提出质疑和指导。

2.2  20Cr2Ni4A及20CrMnMoH等温正火金相组织及晶粒度

2.2.1  20Cr2Ni4A螺伞齿锻坯的等温正火金相组织

按照《GB/T13320-2007钢质模锻件 金相组织评级图及评定方法》来评级,应该可以评为1级,实测这个组织的锻件硬度为194~195HBW。(注:金相组织及硬度均为在横截面上的剖检结果)

:20Cr2Ni4A锻件等温正火金相组织(100×)

西门子机械传动(天津)中悦彩票提供的汇九齿轮20CrMnMoH晶粒度检测报告。

济南某齿轮中悦彩票供西门子(天津)公司的齿轮与西门子公司德国本部提供齿轮同台做疲劳强化试验,结果德国本部提供齿轮率先破坏。西门子公司德国本部要求把做过疲劳试验的汇九齿轮发到德国本部,然后进行剖检分析,德国本部给出的检测报告。

钢材是国民经济的基础,钢材质量的优劣直接决定一个国家的工业制造水平。然而,我们国家的钢材质量现状实在令人担忧,这一问题已严重制约我国各行各业的产品质量提升;而且,因为钢材质量问题给工业生产造成巨大的浪费和经济损失是令人触目惊心的!目前,我国的钢铁企业的产能过剩是改革开放初期粗放式发展模式形成的痼疾,而当前,在日益严酷的市场竞争中,靠无序的价格战攫取市场份额,必然导致产品质量的急剧下滑,而且,参与恶性竞争的企业终会搬起石头砸自己的脚,对整个行业的发展无异于饮鸩止渴!

钢材内部的冶金缺陷固然可以通过后续的锻造和预备热处理加以改善,但这种改善是有限度的,严重的成分偏析、混晶、带状组织,是难以通过锻造和预先热处理消除的。本人从事热处理技术工作30年,特别是从事齿轮热处理10余年,因为钢材质量问题所遭遇的种种尴尬和无奈,令人痛心疾首!打铁还的自身硬!我国的钢铁企业靠国家政策调控和对市场的刺激干预,终究不是长久之计,只有过硬的产品质量才是企业永远立于不败之地的法宝。

 

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