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淺談螺旋傘齒輪制造中的等溫正火

時間:2017-3-30 點擊:2630次

眾所周知,螺旋傘齒輪100%取材于鋼鐵材料,可以說,在很大程度上,鋼材本身的品質特性決定了螺旋傘齒輪的各種性能和服役壽命。

鋼材本身的各種缺陷不僅會導致其在熱處理后的不規則變形甚至開裂,而且,還會造成同一螺旋傘齒輪不同位置的熱處理質量特性值不一致,從而造成同一批次的不同個體齒輪、同一齒輪的不同位置的各項機械性能參差不齊,終形成了螺旋傘齒輪服役過程中的“木桶效應”。

 

 

1 從熱處理角度談我國鋼鐵的質量現狀

 

1.1 鋼材的內在質量

市場經濟是各行各業運行節奏快四拍的時代,很多企業限于自身的檢測條件,以及生產進度和生產節拍的安排,對原材料的入廠檢驗,往往疏于按部就班地進行程序化管理:僅僅做了材質分析,便急不可待投入生產的情況,是司空見慣的;有些企業,甚至在材質分析結果出來前,就已把新入廠的原材料投入到生產中。還有的小企業根本就不做任何檢查,他們直接把鋼材的質量之“寶”押在了鋼廠的信譽上。那是因為這些企業太不了解我國鋼鐵企業的市場行情和質量現狀!

一批鋼材的品質優劣,是否合格?絕不僅僅局限于化學成分是否合格。

 除了化學成分,其成分均勻性、原始組織均勻性,以及淬透性、純凈度等都是鋼材品質特性的決定因素。一經熱處理,這些微觀上的缺陷就會被直接被暴露出來,或被放大而成為致命的缺陷。

筆者作為江蘇巨力齒輪股份有限公司熱處理車間的一名熱處理工程師,現將10余年來自己工作中所發現的諸多與鋼材冶金質量有關的問題分享給大家,并與大家進行交流和探討;

 

1.2  在熱處理過程中發現的鋼材質量問題(案例)

1.2.1  40Cr齒輪氮化前調質淬不硬,硬度分散度大

材料為40Cr,熱處理技術要求為:

 (1)調質:830~930 MPa

 (2)滲氮:表面硬度:480~580HV10,滲氮層深(DN):≥0.50,化合物層(VS):10~15μm

 

這個產品的調質,初采用密封箱式多用爐850℃加熱(奧氏體化),快速淬火油+強力攪拌淬火后檢查發現:同一爐產品(齒坯)淬火后的硬度在24~35HRC、34~46HRC、42~50HRC的寬泛領域,同一產品不同位置的硬度值ji差竟達8~12HRC,采用560℃回火,硬度分布為16~20HRC、19~23HRC、27~30HRC等。

對本批不合格品進行多次取樣做化學分析和光譜分析,其含碳量和主加元素均符合GB/T3077-1999的成分要求。

 后來,經與鋼廠協商,采用“死馬當成活馬醫”的休克療法:860℃加熱(奧氏體化)后,采用8~10%NaCl水溶液淬火,一切損失由鋼廠承擔。按照這一方案,淬火后的硬度達到48~52HRC;580℃回火后水冷達到技術要求(硬度25~28HRC),經無損檢測,本批產品500件,開裂4件。

1.2.2  螺旋傘齒輪(Z20370003)高頻淬火暴露出材料淬透性問題

 轎車用二級平衡軸機構中的一個齒輪,該齒輪材料為42CrMo,熱處理技術要求為:

 (1)調質24~32HRC;

 (2)齒部感應加熱淬火,硬度≥51HRC,有效淬硬層深度1~2mm。

 

這里簡要介紹一下這個產品在一臺半自動高頻感應淬火機床上的加熱和淬火過程:

1)在感應器內放好要加熱淬火的工件;

2)開啟淬火機床的旋轉按鈕,工件開始旋轉;

3)開啟淬火機床的加熱按鈕,設備開始“自動預熱—間歇(停留)—加熱—淬火(工件下落冷卻槽、旋轉運動不停止,而且,冷卻介質是循環流動的)—復位(工件上升到初始位置)”的淬火程序;

這個產品是一個已量產三年的長線產品,在2016年1月12日突然發現大量產品出現淬火裂紋。當時以為是因為天氣寒冷,冷卻過度或回火不及時造成的。

后來經過調整高頻淬火工藝參數(在選擇的加熱功率不變的情況下,預熱時間和加熱時間已壓縮近30%),但經無損探傷(無裂紋)、剖檢首件發現,有效淬硬層深度還是超過技術要求的上限。再剖檢本批開裂嚴重的產品,其有效淬硬層深度均嚴重超深,深達6.5mm!

后來加工該產品時,每批產品的時間參數都不能確定,每次調整至首件合格后,中間抽檢和末件剖檢,淬硬層均不一致,在加工過程曾兩次抽取高頻淬火5連件產品進行剖切檢查,以進行對比分析。第一次剖檢的首件硬化層深度為1.85mm,而過程抽取的5連件產品,硬化層深度分別為1.35mm,1.45mm,0.95mm,1.45mm,1.50mm;第二次剖檢首件硬化層深度為1.40~1.50mm。而過程抽取的5連件產品,其硬化層深度分別為2.00mm,2.00mm,2.00mm,2.00mm,2.40mm。

后來,在一個批次的加工過程中還發現,1件產品在加熱過程便出現熱形異常情況,淬火后即發現從一個輪齒的齒面某一位置到齒輪內孔呈貫通性開裂,橫向剖開整個齒輪,經腐蝕發現:有效淬硬層在與裂紋的交匯處出現拐彎而內凹

 

1.2.3  盆角齒滲碳緩冷后重新加熱壓力淬火后組織不均勻

 某一汽車后橋從動齒輪(22CrMoH)滲碳緩冷,并經860℃重新加熱(7工位周期推盤式加熱爐,推盤周期25min)、壓力淬火、剖切(檢測)后的殘骸。

 在整個齒輪的周向大約互成60°的6個均布位置分別切取6個輪齒,然后,檢查其有效硬化層深度(CHD)及金相組織、芯部硬度,芯部金相組織,檢查結果表明:6*齒的芯部金相組織不合格,有塊狀游離態的未溶鐵素體。在6*齒相鄰位置再切取1齒(7*齒)與6*齒雷同。

 

說明:上述齒輪的鍛坯是經過等溫正火的。


 

1-6:6*齒芯部金相組織

 

1.2.4  汽車輪轂軸管(300S)熱擠壓加工異常

一款熱擠壓汽車輪轂軸管(300S),材料為40Cr.

目前,此類產品一般的加工模式是:圓鋼鋸切下料(D×H)→自動上料機上料→中頻感應加熱爐(加熱)→剝皮機(去除氧化皮后)→經導向滑道→滑向Ⅰ工位壓型模(壓型)→轉入Ⅱ工位成型模(熱沖內孔)→再轉入Ⅲ工位反擠模(鍛坯整形)→下線。


 

1-8:軸管(300S)鍛坯

 

該產品在某企業加工時發現:新模具(成型沖頭與反擠沖頭)上機后,加工只產品3~5件,沖頭即被嚴重拉毛,無法繼續使用。

采用便攜式里氏硬度計檢查未使用的新沖頭,表面硬度46~48HRC,臺式布氏硬度計檢查其硬度為495HBW。完全符合設計要求(46~49HRC)。

換上新沖頭后,依然如此:擠壓過程伴隨沉重的異響。

 

該材料在熱擠壓時沖頭下行的過程中,行程逐漸沉重,壓機的聲音逐漸沉悶(漸強),直至發出很強的嗡嗡聲。檢查機床壓力表發現:正常情況下,該產品在Ⅱ工位熱沖(成型)時,使用5Mpa即可正常生產;而在壓制該批材料時,沖頭在下行過程中,隨著沖頭的逐漸下降,壓力表顯示壓力讀數由5Mpa逐漸上升,直至后陡增至16Mpa;Ⅲ工位熱沖(反擠)時,壓力由正常情況下的10~12Mpa漸增,后達到20Mpa。

操作工人反映了本批(爐次)材料的另外兩個特征:

1)仿佛有較強的磁性,使鋸切后的棒料端面(鋸口)上頑強的黏附著較多的、難以脫落的鋸屑,壓制過程中能夠感覺到材料硬而韌,類似剁切滾刀肉的感覺;

2)在正常情況下,料棒上附著的少量鋸屑,被帶入中頻感應加熱爐,經加熱燒結,待冷卻后像豆腐渣一樣“穌”,一搗即碎,很容易清理;而本批材料所黏附的鋸屑較多,在中頻感爐加熱后,仿佛像口香糖一樣軟而黏的玻璃體。

材料鋸切時的異常(有較強的磁性)

 

換上本鋼材供應商的另一個爐批號的同規格材料進行加工,一切恢復正常。

對異常材料取樣化驗分析,材料的化學成分完全符合GB/T3077-1999中40Cr的成分標準;

對熱擠壓異常材料進行金相組織分析,發現嚴重混晶和粗大的魏氏組織

 

原材料橫向截面發現混晶(100×)

軋制過熱+冷卻不當形成的魏氏組織(500×)

 

從本案看,被加工(熱擠壓)的材料明顯表現為:硬而韌、熱融性差、熱態流動性差,熱塑性抗力大、熱塑性成形能力低劣等缺陷,但以上分析結果和證據,似乎又不足以說明鍛壓異常的40Cr圓鋼材料存在明顯的質量問題問題。

由于找不到確切的證據表明本批(爐次)圓鋼存在明顯的質量問題,而鋼廠亦無法解釋和解決本批(爐次)材料的鍛壓問題,經雙方協商:需方將已鋸切材料進行退火(擴散)處理后試壓,尚未鋸切的圓鋼退回供方。

此后,需方將已鋸切的約600件鋼料(40Cr-Ф115×569),進行880℃×5h隨爐空冷的退火處理,重新加工時,一切正常。跟蹤粗(車)加工件的熱處理調質質量情況,亦未發現異常情況。

 

1.2.5  材料品質對氮化白亮層致密度的影響

疏松即不致密,是滲氮—氮碳共滲過程所產生的一種缺陷組織,通常是指分布在ε相區的黑色點狀組織;實際上是一些形狀不規則,大小不等的孔洞。

關于疏松的形成原因國內外學者持有不同觀點:①在形成化合物過程中,鐵原子由外向內遷移,而引起點陣缺陷由內向外反向遷移的結果;②滲氮過程中形成的內應力是產生孔洞狀疏松的主要原因;③多數人認為是由于滲氮-氮碳共滲工藝參數(主要是工藝溫度和工藝時間及分解率)控制不當,而使表層化合物層(主要為ε相)的氮原子重新結合成氮分子,從表面逸出,形成針孔(或孔洞);④還有人認為:在進行氣體滲氮時,NH3分解后產生的氫原子也會滲入鋼中,當氫原子結合成氫分子時也會產生很大壓力而逸出表面,從而形成孔洞。

無論何種觀點,都認同孔洞多在氣氛實際氮勢過高的情況下產生,即表面疏松的形成是由亞穩定的高氮ε相分解造成的,控制滲氮氣氛氮勢,限制表面含氮量,可以減輕表面疏松。

筆者在這里要強調的是材料本身的內在質量對氮化產品白亮層致密度的影響。數年前,筆者所在單位為一家德資企業加工4種減速機用齒圈。

這4種齒圈中的3種,由需方自供料(42CrMo4),另1種則由供方自備國產的42CrMo。經過多次工藝試驗,3種需方自供料制作的齒圈氮化后,其白亮層(的致密度)均達到技術要求。這些合格產品均在60KW普通井式氣體氮化爐完成工藝試驗和驗證,并在75KW和105KW普通井式氣氮爐實現量產;更有一齒圈達到白亮層100%致密的至高境界!

然而,國產42CrMo材料制作的齒圈,雖與另外3種同爐調質,同爐氮化,經過多次試驗,卻終沒有達到技術要求,做得好的一次,其致密部分的厚度也僅僅達到白層總厚度的51.65%。

齒圈(932777601)氣體氮化檢測報告

通過這一事件,筆者深度懷疑,氮化-軟氮化產品的白亮層致密度與材料本身的“內在品質”存在一定關系,但非常遺憾的是:筆者查閱了大量的中外文獻,至今卻未能找到相關的理論依據。

后來,筆者見到有人在熱處理網站上傳了一個31CrMoV9的氮化產品的檢測報告,其工藝時間長達124h,氮化層深度(DN)深達0.76mm(界限硬度400HV),而居然看不到脈狀組織!而同爐的42CrMo、25Cr2Mo1V產品的脈狀組織卻大大超過GB/T11354-2005規定的高級別!

 

 

2 齒輪用鋼鍛坯的等溫正火

 

2.1 淺論等溫正火的理論基礎和技術要求

目前,等溫正火在改善齒輪材料的原始組織,減小終熱處理變形量方面的作用越來越為業內人士所認可。

等溫正火的主要理論依據應該是鋼的奧氏體等溫轉變曲線圖,等溫正火的主要目的是獲得均勻細小而近于等軸狀的晶粒和組織,同時獲得適宜的硬度,以利于獲得良好的金切加工性能。但非常遺憾的是:迄今為止,筆者翻遍了手頭的科技文獻資料,卻未能找到20CrMnMoH、22CrMoH的奧氏體等溫轉變曲線。

實踐證明,滲碳鋼在160~210HBW的硬度范圍,均可獲得優秀的加工表面,但當正火硬度達到上限(偏高)時,會導致刀具磨損較快,從而增加刀具的消耗。對于不同牌號的齒輪材料,由于合金化的差異,很難使正火后的硬度與金相組織獲得兩全其美的匹配,當二者不可兼得的時候,應該如何決定取舍呢?

 

個人認為,在這種情況下,應該優先保證獲得良好的金相組織。

但不少設計人員對等溫正火的意義和實際操作實務缺乏必要的了解,提出的技術要求帶著極大的盲目性,只追求正火后的硬度,而忽視對金相組織的要求,從而舍利而趨弊。如此一來,不僅不利于后續的切削加工,而且給終熱處理埋下禍根。

奇文共欣賞,疑義相與析。今天借此機會在這里給各位專家、同行展示一下濟南匯九齒輪有限公司所做的兩種材料的等溫正火效果,以期取得拋磚引玉的效果,希望各位專家和同行提出質疑和指導。

2.2  20Cr2Ni4A及20CrMnMoH等溫正火金相組織及晶粒度

2.2.1  20Cr2Ni4A螺傘齒鍛坯的等溫正火金相組織

按照《GB/T13320-2007鋼質模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》來評級,應該可以評為1級,實測這個組織的鍛件硬度為194~195HBW。(注:金相組織及硬度均為在橫截面上的剖檢結果)

:20Cr2Ni4A鍛件等溫正火金相組織(100×)

西門子機械傳動(天津)有限公司提供的匯九齒輪20CrMnMoH晶粒度檢測報告。

濟南某齒輪有限公司供西門子(天津)公司的齒輪與西門子公司德國本部提供齒輪同臺做疲勞強化試驗,結果德國本部提供齒輪率先破壞。西門子公司德國本部要求把做過疲勞試驗的匯九齒輪發到德國本部,然后進行剖檢分析,德國本部給出的檢測報告。

鋼材是國民經濟的基礎,鋼材質量的優劣直接決定一個國家的工業制造水平。然而,我們國家的鋼材質量現狀實在令人擔憂,這一問題已嚴重制約我國各行各業的產品質量提升;而且,因為鋼材質量問題給工業生產造成巨大的浪費和經濟損失是令人觸目驚心的!目前,我國的鋼鐵企業的產能過剩是改革開放初期粗放式發展模式形成的痼疾,而當前,在日益嚴酷的市場競爭中,靠無序的價格戰攫取市場份額,必然導致產品質量的急劇下滑,而且,參與惡性競爭的企業終會搬起石頭砸自己的腳,對整個行業的發展無異于飲鴆止渴!

鋼材內部的冶金缺陷固然可以通過后續的鍛造和預備熱處理加以改善,但這種改善是有限度的,嚴重的成分偏析、混晶、帶狀組織,是難以通過鍛造和預先熱處理消除的。本人從事熱處理技術工作30年,特別是從事齒輪熱處理10余年,因為鋼材質量問題所遭遇的種種尷尬和無奈,令人痛心疾首!打鐵還的自身硬!我國的鋼鐵企業靠國家政策調控和對市場的刺激干預,終究不是長久之計,只有過硬的產品質量才是企業永遠立于不敗之地的法寶。

 

文章來源于:http://www.duitsimple.com/News-Detail.asp?Id=902

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