利用锻造余热等温正火稳定渗碳淬火变形规律.doc

利用锻造余热等温正火稳定渗碳淬火变形规律
一、概述1.汽车渗碳钢件的现状与发展汽车齿轮、传动轴等重要零件一般均采用低合金渗碳钢制造，这类钢材是汽车用合金结构钢中使用最广、用量最大的钢种之一，一般都需要经过锻造、预先热处理、切削加工、渗碳、淬火、回火等多道冷热加工工序，以获得高的表面硬度和较好的心部韧性，使工件具有耐磨、耐疲劳和耐点蚀等良好的特性。由于各国资源和工业发展的经验不同，各国的各大工厂使用的渗碳钢种也不完全相同。目前，各国标准中列出的渗碳钢钢号比较多，汽车齿轮用渗碳钢主要是低碳合金钢，其中Cr钢、Mn钢和Mo钢用于次要和小尺寸齿轮，Cr-Ni钢、Cr-Mn钢、Cr-Mo钢、Mn-Mo钢和Cr-Ni-Mo钢用于尺寸较大的重要零件。随着汽车产品技术水平的日益提高及市场竞争的日益激化，汽车齿轮用钢正处于由各大企业的经验型向科学化、国际化方向发展的过渡阶段，由各具特色的Cr-Ni钢、Cr-Ni-Mo钢、Ni-Mo钢向低成本、通用的Cr-Mo钢过渡。因此必须采用相应合理的热处理新工艺与之相配合。2.渗碳钢件锻造毛坯预先热处理的现状及存在的问题锻造毛坯的预先热处理，不仅对切削加工性能有极大的影响，而且对最终热处理变形也有重大影响。为了提高齿坯的可切削性，消除锻造应力，使组织均匀化，目前国内对渗碳钢齿坯普遍采用正火处理。正火是将钢材或钢件加热到临界点Ac3或Acm以上的适当温度，保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。正火是一种传统的老工艺，因其设备、工艺要求简单，能耗少，一直被广泛采用，但并非完美无缺。随着汽车工业的发展及对产品质量要求的提高，特别是引进车型用钢材料的多样化，普通的正火处理已达不到齿坯预先热处理的目的。鉴于普通正火处理是将钢件加热到高温奥氏体化后在空气中(有时吹风)冷却到室温，属于毛坯热处理，加之以往对正火钢件要求的硬度范围较宽(156～207HBS)，一般不检查显微组织，加之又多在锻造工厂(车间)进行，故通常容易被人们所忽视。对于锻件正火后究竟需要获得什么样的显微组织形态和硬度指标，既缺乏深入理论研究，又缺少生产性实践探讨。实际上我国目前普遍存在这类零件切削后表面粗糙、切削刀具使用寿命低、渗碳淬火前后变形波动较大等问题，这些与正火显微组织不良、硬度不佳有密切的关系。在实际生产中，渗碳钢锻造毛坯经正火处理后，由于不能控制正火的冷却速度，因此奥氏体分解相变无法控制，必然在一个温度区间内连续进行，因而获得的显微组织和硬度也可能不同。有些钢件由于冷却速度较大，有可能局部甚至全部获得非平衡组织(α-Fe魏氏组织、贝氏体等)，这不仅影响切削加工性能，而且也会改变钢件渗碳淬火后的变形规律，会因变形过大而报废，这种情况在淬透性波动较大的钢中更易出现。对于冷却速度较小的钢件，由于钢的硬度过低，切削时易发生塑性变形，形成切削瘤，出现“粘刀”、“烧刀”现象。一般热处理的变形量随机加工变形量的增大而增大，由于机加工工艺不当，如拉削速度过快、刀具磨损切削时所造成的残余应力、拉削过程中基准面不平、存在铁屑等异物、齿轮拉花键孔时出孔方向不当等都可使热处理变形量增大。通过改进机加工工艺，加工变形量可得到有效控制。近年来，随着引进车型带来齿轮材料多样化和对齿轮质量的高标准要求，采用普通正火处理已难以满足汽车生产的要求。锻件的正火处理不仅要求硬度在一个较窄的范围之内(钢件切削加工时易断屑、表面光洁)，而且要求获得稳定的显微组织(较粗的铁素体晶粒加较细的珠光体)，以改善切削加工性能及稳定渗碳淬火后的变形规律。美国金属学会向能源部提交的国际研发计划中，提出的目标之一就是“努力达到热处理零件的零变形和最大限度的均匀性”。为了满足上述要求，需对正火工艺进行改进，以获得正火所要求的显微组织和硬度范围。二、渗碳钢的正火工艺正火是渗碳钢锻件预先热处理的主要手段。其目的是消除或改善坯料制备时所造成的各种组织缺陷，获得最利于切削加工的组织和硬度，改善组织中相的形态和分布，细化晶粒，为最终热处理做好组织准备。1.钢的正火组织、硬度与切削加工性能材料的切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。钢件的切削性能，主要取决于其力学性能和显微组织，而力学性能又受显微组织的影响。被加工钢件的硬度、强度越高，刀刃插入和劈开表面层的阻力越大，切削热越高，刀具磨损也就越快;钢件的硬度、强度过低时，塑性往往增大，切削时不易断屑，而且钢件容易与刀刃粘结，刀具容易发生冷焊磨损，使刀具的使用寿命降低，而且容易产生积屑瘤使加工表面质量恶化，增加钢件表面粗糙度。在相近的力学性能下，钢料的显微组织对切削加工性能有明显的影响。面心立方晶格的奥氏体与体心立方晶格的铁素体相比，因其形变硬化指数高、导热系数小、原子间结合力强等，使切削加工性能降低。贝氏体尤其是粒状贝氏体，因含有难加工