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热处理:平衡的艺术
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:910

热处理的定义就是通过温度的变化改变工件内部显微组织,进而获得理想性能的工艺,而工件的性能往往多种多样,有些性能还存在彼此之间的矛盾关系。例如我们经常遇到的强度和韧性,在一定范围内存在此消彼长的关系。因此,我们从教科书中得到的专业启蒙教育就是,如何借助于工艺获得良好的强韧性搭配。


一、齿轮类零件的平衡关系

就齿轮类零件而言,基于其复杂的受力状态,强度和韧性无疑是最基本、最重要的性能,我们在要求轮齿表面具有高硬度、高疲劳强度的同时,还应该具备良好的冲击韧性,尤其是对于承受冲击载荷的越野车辆、工程机械齿轮,以及自然条件和载荷多变的风电齿轮等。因此,我们将“刚柔并济、内外兼修”作为齿轮热处理的最高境界。


要接近或趋向于上述目标,需要斟酌的因素,或者说要处理的平衡关系很多,其中包括:


(1)表面硬度的确定

根据表面、脆性甚至磨削性能的要求,大部分齿轮的表面硬度控制在58~62hrc的范围。


(2)心部硬度的选择

有研究表明,齿轮心部硬度处于38hrc附近时,具有最好的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度,在确定心部硬度范围时,还需平衡齿轮模数、材料淬透性以及变性倾向的关系。


(3)硬化层深度的确定

目前一般取15%~25%mn作为有效硬化层深度,这里需要掌握的一个平衡关系,就是节圆位置与齿根位置的硬化层匹配关系。为了避免两处的硬化层深度相差悬殊,有些企业标准中明确规定,齿根拐角处硬化层深度不得低于节圆初深度的70%。如美国eaton公司就明确规定,有效硬化层以轮齿节圆为准,允许齿根比节圆处最多浅30%。

 

(4)表层中残留奥氏体数量的问题

残留奥氏体作为亚稳组织不仅影响,也存在着由于后续转变而影响工件尺寸和形状变化的问题,因此,某些精密零件就有通过深冷处理而减少或消除残留奥氏体的要求。但是残留奥氏体组织并非一无是处,它在吸收内应力能量,阻滞微裂纹扩展,提高断裂韧性方面的积极作用也是明确的,因此,有专家建议,将齿轮表层的残留奥氏体量控制在16%~19%的水平。


国外残留奥氏体与马氏体组织是分别要求的,而且往往只有残留奥氏体的要求,并无马氏体的要求。残留奥氏体级别用百分比来表示,对于汽车、工程机械齿轮来说,残留奥氏体量应低于20%,相当于国内标准的3级,也有要求低于10%的情况,相当于国内标准的2级。


(5)低温回火处理

渗碳淬火后低温回火处理非常重要,稍有不慎,就会前功尽弃。常规回火温度为180~200℃,但是由于担心表面硬度等不达标,国内家普遍采用较低的回火温度,有的已经低于160℃。


较低的温度如果再加上保温时间不够,就难以消除硬化层内的残留应力,这样的齿轮往往是硬度有余,而韧性不足,在以后服役条件下容易出现断齿、崩角等严重质量事故,有的齿轮轴在校直时就出现裂纹。


事实上,回火时虽然马氏体中析出的碳化物造成硬度下降,但与此同时残留奥氏体会转变成新的马氏体或贝氏体,同时增加表面压应力,表面硬度未必有明显降低。有人统计,200℃和230℃回火,无论是在、硬化层强度,还是表面压应力方面都不会是质的变化。相反,在硬度相近的情况下,经过略高温度回火的零件,冲击韧性更佳,这与调质时所谓高淬高回能得到更佳综合力学性能的道理是一样的。


二、齿轮平衡关系实例

下面是最近遇到的几个实例,从中可以体会到热处理行业内比比皆是的平衡关系。


 1.复杂结构齿轮的热处理

齿轮如图1所示,其结构特点是内有两段花键,外有轮齿,沿轴向截面对称性差,在普通气氛渗碳炉(多用炉、连续炉)渗碳淬火处理,其变形量基本全部超标。

 

 

图1 复杂结构齿轮


该齿轮的热处理难点就集中于控制内孔的椭圆与锥度变形,因此,减缓淬火烈度,降低齿轮内应力就成为一个选项。而热处理具备的两个有利条件是:该齿轮材料为19crni5,淬透性较好;公司具备可以气体淬火的真空渗碳炉。


因此,工艺改为960℃×2h渗碳,然后n2淬火,最后低温回火,既获得了合格的金相组织,又确保变形量满足要求。


2.某齿轮热处理工艺改进

齿轮结构如图2所示,其特点是齿顶较尖,而且螺旋角β较大,变性倾向大,用常规工艺试验多次,变形量超差。另外,客户对金相组织要求较高,其中次表层itp组织深度≥0.1mm。


 众所周知,itp组织(中间转变产物)是由于次表层淬透性降低而形成贝氏体或托氏体等非马组织,有时被称为次贝组织。国外齿轮产品金相组织经常有itp深度的技术要求,有的标准中规定itp深度须大于对应硬化层深度的一定比例,是衡量硬化层质量的重要指标。其主要影响因素包括材料淬透性、淬火冷却速度、工件尺寸以及表面碳浓度等。


如果从控制itp深度角度考虑,提高齿轮淬火烈度也是一个方向,但这又加大了齿轮的变形倾向。本项目采取的措施是适当提高渗碳后期的碳势,在前的保温阶段通入适量的nh3,彻底解决了itp组织深度问题。

 

 

图2 齿轮图片


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