汽车齿轮锻造毛坯预热处理工艺的改进概要.docx

1、汽车齿轮锻造毛坯预热处理工艺的改进概要收稿日期:2001年7月汽车齿轮锻造毛坯预热处理工艺的改进第一汽车集团公司热处理厂(长春130011 徐德惠 牟宗山摘 要:介绍了低碳合金渗碳钢齿坯预热处理工艺的现状,讨论了钢件的正火组织和硬度对切削加工性能及渗碳淬火变形的影响,提出应推广应用等温正火技术以改进齿坯预热处理质量。关键词:齿轮, 预热处理, 等温正火, 显微组织Improvement of Preheating T reatment Process of Automobile Gear Forging BlanksXu Dehui et alAbstract:The present stat

2、us of the preheating treatment process for case hardened steel gear blanks i s in troduced.The influ ences of the normalized structure and hardness of steel workpiece on its cutting performance and deformation after carburizin g and q uenching are discussed.It is suggested that the isothermal normal

3、izing technology should be promoted to increase the preheating treatmen t quality of gear blanks.Keywords:gear, preheating treatment, isothermal normalization, microscopic structure1 汽车齿轮锻造毛坯预热处理工艺现状汽车齿轮通常采用低碳合金渗碳钢制造,齿轮毛坯(简称齿坯一般需经过锻造 预热处理 切削加工 渗碳 淬火 回火等多道冷、热加工工序,以获得较高的表面硬度和较好的芯部韧性,使成品齿轮具有耐磨、耐疲劳、耐点蚀等

4、优良性能。锻造齿坯的预热处理工艺有两个目的:获得较好的切削性能,这就要求在预热处理后得到均匀等轴晶粒的铁素体!珠光体混合组织,且不含微量贝氏体组织;保证齿坯(包括同一批材料锻出的齿坯和同一齿坯的各个部位具有均匀一致的组织结构,减小齿轮渗碳淬火后因组织转变而产生的不规则变形,保证齿轮具有良好的接触面,降低工作噪音。齿坯的预热处理不仅可影响其切削加工性能,而且对最终热处理变形也有很大影响。为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传统的正火处理工艺。该工艺设备简单、能耗少、工艺要求不高,因此应用较为广泛。该工艺方法为:将齿坯加热到临界点A C3或A C m以上的

5、适当温度,持续一定时间后在空气中冷却,可得到珠光体类组织。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,普通的正火处理工艺因硬度范围较大(156207HB、金相组织不均等缺陷,已难以满足齿坯预热处理的要求。产生正火缺陷的原因是当成堆齿坯在空气中(或吹风冷却时,位于齿坯堆表面和内部的齿坯冷却速度不同,无法控制奥氏体分解相变的一致性,因此获得的显微组织和硬度也不相同。部分齿坯因冷却速度较快,有可能局部(甚至全部获得非平衡组织( Fe魏氏体、贝氏体等,这不仅会影响切削加工性能,也会改变齿轮渗碳淬火后的变形规律,甚至因变形过大而报废,这种情况在淬透性波动较大的钢制齿轮中更易

6、出现。冷却速度较慢的齿坯因材料硬度过低,切削时易发生塑性变形,形成切削瘤,引起#粘刀、#烧刀等现象。2 正火组织及硬度对切削加工性能的影响钢件的切削加工性能对于大批量、连续化、多刀切削生产的汽车零件至为重要。许多渗碳钢制件(如汽车齿轮形状复杂,切削加工量大,且在渗碳淬火后不再进行磨削精加工,因此要求钢件具有良好的切削加工性能(如可采用高速切削,切削耗能小,刀具磨损小,表面光洁度高等。为此,需要钢件具有合适的显微组织和配合硬度。对于低碳合金渗碳钢,则应具有晶粒均匀的先共析铁素体+细片珠光体组织,且彼此分布均匀,硬度最好在160180HB 之间1。钢件的切削性能主要取决于其力学性能和显微组织,而力

7、学性能又受显微组织的影响。被加工钢件的硬度和强度越高,刀刃切入表面层的阻力就越大,切削热也越高,刀具磨损越快;如钢件的硬度和强度过低,则塑性增大,切削时不易断屑,且钢件易与刀刃粘结,发生冷焊磨损,使刀具使用寿命缩短,此外还可能产生积屑瘤,使加工表面质量恶化,降低钢件表面光洁度。锻造齿坯采用普通正火处理工艺时,由于齿坯是在较大的冷却温度范围内连续冷却而成,因此获得的显微组织及性能不尽相同。当齿坯散热条件较好时,冷却速度较快,奥氏体在珠光体相变范围内还未完全转变就降到贝氏体相变温度范围内,因此出现了非正常组织(粒状贝氏体等。这种非正常组织使齿坯硬度偏高甚至超高(&43HRC,加工时刀具磨损快,易烧

8、毁,不仅使刀具消耗量增大,而且严重影响加工质量和生产效率;当齿坯散热条件较差时,冷却速度较慢,极可能出现正火带状组织超差。如果原材料有成分偏析(如磷或锰偏析,当在两相区冷却过慢时,碳原子有充分时间扩散,铁素体首先在含磷量较高或含锰量较低的区域析出,相邻区域则碳原子富集,因此形成了铁素体带和珠光体带相互交替的带状组织。具有这种组织的齿坯,硬度可能合格,也可能偏低,其加工性能随切削方向和方法而异。当沿某一方向插齿或滚齿时,容易发生#啃皮,使加工表面凹凸不平,光洁度较差;拉削时容易粘刀,形成强迫拉削状态,使花键孔拉削尺寸超差,拉削部位变形应力增加,造成热处理后变形量增大。 在相似的力学条件下,钢料的

9、显微组织对切削加工性能有明显影响。面心立方晶格的奥氏体与体心立方晶格的铁素体相比,因形变硬化指数较高、导热系数较小、原子间结合力较强等原因,其切削加工性能较差;贝氏体(尤其是粒状贝氏体因含有难加工的岛状马氏体和残留奥氏体,其切削加工性能比珠光体差;在铁素体+珠光体的显微组织中,因粒状珠光体的塑性高于片状珠光体,使切削加工性能降低。在钢的显微组织中,呈尖角状且分布不均匀的硬质相(如碳化物、氮化物、硼化物或马氏体等对刀刃有机械磨损作用,硬质相的数量越多、尺寸越大、硬度越高,对刀具的损伤也越严重。带状组织和混晶组织的大量存在也会使钢料的切削加工性能恶化。因此,为了提高钢件的切削加工性能,应使其具有软

10、(低硬度、低强度脆(低塑性性,并具有与之配合的适当显微组织。对于合金渗碳钢,硬度一般以170180HB 为宜,但随着含碳量的降低,硬度应适当提高,其显微组织应为由较粗晶粒(35级组成的先共析铁素体+细片状珠光体(渗碳体片薄易破裂为宜,且先共析铁素体的大小与珠光体的层间距离应基本相同。3 正火组织及硬度对渗碳淬火变形的影响在机械传动机构中,因渗碳淬火变形引起的齿轮几何形状变化是产生噪音和局部应力集中、降低齿轮使用寿命的主要因素。对于大多数汽车齿轮,渗碳淬火后一般不再进行磨削加工,因此渗碳淬火变形将直接影响装配总成的最终质量。为此,必须严格控制渗碳齿轮的热处理变形。影响渗碳钢件热处理变形的因素较多

11、,主要有: 零件形状;材料种类(钢种、淬透性等;锻造质量;(毛坯热处理工艺;机械加工;渗碳淬火规范等。对于大批量生产的汽车零件,在影响渗碳钢件变形的诸因素中,人们通常比较重视渗碳淬火工艺,而往往忽视锻坯预热处理的正火工艺。事实上,实际生产中出现的零件渗碳淬火变形过大的现象许多正是由预热处理不当引起的。虽然变形的表现形式不同,但根据其发生机理,可分为内应力(热应力和组织应力造成的应力塑性变形和因比容变化引起的体积变形(即比容变形。由于渗碳淬火前、后钢件的显微组织不同,其比容也不同,因此钢件渗碳淬火后的体积与渗碳淬火前也不相同。对于厚薄不均的零件,不同的体积变化也会引起形状变化。如果掌握了零件尺寸

12、变化规律,则可通过控制切削加工前预留的变形量,使零件渗碳淬火后变形较小甚至不变形。在合金渗碳钢中,各种组成相和组织的比容随含碳量的变化规律如图1所示2。由图可见,渗碳体和铁素体的比容不受含碳量的影响,由铁素体和渗碳体混合组成的珠光体(当其组成相比率一定时图1的比容也不受含碳量的影响。马氏体的比容随含碳量的增大而增大,其比容大于相同含碳量的奥氏体和铁素体。贝氏体的比容因其组成相的不同而不同,其中的条状铁素体因固溶了少量碳原子,其比容比先共析铁素体大。如果形成的是粒状贝氏体,则因其中含有受含碳量影响的马氏体!奥氏体岛而使其比容变化较为复杂,但一般均比珠光体的比容大。钢坯的显微组织不同,切削加工后的

13、残余应力也不相同。残余应力的性质与大小也是影响钢件渗碳淬火变形的重要因素。残余应力越大,变形也越大。在相同切削条件下,如显微组织是由较粗大的奥氏体晶粒形成的铁素体+珠光体组织,则切削后的残余应力较小;如显微组织为贝氏体(特别是含有马氏体!奥氏体岛的粒状贝氏体,则切削后的残余应力较大。因此,如需减小渗碳钢件的淬火变形量,渗碳淬火前的显微组织应为由较粗大的奥氏体晶粒形成的先共析铁素体+珠光体为宜,因为这种组织在渗碳淬火前后的变形规律比较固定,可根据其渗碳淬火变形造成的涨缩量设计切削加工尺寸。如果正火组织为贝氏体或含有部分贝氏体,则会破坏原来的变形规律,并使切削后的残余应力增大,从而使变形增大,轻则

14、影响零件精度,重则使零件报废。应当指出,合金渗碳钢件正火后硬度合格并不代表显微组织合格,因为在相同转变温度条件下形成的贝氏体与珠光体的硬度相近甚至更低。如20MnC r5钢经普通正火处理后硬度为180HV时,其显微组织可能为65%铁素体+35%珠光体,也可能为65%铁素体+23%珠光体+12%(贝氏体+马氏体+残余奥氏体;又如30C rMo钢经普通正火处理后硬度为200HV时,其显微组织既可能为55%铁素体+45%珠光体,也可能为50%铁素体+15%珠光体+13%(贝氏体+马氏体+残余奥氏体。这表明普通正火处理不能稳定获得铁素体+珠光体组织,从而可能影响钢件切削加工性能,改变其渗碳淬火后的变形

15、规律。这种情况在淬透性波动较大的钢材中更易出现,因此国外轿车齿轮材料大多采用可保证淬透性的带钢(即H钢3。用于制造汽车零件的渗碳钢种各不相同,不同的渗碳钢种具有不同的淬透性。由于经普通正火处理后的显微组织受淬透性的影响较大,因此对用于汽车齿轮的合金渗碳钢的淬透性必须有一定要求,以保证正火处理后获得需要的显微组织。4 汽车齿坯预热处理工艺的改进随着材料多样化及产品质量要求的提高,采用普通正火工艺已不能满足调整钢件显微组织和硬度、改善切削加工性能、稳定渗碳淬火变形规律的要求。因此,国内外对合金渗碳钢件的预热处理工艺进行了各种改进,目前主要采用以下几种工艺措施。(1提高正火温度通常的正火加热温度为A

16、 C3+(3050+,此温度为奥氏体再结晶温度,获得的晶粒比较细小,有利于正火后获得细晶粒的先共析铁素体+珠光体,由于晶(相界数量增多,可提高处理后钢件的强韧性。这种正火方式作为最终热处理是可取的,但作为改善切削加工性的预热处理则不适宜,处理后的钢件切削阻力增大,且不易断屑。此外,因加热温度较低,奥氏体的均匀化程度不足,不易形成均匀的显微组织。为此,需要适当提高加热温度,使奥氏体成分均匀和晶粒粗化,提高过冷奥氏体的稳定性。在相同冷却条件下,使先共析铁素体和珠光体的形成温度降低,冷却后可获得块状铁素体+细片状珠光体组织。因此,近年来钢件正火处理工艺的加热温度较传统工艺大幅度提高,达到A C3+(

17、100150+。但由于高温奥氏体化对贝氏体转变的影响较小,冷却速度稍快即会形成贝氏体,因此常会出现硬度过高和切削加工中#打刀、#崩刃等问题。(2增加高温回火工序有些制造厂对正火后硬度偏高的钢件采用增加高温回火工序的方法。高温回火可使马氏体!奥氏体岛状结构分解,从而降低硬度。但由于碳化物球化、钢的韧塑性增大等原因,可能降低齿轮的切削加工性能,同时不利于稳定齿轮渗碳淬火后的变形。(3二段正火钢件经高温奥氏体化后,采用分段控制冷却的方法,即开始以较快冷却速度冷却至550600+,然后用稍慢的冷却速度冷却至300500+,再空冷至室温。如日本某汽车公司的SC M420H(20Cr Mo钢制汽车齿坯的正

18、火工艺为:高温奥氏体化(930+ 均匀冷却至550+(50min 均匀冷却至250+ (100min 空冷。该方法因工艺控制较困难,故在其它钢号中较少使用。(4等温正火等温退火是指合金钢件经奥氏体化后直接进入等温炉或随炉冷却至等温,温度保持一定时间使其完成( +P或P 相变,然后出炉空冷的工艺过程。该工艺适用于过冷奥氏体相当稳定、P 相变温度范围较小的中、高碳合金钢种。由于70年代以前无等温正火这一名词,人们将低碳合金钢锻件的等温处理称为等温退火。80年代以来等温正火这一名词已陆续在词典和标准中出现,一般将合金渗碳钢(特别是低合金渗碳钢锻件的等温处理称为等温正火。由于齿坯材料和对锻造余热的利用

19、方式不同,等温正火可有多种方式。各种等温正火工艺曲线如图2所示。 图2 等温正火工艺曲线图中,曲线 为锻后重新加热的等温正火工艺曲线;曲线为利用锻造齿坯部分余热的等温正火工艺曲线;曲线为利用锻造齿坯余热且有均温工序的等温正火工艺曲线;曲线(为利用锻造齿坯余热的等温正火工艺曲线;曲线为利用锻造齿坯余热的等温正火+高温回火工艺曲线采用等温正火工艺可实现对相变的有效控制。齿坯奥氏体化后迅速冷却至A 1以下的珠光体相变温度等温,由于相变在等温温度下进行,因此经等温正火处理后的钢件较易获得所要求的显微组织和硬度,避免了带状组织超差及出现非平衡组织(如 Fe 魏氏体、贝氏体、马氏体等,且钢材淬透性变化的影

20、响较小。此外,由于等温正火是在恒温下实现相变,与在一定温度范围内实现相变的普通正火相比,残留应力较小,有利于减小淬火变形,改善切削加工性能及渗碳淬火组织。 5 结语近年来,随着引进车型的增多,汽车齿轮材料日益多样化,对齿轮质量的要求也大大提高,普通正火处理工艺已难以保证获得良好的切削加工性能和淬火变形规律稳定的显微组织及硬度,而采用等温正火处理工艺则可有效弥补这方面的缺陷,因此,采用等温正火对合金渗碳钢齿坯进行预热处理具有广阔的应用前景。参考文献1 宫川直久.防止齿轮淬火变形的方法.金属材料日,1966,6(12 姚禄年.钢热处理变形的控制.机械工业出版社,19873 姚贵升.国外金属热处理,

21、1996编辑:陈 敏陕硬公司数控刀具及涂层刀具生产线技改通过国家级验收陕西航空硬质合金工具公司于2001年10月19日顺利通过了数控刀具及涂层刀具生产线技术改造国家级验收。国家有关部委、中航第二集团公司、陕西省有关部委、汉航集团有关领导及有关院所的专家对陕硬公司数控刀具及涂层刀具生产线技术改造有关情况进行了验收,通过听取汇报、现场考察、审查资料等程序后,形成一致意见:陕硬公司数控刀具及涂层刀具生产线技术改造完成情况符合设计规范,达到预期效果,通过验收。陕硬公司数控刀具和涂层刀具生产线技术改造1998年10月正式启动实施,2000年10月全部实施完成。引进了低压真空烧结炉,可使硬质合金材质的密度

22、大幅度提高,孔隙度大幅度降低,使硬质合金材质的强度等物理机械性能提高30%以上;引进了PACVD 涂层设备,可以对高速钢刀具、整体硬质合金刀片和刀具、焊接硬质合金刀具、模具等进行T i N 、TiCN A 、TiCN B 、TiAl N 、TiAlCN 、TiBN 、T iB2等涂层,解决了钛合金、高强度钢、高温合金等航空难加工材料的数控切削工艺难题,使刀具产品具有耐磨性好、抗氧化、抗月牙洼磨损性能好等特点,刀具使用寿命大幅度提高,其中T iB N 、TiB2涂层填补了国内空白;引进了五轴数控刀具磨床和六轴数控刀具磨床、无芯磨床等设备,使公司此类引进设备达到了6台。该类设备能生产普通设备无法加工的等螺旋角、等前角、S 刃球头铣刀等高性能数控刀具,使其具有很高的刃型几何精度和一致性,公司的生产能力有了大幅度提高;引进了数控车床、数控万能外圆磨床及四轴联动数控铣床,建立了数控刀柄生产线;引进和配套了国内外先进的硬质合金材料和刀具检测仪8台套,完善和提高了质量保障能力。(闫莉娜