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浅析零件热处理的变形行为

时间:2014-01-06 16:45来源:洛阳科诺 作者:admin 点击:

齿轮零件生产中,检测热处理质量的主要依据是硬度、金相组织及渗层深度。一般来说都是合格的。但是由于热处理变形的影响,会造成齿轮零件各种尺寸的超差,引起精度的降低甚至报废,因此为提高齿轮的精度,控制热处理变形愈来愈重要。

一、热处理变形产生因素

零件的热处理变形主要是由于热处理过程中产生的各种内应力引起的热处理内应力包括:热应力和组织应力。

1、热应力

热处理过程中由于加热、冷却所产生的内应力叫热应力它产生于冷热状态下,材料的热膨胀系数的差异、零件心部与表面冷热的不同时性。如图1与图2所示为圆柱试样在加热、冷却过程中产生的热应力及其对变形的影响。由于加热和冷却过程中,零件表层和心部温度的差异而导致热应力的产生。当热应力超过材料的弹性极限时即会产生永久性变形为了减小加热时产生的热应力和热变形,零件必须经过预热再逐步加热到温。冷却后由于热应力的作用表层受到压应力的作用,心部呈拉应力状态{尺寸变化趋势为直径尺寸增加,长度缩短为了减小冷却过程中热应力和热变形,应在保证零件淬透性的条件下,尽可能选用高温阶段具有较低冷却速率的淬火介质。

2、组织应力

在热处理过程中由于组织转变所产生的内应力叫组织应力。组织应力产生于组织之间比容不同,如奥氏体<珠光体<马氏体、零件表面和心部组织转变的不同时性。圆柱试样在热处理玲却过程中由于组织转变(奥氏体转变为马氏体)所产生的组织应力分布和热变形情况。单纯的组织转变结果是表面呈拉应力,心部呈压应力状态,正好与热应力相反。由于热处理变形是热应力和组织应力相互作用的结果,因此两者之间可以消除一部分。单纯的组织转变结果使得零件的形状变化表现为:体积膨胀,长度伸长。为减小组织应力对热变形的的影响,在淬火后期,当零件中要发生马氏体相变时,应尽量减慢淬火冷却速率。

二、热处理变形的影晌因素

由上面的分析可以发现,零件的热处理变形主要是由热应力和组织应力所引起的齿轮既要热处理,就会产生热应力。既要淬硬,就免不了组织转变带来的体积变化。因而热处理变形是绝对的。关键是采用各种方法来减小和控制热处理变形。一切影响热应力和组织应力的因素都将会导致热处理畸变.因此如果能够改变和控制这些因素,就有可能减小热应力和组织应力,从而就有可能把热处理变形控制在最小范围以内。

1、化学成分

由于化学成分的变化,钢的淬火马氏体比容、奥氏体屈服强度以及钢材的导热性发生变化,从而改变淬火应力的大小与分布;又由于化学成分的变化,钢的相变温度(^点,点)发生变化,改变了C曲线的位置和形状,使得钢的淬透性发生变化。对于我厂常采用的齿轮用钢来说,在齿轮设计已经考虑到轮齿部分的淬透,但是渗屡化学成分的变化却会引起齿形、齿向鼓形热变形的差异。随着渗层含碳量的增加,增加了马氏体比容,将显著零件的组织应力;同时随着渗层含碳量的增加,点下降,使得残余奥氏体量增多,组织应力由呈减小的趋势,因此在热变形试验中经常可以看到齿形、齿向鼓形的热变形稳定性并不是很好。当然,上述分析只是引起齿形、齿向鼓形热处理畸变的一个方面。

台金元素的存在,使得钢材的导热性下降,淬透性提高。导热性的下降,就要求我们在加热过程中需要缓慢加热,采用预热处理,淬火时要尽可能在冷却性能较低的淬火介质;淬透性提高也有助于选用冷却性能较低的淬火介质。

2、钢材淬透性

当零件全部淬透时,组织应力总和相对较大.对变形的影响也较大,因而趋向于长度伸长,内、外径尺寸胀大;而零件未全部淬透时,热应力占主要因素,变形趋向于长度缩短,内、外径尺寸缩小。对于不同材料制备的零件,由于钢材淬透性的差异,变形的大小也存在区别。同种淬火条件且完全淬透时,即使采用分级淬火介质,淬透性高的钢材变形较大。如我厂采用的SAE4320淬透性~SAE8620淬透性>20MnCr5淬透性,因而其零件的热变形也存在较大差异。对齿轮零件来说,齿部为全淬透.而其它部位将视壁厚的情况各有不同,一般情况下,内孔呈收缩趋势,收缩大小与零件的大小相关。

对于同种材质来说,选用“H”钢,对提高热变形的稳定性及热处理质量的稳定性具有重要意义。其原理在于压缩淬透性公差带。一般来说,带宽控制在6~?HRC(个别单位要求控制在≤4HRC,来提高零件加工精度)同时尽可能使材料的淬透性处于淬透性公差带的中部。另一个措施是采用多点淬透性来控制材料质量目前我厂大多数材料淬透性控制单点淬透性(公差带为6~7HRC),这是需要与冶炼钢厂协调改进之处。

3、毛坯组织

毛坯组织的影响与毛坯加工工艺有关。冷挤压与热锻零件的热处理变形不同。对于热锻件来说,正火处理方式也对热变形存在影响。比如普通正火零件,由于正火过程中冷却速率较大和冷却的不均匀性,相对于等温正火零件,其组织、硬度和应力的均匀性,热变形的稳定性也存在很大的差异。屙时毛坯组织、硬度和应力的均匀性还对玲加工后的残余应力分布产生影响。均匀性越高,有助于冷加工及其后的残余应力的均匀分布,因而也有助于提高热处理变形的稳定性。目前低碳台金钢齿轮锻坯的予处理工艺主要有如下处理工艺:锻造余热正火、普通正火、普通正火加高温回火、等温正火、普通正火加粗加工后进行无氧化去应力处理。成本由低到高。除了前两种方法有厂家证明,处理后的组织均匀性和热变形稳定性相对较差外,后面几种工艺的差别未有报道。

冷挤压与热锻毛坯对热变形的影响在我厂4T65E工艺中有所体现,美国采用冷挤压工艺加工毛坯,工艺中给出的齿形齿向回机量较大,但实测齿轮齿形齿向的稳定性很好,即角度变动量较小;我厂采用热锻工艺制造毛坯,热变形规律研究表明,回机量较小,但热变形的稳定性很差。分析原因可能在于冷挤压毛坯的组织应力均匀优良所致。

4、冷加工切削应力

冷加工切削应力对于热变形的影响往往为人们所忽视,其原因,一方面在于切削加工过程中只考虑了冷加工的工艺性;另一方面在于冷加工后,尺寸已经达到工艺尺寸范围,进行去应力处理会导致零件的变形而引起尺寸超差,甚至报废。但实际上切削加工应力对热变形将产生不良后果。如图4所示为刨削和铣削加工过程中残余应力的分布。可见刨削和铣削加工后残余应力分布很不均匀。这种不均匀应力分布与热处理过程中热应力和组织应力叠加将会直接导致热处理变形的不稳定性。笔者认为,为降低切削加工应力及其分布的不均匀性,一方面可以通过温正火、普通正火加粗加工后进行无氧化去应力处理来予以改善;另一方面,必须严格控制切削加工过程中的进给量和进给速率,精加工必须带切削液加工。