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        脫碳層對27MC5半軸齒輪冷鍛質(zhì)量影響的研究

        2018-08-02 10:41:50李蔭現(xiàn)李衛(wèi)民
        關(guān)鍵詞:深度

        李蔭現(xiàn),李衛(wèi)民

        (1.江蘇飛船股份有限公司;2.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)學(xué)院,江蘇 泰州 225300)

        伴隨著模具工業(yè)的進(jìn)步,直接用冷壓機(jī)進(jìn)行冷擠成形齒輪,可以提高齒輪的精度等級,增強(qiáng)齒輪的外觀美感,對經(jīng)濟(jì)效益的提升具有重要作用。

        半軸齒輪選材是27MC5,該材料主要化學(xué)成份(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%)為:C:0.23-0.29,Si:0.10-0.40,Mn:1.10-1.40,Cr:1.00-1.30,P:≤0.030,S:0.025-0.040,Al:0.015-0.040,Cu:≤0.30,Ti:≤0.01。該齒輪加工工藝線路為:原材料→棒料→等溫退火→磨削→冷鍛成磨菇狀(冷鍛坯)→等溫退火→冷擠成形→機(jī)加工→滲碳、淬火、低溫回火→精加工。

        1 脫碳問題的產(chǎn)生

        在對滲碳、淬火、低溫回火后的SL半軸齒輪進(jìn)行檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)半軸齒輪容易破碎,嚴(yán)重影響齒輪的使用性能及壽命。針對這個(gè)問題,雖然采用了多種方法進(jìn)行修復(fù)處理,但都無法消除,是一個(gè)頑癥。一旦存在這種“頑癥”,半軸齒輪就得報(bào)廢,經(jīng)濟(jì)損失非常大[1]。

        如圖1所示為滲碳、淬火、低溫回火后報(bào)廢的半軸齒輪外觀形貌及金相組織,從圖中可以看出:按照從外部到內(nèi)部的順序,1處組織為細(xì)小的回火馬氏體M回+微量殘余奧氏體Ar,該處硬度為62~65HRC,是硬度最高的“表面”;2處組織為大量的鐵素體F,該處硬度為26-29HRC,是硬度最低的“中間層”;3處為低碳板條狀馬氏體M+極少量鐵素體F,該處硬度為42-45HRC,是較硬的“心部”[2]。

        圖1 齒輪外觀形貌及金相組織

        2 脫碳問題的分析

        在冷擠成形半軸齒輪進(jìn)行滲碳、淬火、低溫回火熱處理之前,我們進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)有些齒輪存在脫碳現(xiàn)象,而且脫碳層深淺不一。我們選取了五只不同脫碳層深度的冷擠成形半軸齒輪(如表1所示)進(jìn)行了跟蹤試驗(yàn)。

        表1 不同脫碳層深度的半軸齒輪

        圖2 不同脫碳層深度的半軸齒輪滲碳、淬火、回火后金相組織(×80)及齒頂向下硬度分布曲線(F—鐵素體分布區(qū)域、S—鐵素體區(qū)域?qū)挾取V—維氏硬度值)

        圖2所示為5件齒輪樣品經(jīng)滲碳、淬火、低溫回火后的金相組織,由圖中可以發(fā)現(xiàn),半軸齒輪1齒頂向下有大量的鐵素體F組織,出現(xiàn)鐵素體F的寬度為0.35 mm;半軸齒輪2齒頂向下有很多的鐵素體F組織,出現(xiàn)鐵素體F的寬度為0.25 mm;半軸齒輪3齒頂向下有較多的鐵素體F組織,出現(xiàn)鐵素體F的寬度為0.16 mm;半軸齒輪4齒頂向下有少量的鐵素體F組織,出現(xiàn)鐵素體F的寬度為0.10 mm;半軸齒輪5齒頂向下沒有鐵素體F組織,金相組織呈現(xiàn)正常狀態(tài)。

        脫碳層的深淺直接影響到鐵素體F組織的寬度及其有無。冷鍛坯的脫碳層越深,滲碳、淬火、低溫回火后,其鐵素體F組織分布就越多、越寬,對產(chǎn)品的使用性能及壽命的影響就越嚴(yán)重[3]。

        3 脫碳問題的改進(jìn)

        脫碳是鋼件在加熱時(shí)與周圍氣氛中的氧發(fā)生氧化而形成的,脫碳的過程實(shí)際上是鋼件內(nèi)部的碳向外界擴(kuò)散的過程。半軸齒輪冷鍛坯的等溫退火工藝,是滴加少量的甲醇作保護(hù)氣氛,而其脫碳過程,相當(dāng)于冷鍛坯內(nèi)部的碳向外界擴(kuò)散,同時(shí)甲醇高溫分解析出的活性碳原子,由表及里向冷鍛坯內(nèi)部擴(kuò)散,當(dāng)活性碳原子向內(nèi)擴(kuò)散的速度大于或等于冷鍛坯內(nèi)部的碳向外界擴(kuò)散的速度,冷鍛坯就不會(huì)脫碳,脫碳層的深淺與這兩者擴(kuò)散的速度相關(guān)聯(lián)[1]。

        通過以上分析,可以從以下幾個(gè)方面來控制脫碳層深度:

        (1)合理選擇冷鍛坯等溫退火工藝

        圖3 半軸齒輪冷鍛坯等溫退火工藝

        圖3為半軸齒輪冷鍛坯等溫退火工藝曲線。半軸齒輪冷鍛坯進(jìn)爐升溫(入爐后,抽真空換氮?dú)馍郎兀?h后及到溫時(shí)各換一次氮?dú)?。每次換氣把爐內(nèi)氣壓抽至-0.05MPa~-0.09 MPa,氮?dú)饧兌取?9.95%)→高溫均熱(780℃,4h)→隨爐降溫→等溫(700℃,4h)→隨爐降溫(溫度下降≤25℃/h)→溫度≤500℃時(shí),出爐空冷。

        通過在升溫加熱過程中把爐內(nèi)抽成真空(除去爐內(nèi)的氧),然后充入高純氮?dú)庑纬烧龎哼M(jìn)行保護(hù),從而達(dá)到減少脫碳層深度的目的。該冷鍛坯退火工藝經(jīng)多次驗(yàn)證,能有效控制脫碳層深度,保證齒輪冷擠成型質(zhì)量[3]。

        (2)針對冷鍛坯內(nèi)部的碳向外界擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于活性碳原子向內(nèi)擴(kuò)散的速度所造成的脫碳現(xiàn)象,其原因經(jīng)多次試驗(yàn)、分析,總結(jié)如下:

        1)等溫退火設(shè)備老化,密封性能差,空氣中的氧進(jìn)入;2)保護(hù)介質(zhì)——甲醇的還原性降低,高錳酸鉀試驗(yàn)時(shí)間≤5min,達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)。

        可以從設(shè)備、保護(hù)氣氛等方面著手,來解決這個(gè)問題,具體解決措施如下:

        1)冷鍛產(chǎn)品的棒、坯料改用先進(jìn)設(shè)備——脈沖真空電阻爐(換氣真空電阻爐)進(jìn)行退火;2)對甲醇這類保護(hù)氣氛介質(zhì)的質(zhì)量嚴(yán)加控制,并采用真空(充氮換氣)的方法來逐漸取代。

        4 結(jié)語

        通過對半軸齒輪冷鍛坯等溫正火工藝進(jìn)行改進(jìn),更新等溫退火設(shè)備,采用脈沖真空電阻爐;采用真空(充氮換氣)的方法來取代甲醇保護(hù)介質(zhì),能有效控制脫碳層深度,保證齒輪產(chǎn)品質(zhì)量,有效提高整體經(jīng)濟(jì)效益。

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