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薄片齒輪 淬火 時 易 變形 怎么辦?

薄片齒輪淬火中易變形,告訴你一招解決這個問題。

薄片齒輪應(yīng)用較為廣泛,如儀器儀表類、航空航天類等領(lǐng)域,由于該領(lǐng)域?qū)Ρ∑X輪的精密度要求較高,所以在加工生產(chǎn)中一定要保證其加工精度,嚴(yán)格控制其變形量。本文以3Cr13鋼為基體,介紹了一種新的強化淬火熱處理工藝。


1.工藝特征與工藝試驗

3Cr13是一種常見的不銹鋼,有較好的淬透性、淬硬性、抗氧化性和耐蝕性,可油淬、硝鹽淬、空冷淬。表1為3Cr13鋼化學(xué)成分和臨界溫度值。表2為回火時間對硬度的影響。

表1  3Cr13鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)和臨界溫度

C

Si

Mn

Cr

Ac1/

Ac3/

0.25~0.34

0.60

0.60

12~14

800

1100

表2  回火時間對硬度的影響   (HRC)

回火溫度/

回火時間/min

30

50

120

240

530~540

48

46

39~40

35~36

550~560

46

42~43

34.5

33

570~580

40~41

35~36

32

30~30.5

590~600

33.5

32

29.5

28

圖1表明,隨著淬火溫度升高,硬度、強度增加,但伸長率σ、斷面收縮率ψ和沖擊韌性α降低,幾乎成反比例變化。當(dāng)淬火溫度過低,小于等于950℃時,主要碳化物和合金元素未充分溶解到奧氏體中去,基體組織含碳量和合金元素較多,奧氏體合金化不充分,有較多過剩碳化物、殘余網(wǎng)狀碳化物和“α”鐵素體相。當(dāng)未溶碳化物呈鏈狀不均勻分布時,破壞基體連續(xù)性,淬火后出現(xiàn)雙相組織,導(dǎo)致強度、韌性的抗蝕性急劇降低。當(dāng)淬火溫度過高,大于1000℃時,出現(xiàn)粗晶粒,殘余奧氏體增多,增大變形,導(dǎo)致硬度、強度、塑性和韌性均降低。當(dāng)淬火溫度大于1200℃時發(fā)生“δ”鐵素體共析轉(zhuǎn)變,淬火后出現(xiàn)馬氏體加δ相雙相組織。總之,淬火溫度愈高,奧氏體中溶解碳和合金元素愈多,奧氏體合金化程度增大,晶粒愈粗,淬火后得到過飽和的粗馬氏體,經(jīng)中、高溫回火析出碳化物就愈多且強烈,加上高溫淬火產(chǎn)生過多殘余奧氏體和出現(xiàn)“δ”鐵元素,淬火組織為雙相或多相組織,易形成正負(fù)微電池作用,導(dǎo)致腐蝕。同時,粗大晶粒將降低綜合力學(xué)性能。當(dāng)淬火溫度適中時。即能使碳化物和合金元素溶解,奧氏體均勻化,晶粒細(xì),淬火后得到單一均勻的低碳馬氏體。加上選擇最佳回火溫度。能獲得既有良好綜合力學(xué)性能又有高的抗蝕性能。


圖1 淬火溫度與力學(xué)性能關(guān)系(試樣經(jīng)600℃、2h回火)


圖2表明,隨著淬火溫度升高和在400℃以上回火時抗蝕性下降,約500℃回火時降至最大峰值,淬火溫度愈高,抗蝕性降低愈多;但當(dāng)回火溫度低于400℃時,隨淬火溫度提高,抗蝕性提高。因低溫回火時僅從馬氏體中析出少量彌散碳化物,基本仍保持高于11%含Cr量,因此,抗腐蝕性較高。電鏡觀察發(fā)現(xiàn),淬火馬氏體在較高溫度回火后緩慢冷卻過程中有類似S、P等夾雜物和Cr的沉淀物脆性相沿晶界析出,析出物經(jīng)電解侵蝕易脫落,顯示出清晰晶界,但回火快冷不易發(fā)現(xiàn),說明有明顯的二類可逆回火脆性特征。

圖2  回火溫度對3Cr13鋼耐腐蝕性影響


圖3表明,淬火溫度一定時,不同回火溫度對力學(xué)性能影響。回火溫度小于等于500℃,有高的硬度和強度,但塑韌性較低,隨著回火溫度逐漸升高,塑韌性逐漸升高,硬度與強度逐漸降低,幾乎成反比例變化。


圖3 回火溫度對3Cr13力學(xué)性能影響


2.淬火強化工藝

工藝流程:粗加工→去應(yīng)力退火→精加工→微變形淬火→冷處理→回火→成品。


圖4 3Cr13薄片齒輪淬火強化工藝


(1)裝夾與預(yù)熱

將齒輪裝夾在有環(huán)形槽的心棒上,槽深5mm,槽寬5.3~5.5mm,槽與槽之間間隔3~4mm,裝夾的作用是防止淬火加熱和冷卻時激烈擺動引起變形。裝夾后放在有支承架的已升溫至500℃電爐中預(yù)熱,預(yù)熱保溫后置于已升溫至860℃左右的鹽浴爐中進行二次預(yù)熱。齒輪放入后切斷電源,防止因電磁作用鹽浴翻動導(dǎo)致變形。


(2)淬火加熱

齒輪經(jīng)第二次中溫鹽爐保溫后輕輕取出轉(zhuǎn)入已升溫至1030℃的高溫鹽浴爐中,切斷電源后平穩(wěn)放入。切斷電源等于切斷電磁作用,防止因鹽浴翻動導(dǎo)致變形。讓其自然降溫至1000℃,需3~5min。正好是保溫時間,然后取出空冷,趁高溫將一片片齒輪放在平板壓力機上壓平,壓平后放在另一平臺鐵板上冷卻至室溫。經(jīng)檢查淬火硬度≥52HRC,淬火組織為低碳馬氏體和少量殘留奧氏體。


(3)冷處理

3Cr13鋼淬火后約有10%殘留奧氏體,即使少量殘留奧氏體構(gòu)成雙相組織,將降低抗蝕性,齒輪運行時殘留奧氏體會引起誘發(fā)馬氏體相變而產(chǎn)生微量變形,這對精密齒輪也是不允許的。冷處理能使殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,起到提高抗蝕性、硬度、耐磨性、抗疲勞、穩(wěn)定組織和減少變形的作用。冷處理在干冰加酒精容器中進行,在-60℃保溫后取出空冷至室溫。


(4)裝胎具回火

薄片齒輪經(jīng)壓平淬火后99%已達到微變形,僅少量超差,一起裝胎具回火。胎具心軸類似雙頭螺栓,外徑小于齒輪內(nèi)圓,兩頭墊片比齒輪外徑大10~20mm。齒輪片裝上心軸后,兩頭用墊片和螺母擰緊。裝電爐回火1h后取出再次擰緊螺母,反復(fù)3次后取出油冷,防止出現(xiàn)第二類回火脆性。冷透后檢查變形量、硬度和取試樣,作力學(xué)性能試驗。試驗表明,變形量、硬度和力學(xué)性能合格率均為100%,抗蝕性比原工藝提高兩倍以上。


3.結(jié)語

(1)淬火加熱斷電保溫,避免因電磁作用導(dǎo)致鹽浴翻動造成變形和裝胎具壓緊超塑性回火,達到薄片齒輪微變形,合格率100%。


(2)采用1000℃短時保溫空冷淬火,獲得均勻的低碳板條馬氏體和少量的殘留奧氏體組織,經(jīng)冷處理使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,得到幾乎單一的低碳馬氏體。實踐表明3Cr13鋼單一的馬氏體抗蝕性最好。經(jīng)較低溫度回火僅析出少量彌散碳化物,保持良好抗蝕性和強韌性。

作者:趙玉凱

單位:鄭州機械研究所

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