車(chē)永平，楊 揚(yáng)

(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119)

近期開(kāi)發(fā)的某定子產(chǎn)品，其典型特點(diǎn)是內(nèi)花鍵長(zhǎng)度大，直接滲碳淬火可能導(dǎo)致內(nèi)花鍵變形過(guò)大，進(jìn)而導(dǎo)致塞規(guī)不過(guò)及齒形齒向超差。因此，本研究采用滲碳正火+二次加熱+限形淬火+低溫回火的熱處理工藝進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

產(chǎn)品圖紙要求外圓硬化層深為1.7～2.5 mm(513 HV)，由于外圓需要經(jīng)過(guò)熱后磨削，熱處理階段需要控制外圓硬化層深≥1.9 mm。采用傳統(tǒng)的氣體滲碳爐，且根據(jù)客戶(hù)的要求，樣件開(kāi)發(fā)階段必須滿(mǎn)足晶間氧化≤0.018 mm(批量生產(chǎn)階段可放寬至最大0.028 mm)，這就增加了滲碳正火階段工藝開(kāi)發(fā)的難度；此外，對(duì)于限形淬火工藝階段，壓淬模具設(shè)計(jì)、壓力、淬火油流量等參數(shù)，均對(duì)最終產(chǎn)品的變形有重要影響。因此，需要合理設(shè)定相應(yīng)參數(shù)。

1 試驗(yàn)工藝及方法

1.1 產(chǎn)品類(lèi)型

定子產(chǎn)品材料為SAE8620鋼，化學(xué)成分見(jiàn)表1。該產(chǎn)品內(nèi)花鍵模數(shù)為1.27，節(jié)圓直徑為69.85 mm，齒寬為63 mm，跨球距公差為64.984～65.091mm。內(nèi)花鍵外圓直徑為88.9 mm，最大外圓為126.5 mm，零件總高度為78.8 mm，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

表1 SAE8620鋼材的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 定子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 熱處理工藝

熱處理工藝如圖2所示，滲碳正火階段使用愛(ài)協(xié)林VKEs5/2型箱式多用爐，主要是為了獲得定子所需的化學(xué)層深。二次加熱階段使用愛(ài)協(xié)林轉(zhuǎn)底爐，在一定滲碳?xì)夥占皽囟认率苟ㄗ佣螉W氏體化，并將隨爐冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的表面脫碳重新滲碳。限形淬火階段使用Gleason537壓淬機(jī)床，通過(guò)快速油冷獲得定子的最終性能，在該階段需輔助壓淬模具限制其過(guò)度變形。去應(yīng)力階段主要是釋放壓淬階段產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力，防止開(kāi)裂，一般選用160～200 ℃，保溫時(shí)間不低于3 h，由于零件表面硬度要求≥59 HRC，因此，低溫回火工藝選擇160 ℃×3 h。

圖2 熱處理工藝

2 工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程

2.1 滲碳正火工藝

滲碳正火過(guò)程主要是在多用爐后室實(shí)現(xiàn)滲碳?xì)夥盏姆纸膺^(guò)程、活性碳原子的吸附固溶過(guò)程及工件內(nèi)碳原子由表面向心部的擴(kuò)散過(guò)程[1]，一定時(shí)間后，將零件轉(zhuǎn)移至多用爐前室的保護(hù)氣氛下緩慢冷卻，從而達(dá)到零件要求化學(xué)層深的過(guò)程。該階段通過(guò)調(diào)整熱處理工藝溫度、強(qiáng)滲與擴(kuò)散時(shí)間、各階段碳勢(shì)等方法調(diào)整化學(xué)層深，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

第1輪試驗(yàn)結(jié)果顯示，外圓硬化層深達(dá)到2.3 mm時(shí)，零件的晶間氧化已達(dá)0.030 mm，遠(yuǎn)超過(guò)樣件階段要求的0.018mm及批產(chǎn)的0.028 mm。因此，需要對(duì)正火工藝進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)第1輪試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整滲碳正火階段的工藝時(shí)間將該階段的模擬層深優(yōu)化至1.74 mm，如表3所示。熱處理后檢測(cè)外圓硬化層深為1.99 mm，晶間氧化為0.024 mm(見(jiàn)圖3)，該結(jié)果滿(mǎn)足批量交樣要求，但仍不滿(mǎn)足樣件要求。

晶間氧化主要是由于滲碳?xì)夥罩械难踉厥沽慵砻婢Ы绾辖鹪刎毣纬傻暮谏z狀組織[2-3]。對(duì)于傳統(tǒng)的氣體滲碳，一般采用縮短工藝時(shí)間[4-5]、控制氣氛中水和氧氣的含量、提高冷卻速度等方式降低晶間氧化。

1)縮短擴(kuò)散階段的時(shí)間。一般情況下，強(qiáng)滲時(shí)間與擴(kuò)散時(shí)間比建議為2:1，以獲得較好的硬度梯度值。然而，一般在擴(kuò)散階段，爐內(nèi)氣氛需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在較低碳勢(shì)，便會(huì)間歇性的通入空氣，不利于控制晶間氧化，因此，需要在一定程度上縮短擴(kuò)散階段的周期。此外，擴(kuò)散階段碳勢(shì)低，對(duì)化學(xué)層深影響效果較小。因此，第3輪試驗(yàn)在第2輪擴(kuò)散時(shí)間的基礎(chǔ)上縮短50 min。

表3 第2輪工藝模擬數(shù)值

圖3 第2輪工藝晶間氧化金相圖

2)關(guān)閉升溫階段的空氣閥門(mén)，防止該階段的空氣流入。在空爐狀態(tài)下，多用爐后室的溫度一般為920 ℃，當(dāng)零件由前室剛進(jìn)入后室時(shí)，零件與環(huán)境溫度存在巨大的溫差，會(huì)導(dǎo)致后室溫度驟降至700 ℃以下，詳見(jiàn)圖2中的升溫階段。此階段，溫度與碳勢(shì)劇烈變動(dòng)(碳勢(shì)通常虛高)，控制系統(tǒng)自動(dòng)先后通入安全氮?dú)饧翱諝?。因此，在該階段可手動(dòng)關(guān)閉防止該階段不當(dāng)?shù)目諝饬魅隱6]。

3)提高淬火冷卻速度。通常來(lái)說(shuō)，淬火能力的提高會(huì)一定程度上彌補(bǔ)合金元素貧化造成的淬透性下降，進(jìn)而有效地降低晶間氧化，但是冷卻速度的提高通常會(huì)導(dǎo)致變形增大。本次試驗(yàn)選用淬火能力最優(yōu)的K2000淬火油，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化淬火油流量，平衡熱處理變形與晶間氧化之間的關(guān)系。

第3輪試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，熱處理后晶間氧化降低為0.02 mm，經(jīng)過(guò)后續(xù)清理拋丸后基本可滿(mǎn)足要求；但零件的硬化層深接近下限。因此，對(duì)于批量生產(chǎn)，為了保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性，第2輪試驗(yàn)工藝為批量生產(chǎn)的最佳工藝。

2.2 二次加熱工藝

二次加熱主要是實(shí)現(xiàn)零件二次奧氏體化。由于該零件壁厚較薄，二次加熱溫度設(shè)定為870 ℃，工藝時(shí)間設(shè)定為90 min。此外，基于該零件為8620RH，為了防止脫碳，工藝碳勢(shì)設(shè)定為Cp=1.1%。

通常，可通過(guò)檢測(cè)淬火后零件心部是否含有未熔鐵素體來(lái)判斷二次加熱工藝參數(shù)是否滿(mǎn)足要求。如圖4(a)所示，零件心部為淬火馬氏體組織，說(shuō)明加熱溫度及保溫時(shí)間的工藝滿(mǎn)足要求；如圖4(b)所示，零件表面主要是回火馬氏體+殘余奧氏體組織，表面并未產(chǎn)生碳化物及脫碳，說(shuō)明碳勢(shì)為Cp=1.1%時(shí)可同時(shí)保證不脫碳及不出現(xiàn)碳化物。因此，該二次加熱工藝滿(mǎn)足產(chǎn)品生產(chǎn)要求。

(a)心部組織；(b)表面組織

2.3 限形淬火工藝

圖5所示為該定子的限形淬火模具，針對(duì)該零件結(jié)構(gòu)，壓淬模具設(shè)計(jì)主要包含了上壓環(huán)、下支撐、擴(kuò)張芯軸、壓頭、墊片等。下支撐的主要作用是支撐零件下端面；上壓環(huán)主要是施加向下的脈沖壓力，限制端面跳動(dòng)，以保證在熱后車(chē)不出現(xiàn)黑皮，該壓力不宜過(guò)大，本次試驗(yàn)設(shè)置為30 psi常量；擴(kuò)張芯軸的主要作用是施加徑向的脈沖擴(kuò)張力，防止在淬火過(guò)程中零件收縮導(dǎo)致的塞規(guī)不過(guò)。

本次試驗(yàn)主要通過(guò)以下方式調(diào)整相關(guān)的工藝參數(shù)：1)調(diào)節(jié)芯軸的擴(kuò)張壓力；2)芯軸上下錐面增加墊片，以調(diào)整芯軸擴(kuò)張時(shí)的最大直徑；3)調(diào)整淬火油流量，以獲得最佳的冷卻速度。最終的壓淬工藝參數(shù)如表4所示。

表4 定子壓淬工藝參數(shù)

圖5 該定子的限形淬火模具示意圖

值得注意的是：1)由于該零件壁厚較薄，零件回火后內(nèi)花鍵尺寸較壓淬后會(huì)有較大的收縮，需要留有收縮余量；2)化學(xué)層深對(duì)壓淬參數(shù)有一定影響，不同的化學(xué)層深在淬火過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力有一定差異。對(duì)于該產(chǎn)品，化學(xué)層深越深，內(nèi)花鍵擴(kuò)張壓力要求越大，因此，批量生產(chǎn)后需要對(duì)滲碳正火工藝進(jìn)行固化。

3 總結(jié)

該定子的滲碳熱處理工藝主要包括滲碳正火、二次加熱、限形淬火、低溫回火等工序。由于該零件硬化層深要求較高，晶間氧化的控制是滲碳正火工藝的主要難點(diǎn)；二次加熱主要關(guān)注零件是否完成奧氏體的轉(zhuǎn)變及淬火后是否出現(xiàn)脫碳；壓淬工藝參數(shù)的調(diào)試主要與芯軸擴(kuò)張壓力、錐體墊片、淬火油流量等有關(guān)，同時(shí)要考慮化學(xué)層深對(duì)壓淬參數(shù)的影響，以及壓淬后與回火后內(nèi)花鍵跨棒距的差異。