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渗碳淬火+感应淬火工艺案例分享
时间:2020-02-27来源: 本站 字体:[ ]

十字轴是十字形万向接轴的重要零部件(见图1),其材料常选用15CrNi4MoA钢,最终热处理工艺为渗碳淬火,因材料Ni含量(质量分数)高达4%~4.5%,Ni和Fe能无限固溶,扩大奥氏体区,是形成和稳定奥氏体的主要合金元素,会降低马氏体转变结束温度Mf点至室温以下,淬火后还会保留相当数量的残留奥氏体,加之渗碳后,渗碳层奥氏体碳浓度很高,达到0.7%~0.9%,碳含量高也会使残留奥氏体量增加。因此,其淬火后组织中有大量残留奥氏体(见图2),奥氏体是一种硬度很低的相,会导致硬度降低,使十字轴渗碳淬火后硬度只能达到55HRC左右。十字轴的轴颈直接与轴承滚子装配使用,而轴承滚子的硬度通常都在60HRC以上,由于十字轴硬度偏低,常导致十字轴被高硬度的轴承滚子快速磨损,发生表面剥落失效。

图1 十字轴结构

图2 15CrNi4MoA钢残留奥氏体

为提高十字轴的渗碳淬火硬度,常用方法是在渗碳淬火后增加一道深冷处理工序,使残留奥氏体继续转变成马氏体,减少残留奥氏体量,增加马氏体量,从而提高硬度。但深冷处理成本较高,深冷时间较长,因此本文从另一个方向进行探索研究,将渗碳淬火后的十字轴进行感应淬火,分析渗碳淬火加感应淬火工艺对硬度、金相组织、淬硬层硬度梯度的影响,并讨论该工艺的应用方向,为该类零件的热处理工艺提供另一种参考方法。

2. 试验材料及方法

试验选用十字轴材料为15CrNi4MoA钢,其化学成分如表1所示。生产工艺流程:锻造→正火、回火→粗车→探伤→半精车→渗碳→淬火、回火→感应淬火→精车。十字轴渗碳淬火工艺如图3所示。

表1 试验15CrNi4MoA钢化学成分(质量分数) (%)

图3 十字轴渗碳淬火工艺

十字轴经渗碳淬火后,在其中一个轴颈上进行感应淬火,采用套圈连续加热的方式进行,由于十字轴渗碳淬火加低温回火后,其表面组织为高碳回火马氏体,组织应力较大,在这种状态下进行二次淬火,容易出现淬火裂纹,为了解决此问题,感应淬火采用自冷的方式进行冷却。该十字轴轴颈直径为250mm,因直径较大,能够较为快速的吸收感应淬火时表面加热层的热量,使表层具备一定的冷却速度,同时15CrNi4MoA钢因含有很高的合金元素,使CCT曲线右移,增加过冷奥氏体分解的孕育期,使奥氏体有充分的时间转变为马氏体,基于这两点,感应淬火采用自冷的冷却方式,既可以避免冷却速度过快造成热应力过大而产生淬火裂纹,又能保证达到淬火的效果。感应淬火具体工艺参数如表2所示。

表2 感应淬火工艺参数

为检验渗碳淬火加感应淬火的效果,首先,对感应淬火后的轴颈进行PT探伤,确保不会出现淬火裂纹;其次,分别在十字轴本体轴颈上取样,并对试样编号,1#为渗碳淬火试样,2#为渗碳淬火加感应淬火试样,并对本体进行表面硬度检测,对试样进行渗碳层深度、金相组织检测。

3. 试验结果及分析

(1)PT探伤检测

对渗碳淬火加感应淬火后的轴颈进行PT探伤,未发现裂纹。

(2)表面硬度检测

分别检测渗碳淬火轴颈和渗碳淬火加感应淬火轴颈的表面硬度,其结果如表3所示。

表3 硬度检测结果

从表3的检测结果可知,渗碳淬火后的十字轴表面硬度只能达到56.5HRC,若在此硬度值状态下直接使用,会严重影响产品的使用寿命,而经过渗碳淬火加感应淬火的十字轴表面硬度有显著的提升,可达到60.2HRC,与轴承滚子的硬度值相当,是十字轴使用的**硬度值。

(3)硬化层深度检测

分别对1#渗碳淬火试样和2#渗碳淬火加感应淬火试样使用显微维氏硬度计检测硬化层深度,检测结果如表4所示,硬度梯度曲线分布如图4所示。

表4 硬度梯度分布

图4 硬度梯度分布曲线

根据硬度梯度分布曲线可知,15CrNi4MoA钢十字轴在渗碳淬火后再进行感应淬火,硬化层的硬度值有显著的提高,至表面2.4mm距离处的硬度还有700HV1(60HRC)左右,大于2.4mm后,硬度随着碳含量的降低而逐渐降低。根据GB/T9450—2005 《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》 规定要求,以550HV1为有效硬化层界限硬度值,其有效硬化层深度从3.27mm提高到4.68mm。

(4)金相组织检测

分别对1#渗碳淬火试样和2#渗碳淬火加感应淬火试样进行金相组织检测,结果如图5所示。

按GB/T25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》进行评级。

由图5a、5b可知,工件表层有一定脱碳层,而表层脱碳是导致表层0.6mm深度内硬度偏低的主要原因。

由图5c、5d可知,1#渗碳淬火试样淬硬层马氏体级别为4级,针状马氏体针长在8~13μm,残留奥氏体为4级,含量在18%~25%,碳化物级别为1级,无或极少量细颗粒状碳化物;2#渗碳淬火加感应淬火试样淬硬层马氏体级别为2级,细针马氏体针长在3~5μm,残留奥氏体为1级,含量≤5%,残留奥氏体量显著减低,碳化物级别为2级,细颗粒状碳化物加稍粗的粒状碳化物。

由图5e、5f可知,心部均为回火贝氏体组织,因此渗碳淬火后加感应淬火工艺对心部组织没有影响,不影响心部强度。

图5 十字轴不同工艺热处理后金相组织

奥氏体是一种硬度很低的相,淬硬层中大量残留奥氏体是导致15CrNi4MoA钢十字轴渗碳淬火后硬度低的主要原因,渗碳淬火后增加感应淬火,其残留奥氏体量减小,马氏体针变细,以及粒状碳化物的出现是使淬硬层硬度提高的主要原因。

4. 讨论

(1)渗碳淬火加感应淬火原理分析

15CrNi4MoA钢十字轴渗碳后,其表面碳含量达到0.8%左右,并随着距表面距离的增加,碳含量逐渐降低,直至基体碳含量为0.16%左右,渗碳层的高碳含量是15CrNi4MoA钢十字轴能够通过感应淬火提高硬度的基础。

渗碳层在感应淬火时被快速加热,加热速度380~400℃/s,奥氏体形核率急剧增大,且奥氏体形成后没有晶粒长大的时间,因此淬火的初始奥氏体晶粒度均为14~15级的超细化晶粒,淬火冷却后形成高碳细针状马氏体,其硬度比普通淬火时高2~6HRC,这种现象被称为“超硬度”。

此外,对在渗碳后普通淬火时残留奥氏体较多的钢种(如18CrNiW、20Cr2Ni4A钢等),采用感应淬火时(因溶入奥氏体的碳化物数量不多),可以起到减少残留奥氏体的作用,并可以使淬硬层深度大于渗碳层。感应淬火减少残留奥氏体,其原理为奥氏体在被快速加热、短时保温的情况下,碳来不及充分溶解到奥氏体中,淬火后以碳化物的形式弥散分布在组织中,而奥氏体碳含量降低,可以降低淬火后的残留余奥氏体量,碳含量和残留奥氏体的关系如图6所示,碳含量越低,残留奥氏体量*越少。组织的改善使淬硬层的整体硬度值都被提高,在相同硬度界限值时,硬化层深度相应增加,而十字轴心部不受感应淬火的影响,依然保留回火贝氏体组织,具备良好的力学性能。

图6 碳含量对残留奥氏体量的影响

(2)渗碳淬火加感应淬火应用讨论

**,感应淬火时,碳浓度达到0.35%左右,淬火后*可以达到界限值硬度550HV1,而整体淬火时,碳浓度需达到0.45%左右,淬火后才能达到界限值硬度550HV1。以本文中的十字轴为例,要求硬化层深度最小值为3mm,在仅采用渗碳淬火工艺时,*要求工件在距表面3mm处的碳含量达到0.45%,而采用渗碳淬火加感应淬火时,要求工件在距表面3mm处的碳含量达到0.35% 即可,这*意味着,采用渗碳淬火加感应淬火工艺,达到相同的硬化层深度所需的渗碳时间更短,从而可以降低生产成本。

第二,十字万向接轴因其使用载荷大,十字轴的使用寿命一般在1~2年,在返修的十字万向接轴中,拆解的十字轴的失效形式以表面磨损剥落为主,磨损剥落深度在0.5~1mm,加工去掉剥落层后,硬化层深度减小,硬度降低,无法直接二次使用,目前可用的十字轴修复手段只有重新渗碳淬火,但重新渗碳淬火存在着渗碳工艺难以确定、工件表面的油污难以清理、变形量大、成本高等问题,修复工艺难度较大,所以很少采用。

目前我厂十字万向节修复中的十字轴基本都是直接报废,因此造成很大的成本浪费。但若采用感应淬火的方法进行修复,则十分方便,首先感应淬火属于局部表层加热,其热处理变形量很小,且成本很低,拆解后的十字轴直接进行感应淬火,淬火后经车加工去除磨损剥落部分,从图4可知,感应淬火后的十字轴在去除1.5mm余量后,其硬度依然达到700HV1(60HRC)左右,且硬化层深度也大于3mm,均能满足设计技术要求,从而可以节约大量生产成本。

5. 结语

(1)15CrNi4MoA钢十字轴渗碳淬火加感应淬火,可以有效提高工件表面硬度至60HRC左右,并整体提高硬度梯度值,增加硬化层深度,改善硬化层的金相组织。

(2)渗碳淬火加感应淬火工艺用在15CrNi4MoA钢十字轴修复中,比重新渗碳淬火处理更加便捷,且节约成本。


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