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有一种 热处理工艺 叫 "气冷淬火 " 了解一下?

1  概述

气体淬火过程通常在高压下实现,因此经常被称为高压气体淬火(HPGQ) 。在HPGQ中,已经奥体或经化学热处理的工件在惰性气流中进行淬火,压力为1~20bar,流速为0.5~20m/s。当采用喷时,速度更高,可以达到80~160m/s。在少数情况下,采用高达25bar的压力。在大部分情况下,HPGQ与真空热处理相结合,如低压渗碳(LPC ) ;在少数应用中,HPGQ 则被用于常规气体渗碳之后。HPGQ之后通常紧跟着回火。

在多数情况下,气体淬火工艺的目的是提高工件硬度。在奥氏体化完成后,对工件进行 HPGQ,使显微组织从奥氏体转变成马氏体,由此获得期望的硬度的增加。与液体淬火,如油、聚合物溶液或水淬火相比,高压气体淬火是环境友好型的且变形小的淬火工艺。与液体淬火相比,干燥的气体淬火有以下优点:

    1) 热处理后工件表面清洁,不需要清洗。

    2) 环境友好,没有残留物。

    3) 淬火强度的控制十分灵活。

    4) 能显著减少热处理变形。

    5) 能将热处理工艺整合到生产线中。

    影响显微组织、硬度和变形的工艺参数如图1 中所示。


▲图1  影响显微组织、硬度及变形的
高压气体淬火变量

HPGQ的缺点是其淬火强度与液体(如油、水或聚合物溶液)淬火相比有所限制。虽然近来HPGQ技术有所改进,但非常大的零件采用气体淬火仍不成功,除非它们是由淬透性极好的钢种制成的。尽管如此,HPGQ还是越来越受欢迎,且在很多应用中取了液体淬火。对于工具钢和高速工具钢的热处理,HPGO被优先选择,并几乎已经完全取代了以前常用的液体淬火。通过提高气体压力和气流速度以及采用独立的HPGQ淬火室-冷室的设计,气淬热处理也建立起了针对低合金表面硬化钢和调质钢的淬火工艺。


迄今为止,HPGQ在冷室上的初步应用有齿轮组件(齿轮、轴、同步装置)、轴承套圈以及燃油喷射系组件(喷嘴、泵压头等)。在过去的几年里,LPC技术与HPGQ相结合已成为乘用车手动和自动变速器中齿轮组件处理的优先选择。




2  气冷淬火的物理学原理


在HPGQ 过程开始时,淬火室中涌入大量淬火气体。根据气体类型和安装的设备,达到预期的压力水平需要4~20s的时间。随后,气流循环通过负载从工件中带走热量,同时气体吸收的热量被释放到一个集成式热交换器中。带走的总热量可用热流密度(q) 来描述。根据式(1 ) , 热流密度与传热系数 α 成正比。传热系数是淬火中重要的物理参数,且零件表面上局部 α 值的分布对淬火后的零件质量有很重要的影响



   (1)


式中,Ts是零件表面温度。


图2 所示为不同淬火冷介质的平均传热系数。用HPGQ获得的冷却速度与用温和油淬获得的冷却速度相似。HPGQ不能达到用强烈搅拌的油淬火所获得的冷却速度。



▲图2 不同淬火冷却介质的平均传热系数


传热系数 α 和工艺参数之间的理论关联见式


 (2 )


式中,C是常数;w 是气流速度;ρ 是气体密度;d是零件比直径;η是气体动力黏度;CP 是气体的比热容;λ是气体的热导率。


常数C包含了其他所有影响因素,如淬火室具体的空气动力学条件、气流紊乱程度等。一旦选定了淬火室类型和淬火气体类型,气体压力和流速是能够进行调整以达到预期淬火强度的两个重要工艺参数。


在HPGQ 工艺过程中,传热系数几乎保持恒定。当对气淬和液淬(油、水、聚合物溶液)的传热机制进行比较时,可以看出一个基本的差异。液淬中有三种不同的传热机制:膜沸腾、核沸腾和对流。这三种传热机制导致零件表面局部传热系数的分布很不均一(图3 ) 。



▲图3 液体淬火和气体淬火中的传热系数及温度分布



这种不均一的冷却条件导致组件中产生了极大的热应力和组织应力,随之便可能引起变形。在HPGQ中只发生对流,所以具有更加均一的冷却条件。由于气态淬火冷却介质不发生相变,与液淬相比,HPGQ在很多应用中生的变形较小。



气淬的另一个优点是通过改变气体压力和气流速度,可以精确地调整淬冷烈度的灵活性。淬冷烈度可根据零件硬度和显微组织调节到特定的目标值。对于液淬,由于只有淬火冷却介质的搅拌和温度是可变的,因此灵活性较低。这就导致与HPGQ 相比,液淬的工艺空间小得多。


液态淬火冷却介质长期使用时,由于淬火冷却介质的污染,传热系数会变差。但是采用 HPGQ不会出现这种情况,而且随着时间的增加,冷却速度能保持良好的重现性。





3  气冷淬火设备


气淬设备主要有两类:在单室炉中,所有工艺步骤,如加热、可选择的化学热处理和HPGQ 都在同一个室中进行;另一类是多室系统,其中包含仅用于淬火的冷室,它是多室系统的一部分,在多室系统中,加热、奥氏体化和可选择的化热处理在不同的室中进行。


在两种类型的气淬设备中,都配有一台集成的高性能风机用于循环气体,使气体通过适当的气体引导系统经过热工件。为气体风机配置的电动机的功率要根据气体的目标速度、目标压力和气体类型来选择。典型的风机电动机功率在80~250kW 范围,有时高达400kW。气体从负载吸收热量并释放到集成气体/水热交换器中。


图4 所示为单室炉中的气流。加热和淬火在同一个室内进行,因此室的设计是两种功能之间的优化折中。气体被一个风机加速,并被引导经过负载和热交换器。通过改变翻板和导流板的位置,可以改变气流的方向。单室炉的设计是可变的,如方形室或圆形室、用气体喷嘴淬火及单向、双向或四向定向冷室。


▲图4 单室炉气体淬火
加热、化学热处理、淬火在一个室中进行

图5 所示为气淬冷室的设计实例。在HPGQ工艺开始之前,将热负载运输进冷室中。


▲图5 冷室中气体淬火

关闭密闭门后,室中涌入淬火气体。用两台风机来加速气体通过负载和分别位于负载上方和下方的两个水冷热交换器。除了冷却淬火气体,热交换器还起到使气体流速均匀化的作用。



与单室炉相比,冷室提供了更强的淬冷烈度。当设计冷室时,气体流量的设计不会受到其他工艺步骤的影响,如加热或化学热处理。由于加热元件需要占用一定空间,在单室炉中负载和炉内壁之间有一个明显的间隙。因此,有大量气体并未被引导流经负载,而是从负载旁边绕过。冷室的一个更大的优点是只有负载本身需要进行冷却,热的炉内壁不需要冷却,而单室炉中则两者都会被冷却。


表1 所列为单室炉和冷室的优缺点以及典型应用。对于这两类设备,为了满足零件的硬度和变形均匀性的要求,提供均匀的气体流速都是很重要的。


▼表1 单室炉和冷室高压气谇的区别


冷却速度的均一性通常是通过在不同位置的淬火零件处放置热电偶来测定的。建议在装炉零件的极限位置处测量冷却曲线。如装炉零件的转角、顶部中间、中心和底部中间处。当在冷室中测量冷却曲线时,必须使用能在整个过程中跟随料筐(或料盘)移动的移动电子数据记录装置。这种装置的缺点是对测量的冷却曲线有影响,因为其尺寸相对较大而改变了淬火性能。



4  气冷淬火使用的气体类型


HPGQ 主要使用三种气体:氮气、氦气和氩气。出于安全考虑,氢气还未用于工业生产。氢气是仅有的可燃性淬火气体,因此在这类工厂的技术设计和后续操作中都需要采取大量的安全保护措施。由于淬火气体热物理性质的不同,其淬火能力也有明显不同,见表2 。


▼表1 标准条件下(25℃、1bar) 气体的热物理性质


氮气在工业上应用广泛。氦气应用于一需要更高淬火冷却速度的场合,因为氦气比氮气更轻,安装一个更大的叶轮就可以提供更高的气流速而不用增加风机功率。然而,氦气的成本较高,每次淬火周期后需对其进行重复利用,氩气通常用于航空件的淬火。


除了使用单一气体,也可以将气体混合使用。理论计算证明,混合气体的传热系数(如He:CO2 以60%:40%的比例混合时)大于单一氦气的传热系数,然而到目前为止,用混合气体淬火并没有在实实践中得到应用,因为提供和维持混合气体成分所需要的技术要求很高。此外,二氧化碳作为淬火气体使用可能会导致零件表面发生氧化和变色。除了使用表2 中的工业气体外,也可以使用干燥的空气作为淬火气体。但使用空气不可避免地会导致淬火过程中零件表面的氧化。然而,在典型低合金表面硬化钢上形成的约 5um厚的氧化层,可在随后的生产工序中通过喷丸加工完全除去。关于工件表面硬化和耐磨性的问题尚未有报道。如果淬火后氧化层可通过喷丸加工或精加工除去,那么使用空气进行淬火将成为可能。



5  冷却曲线


淬火冷却速度在很大程度上取决于工件的形状和尺寸、淬火室的设计以及负载的结构和重量。如果淬火室的类型和淬火气体已经选定,且负载形状已确定,那么气体压力和气体流速便是能够进行调整以达到预期淬冷烈度的两个重要工艺参数。为了确定某个淬火室的设计气体流速,可用热线风速计测量局部的速度分布情况。该测量是在淬火室空载的装料平台上进行的。随后将此次测量的平均值视为淬火室的气体流速。根据式(2 ) , 气体流速和气体密度对式中指数为0. 7的传热系数 α 有影响,而气体密度与气体压力成正比。因此,气体压力和气体流速对传热系数有相同的影响。


分析冷却曲线时,必须区分单室炉和冷室。图6 和图7 所示,为单室炉的冷却特性。Φ25mm的圆柱体用气流速度为7m/s的氮气进行淬火时不同气体压力的冷却曲线如图6 所示。在图7 中,显示了Φ100mm的圆柱体在压力为6bar、气流速度为7m/s的氮气中淬火时,工件表面和心部的冷却曲线。在这种情况下,采用气流换向可以获得更好的冷却均匀性。



▲图6 Φ25mm圆柱体在单室炉中淬火
的冷却曲线与气体压力的关系
(669炉; 毛重540kg; N2淬火;气流:7m/s) 




▲图7 Φ100mm圆柱体在单室炉中
淬火时表面和心部的冷却曲线
(669炉型; 螺栓固定于负载的中心位置;
6bar氮气流速:7m/s;  气流换向)
    


目前,已发展出具有更高淬冷烈度、可用于特殊场合的单室炉。


在单室炉中,由中合金钢制造的较小零件通常直接冷却到室温,由高合金钢制造的、结构复杂的大型组件则通常要经过几个步骤的淬火。该工艺被称为分级淬火。用于避免淬火过程中的开裂和减少零件变形(图8 ) 。


▲图8 


冷室的发展引导了提供更高淬冷烈度的方法。同时,在过去几年里,最大淬火压力持续增加。目前,低合金钢材大量生产中 HPGO 冷室的标准最大压力为20bar 。


除了淬火压力,为获得更高的淬冷烈度,历年来气体流速也有所增加。现在,当使用氮气时,采 用12m/s的平均气体流速和20bar的淬火压力。当使

用氦气时,由于它的密度低,其气体流速可显著提高而不需增加电动机功率。氦气淬火的平均流速最高可达20m/s 。


很多研究中都已测定了HPGQ在冷室中获得的淬冷烈度。例如,在HPGQ冷室中用试验方法测定不同直径的圆柱形试样心部的冷却曲线。图9 所示为Φ10mm圆柱体试样在不同淬火参数下的冷却曲线,图10所示为一个Φ50mm 工件的冷却曲线。



▲图9  Φ10mm圆柱体试样在冷室中采用
不同淬火参数淬火得到的冷却曲线




▲图10 Φ50mm圆柱体试样在冷室中采
用不同淬火参数淬火得到的冷却曲线



淬火参数 λ800~500 经常被用作冷却曲线的特征参数。其值可以通过从冷却曲线上读取的信息来确定,即从800℃冷却到500℃所需的时间。然后,用以 s 为单位的该数值乘以因子 1/100 就可以得到淬火参数 λ800~500 。图11 所示为冷室中三种不同淬火条件下的λ800~500。     



▲图11  淬火参数λ800~500与圆柱体试样
直径和冷室淬火参数之间的关系



当预测形状复杂工件的冷却曲线时,必须知道不同淬火条件下传热系数。表3 中列出了在冷室中用Q型探头进行试验测定的传热系数,通过测量Q型探头表面和心部的冷却曲线来获得这些数据。表3 中还列出了由式(2 ) 算得的 α 值。可见,计算的与测量的值吻合得较好。但需要注意的是,常数C=0. 10535仅适用于该测试中的淬火室类型。如果式(2 ) 计算不同类型淬火室的 α 值,则须采用不同的C值。

▼表3 计算与测量的冷室中的传热系数

①有由(2)计算得到C=0.10535;计算值是纵向淬火的Φ28mm圆柱体Q型探头外侧表面值


如前所述, α 值可通过试验方法(即测量HPGQ过程中的冷却曲线)来确定。这是传统的用来确定工件表面平均 α 值的方法。然而,如果需要的不是平均值,而是在工件不同表面区域的局部和装料区内不同部位的 α 值,那么这种方法是不适用的。有另一种试验方法可用于确定装载内的局部 α 值。该方法是基于能量和质量传递之间的类似关系。但此方法需要大量的试验工作。另一种可能的方法是通过计算机流体力学模拟计算 α 值,采用此方法时,必须通过试验,验证计算结果。




6  心部硬度预测

淬冷烈度及其决定的 HPCQ 后的心部硬度值并不仅仅取决于气体压力和气体流速这两个淬火参数。心部硬度值更多地取决于工件材料的淬透性、淬火室的设计以及负载的结构和重量。因此,所有心部硬度的预测值对每种类型的设备和每种负载结构都是不同的。


以下传动零件热处理的例子阐述了在工业实践中是如何预测心部硬度值的。当为齿轮或齿轮轴设计 HPGQ 工艺时,必须预测使用不同钢种作为零件材料时,齿根心部硬度能达到的值。一旦选定某种钢,必须明确在成批生产中应采用的淬火参数,以确保齿根心部硬度达到目标值。这些问题可通过预测基于钢材的末端淬火的淬透性曲线的方法来解答。


末端淬火淬透性曲线是一个标准化测试,如DIN EN ISO 642中所述,使用Φ25mm×100mm的圆柱形试样作为测试探头,探头在奥氏体化后垂直悬挂,并用已知淬冷烈度的喷水管对探头进行淬火。水柱直接朝向圆柱形试样的下表面,这意味着随着与该表面距离的增加,探头内部的冷却速度逐渐下降。



淬火完成后,在表面以下0. 4mm沿与轴线平行的方向测量硬度分布,得到的曲线就是末端淬火曲线。该曲线描述了与探头下端面之间的距离(即末端淬火值,以mm为单位)和得到的硬度(HRC)之间的关系。除了之前介绍的试验方法外,也可以根据钢种的化学成分来计算出曲线。


末端淬火值用mm表示,因此具有距离单位,但是本质上末端淬火值描述的是末端淬火探头内部的局部冷却曲线,因为末端淬火测试是一个标准化的淬火测试。当对一个试样进行淬火时,其内部的每个零件都有一条特定的冷却曲线,可用相应的末端淬火值来描述。


采用预测的方法时,首先确定的就是负载内不同位置的末端淬火值。如前所述,冷却曲线取决于淬火工件的尺寸和形状,淬火工艺参数、淬火室类型以及负载的结构和重量,这也是测定的末端淬火值仅适用于特定淬火场合的原因:特定的零件形状及组合、淬火室、工艺参数和负载结构。


预测方法的基本步骤如图12 所示。目的是对于一种给定类型的淬火室和给定的工艺参数(特定的零件几何结构和负载结构), 预测使用不同钢种时的齿根心部所能达到的硬度。



▲图12 预测齿根心部硬度的步骤
a) 通过确定负载内局部末端淬
火值,来预测齿根心部硬度值
b) 在给定类型的淬火室、零件
几何形状、负载结构和重量、
过程参数(气压、气体流速
等)的情况下,预测不同钢
种齿根的心部硬度的步骤



为了实现这样的预测,必须知道零件材料的精确末端淬火淬透性曲线。热处理循环完成后,确定负载内特定部位的齿根心部硬度值(如从负载中部到底的零件中的齿根心部硬度)。有了这一硬度值,便可从所用钢材的末端淬火曲线中读取相应的末端淬火值。该末端淬火值表征了给定淬火条件下,零件齿根中的局部冷却速度特性。在的齿根中,低的末端淬火值对应于高冷却速度,高末端淬火值则对应于低冷却速率。



确定零件的局部末端淬火值后,便可预测选择不同钢种时所能获得的齿根硬度值。如果已知钢种的末端淬火曲线,则可从末端淬火曲线上读取所能获得的硬度值。


图13 所示,为齿轮的齿根中确定的末端淬火值。




▲图13 底层齿根心部硬度预测值
(悬挂齿轮;外径为97mm,高
度为35mm; 在冷室中淬火)

图中展示了分别用20bar氦气和10bar 氦气淬火时,底层的末端淬火值。此外,图中还加入了16MnCr5、21NiCrMo2 和 18CrNiMo7-6 钢的末端淬火曲线。给出了典型的HH级钢的淬透性曲线。从而可预测使用这些钢种时齿根心部的硬度值。


图14 所示分别用20bar氨气和10 bar氮气淬火时,测定的齿轮轴齿根中的末端淬火值,并再次给出了典型的HH级钢的淬透性曲线。


▲图14 负载底层齿轮轴齿根心部硬度预测值:
(齿轮轴外径为97mm, 高度
为340mm;在冷室中淬火)

图15 对比了经常用于冷室HPGQ处理的不同表面硬化钢材的末端淬火曲线。一般而言,所有的钢种都有一个特定的合金元素含量范围。因此,每种材料都有一个由上、下限曲线界定的淬透性分布带,由材料技术要求定义。图15 中的淬透性曲线代表最大末端淬火曲线下1/3的散布带。当为一个新应用选择钢种时,必须考虑淬透性分布带。


▲图15 表面硬化钢的典型末端淬火曲线
(在冷室中高压气淬)
注:曲线表明,分散带的1/3处
于最大末端淬火曲线下方。


7  淬火时的气流换向


高压气淬的气流方向通常为从顶部穿过负载到底部。但这种单向淬火会导致硬化结果的波动,这种波动是由淬火气体的温度升高和空气动力学流动状态造成的(由于层与层之间的“尾流效应”, 引起层与层之间的流动状态不同)。现在的气淬室为淬火过程中的气流转向提供了可能。气流转向意味着气体的流动是从顶部到底部和从底部到顶部来回交替。通过交替转变气流方向,减少了放在不同层的零件的冷却曲线间的差异,从而减少了负载内变形散差。


图16 所示为采用气流转向技术的淬火室示意图。为了达到交替转变气流方向的目的,淬火室内配有气动式翻板。气流方向是从顶部到底部还是从底部到顶部,取决于阀门的设置。气流方向的交替转变是按时间来控制的。


▲图1采用气流转向技术的淬火室示意图


如图17 所示,当采用气流转向技术时,顶层和底层中的冷却曲线十分靠近。结果是负载内部的心部硬度散差显著减小。在图 17 所示的应用中,齿根心部硬度散差从90HV 减小至40HV。




▲图17 采用气流转向高压气淬时,卡车上
的齿轮齿根心部冷却曲线(冷却曲线
来自于负载的顶层和底层;图
中标出了气流方向)


气流转向技术不仅可用来减小心部硬度散差,也可以减小负载内部变形散差。例如,将气流转向工艺应用于六档自动变速器中的最终传动小行星齿轮上。该齿轮由5120钢制成,外径为31mm, 高度为32mm, 外齿数为24个。一次装炉量为9层共1056个零件。



▲图18 最终传动行星小齿轮(Φ31mm,

24齿)装炉量(9层共1056件)


    图19 所示为采用气流转向工艺后取得的改善。


▲图19  应用气流转向工艺后变形减少

注:单向和转向气流的比较,最终传动小齿轮在热处理后上部、中部、下部的螺旋角变化;热处理后最大值为38um。


当采用单向气流时,气体仅从顶部穿过负载流向底部。有了转向气流,气体流动能够在从顶部到底部和从底部到顶部之间来回交替,如图16 所示。在图19 中,使用单向气流时,位于负载中部和顶部的零件出现了变形超差。采用转向气流后,螺旋角的变化显著减少。例如,对于来自顶部的齿轮,其右侧最大螺旋角变化减少了61% 。有了优化的气流转向工艺,热处理后不需要加工最终传动小行星齿轮的齿,只需要加工齿轮的孔和表面。这个例子显示了应用气流转向工艺来减少变形的显著潜力。



8  气冷淬火动力学


除了有可能精确调整淬冷烈度达到预期水平和交替转变气流方向,HPGQ还提供了在淬火过程中改变淬冷烈度的可能。当在冷室中采用该工艺时,称为动态淬火或级淬火。动态淬火的目的是减少变形。淬冷烈度的变化通常是时控的。通过降低冷却速度,可减小热应力和相变应力,从而减少变形。建议在达到马氏体转变起始温度(Ms ) 之前,通过降低气流速度来减小零件任意部位的淬冷烈度,由此热梯度及其带来的零件中的热应力都会相应减小。而且温度差的减小可使工件表面和心部更同步地转变为马氏体,从而导致相变应力的减小。通过减小热应力和相变应力,产生较低的塑性应变,由此减少零件变形。

    图20 为动态淬火过程中的冷却曲线示意图。


▲圖29  不同尺寸淬火動力學示意圖


图中显示了当气体流速在某一时刻减小至零时,不同尺寸零件的表面和心部的温度。对于大试样,气体流速为零后其表面温度会上升,原因是心部的热量将表面重新加热了。为了防止这种重新加热,气体流速不应减小至零,而应减小至一个防止再升温的水平。


马氏体形成过程中,零件内部的均匀的温度场和较低的冷却速度,使热应力和相变应力均较小。由于这些应力的减小,可减少变形和变形散差。


下面以换向齿轮和内齿圈为例说明动态淬火过程。


8.1 换向齿轮

图21 所示为采用不同的淬火方法后,换向齿轮螺旋角的变化(hβ )。换向齿轮外径为179mm,高19mm, 齿数为67, 由16MnCr5钢制成。与油淬相比,非动态HPGQ后S的变化轻微减少;采用动态HPGQ后,hβ  的变化显著减少。


▲图21 Φ179mm的16MnCr5换向齿轮在不同

热处理方式后螺旋角变化(max-min)


除了测量热处理后的绝对值外,还需测量热处理过程中的变化。这里,热处理过程中 的变化是指热处理前后 值的差异。与油淬相比,当采用动态HPGQ时,齿轮左侧 。的变化平均减少了37%, 齿轮右侧则减少了 17% 。


8.2 内齿圈

薄壁零件淬火后容易出现圆度方面的变形。图22 所示为内齿圈在热处理前后的径向跳动值 。



▲图21 内齿圈在热处理前后节线上的径向跳动
材料:ASTM-5130M,直径
140mm,高度28mm,齿数98



齿圈直径为140mm, 高度为28mm, 齿数为98, 由ASTM-5130M 钢制造。热处理前的平均圆度是30μm, 在合金夹具上进行热处理和标准HPCQ后,跳动值远远超过了预期要求的150μm 。通过使用碳纤维增强碳(CFC ) 夹具,跳动值显著减小。当同时使CFC 夹具和动态淬火时,成功地满足最大跳动值为150μm的要求。因为已证明该工艺是非常稳定的,所以齿轮制造商可以完全取消所有的硬车加工。


在另一个由5130M钢制造的内齿圈的应用中,热处理过程中的平均跳动量减少至7μm, 通过采用动态淬火,最大跳动量减少至41μm 。


总之,采用 HPGQ 和动态淬火能显著减少热处理变形,尤其能显著减少变形散差。因为硬能够大幅度减少甚至完全取消硬车加工,所以大大节约了成本。



9  气冷淬火夹具


当设计负载结构时,考虑到经济原因,须尽可能多地向负载中添加零件,同时保证处理后的质量合格。负载中零件之间的常用距离是10~20mm, 零件间的最小距离为5mm 。


当设计夹具时,需要特别注意以下几点:

    1) 应具有足够的透气性以使气流能流过负载。

    2) 设备的蓄热量应尽可能低。

    3) 采用卧式支座,以减少零件变形。

    4) 应确保夹具易于操作。


理想情况下,零件和夹具之间应为三点式接触。齿轮在夹具中能以水平放置或垂直悬挂的方式装夹,轴件则必须垂直悬挂以减少变形。


有两类夹具材料可用于 HPGQ : 高镍合金和CFC 材料。高镍合金如 DIN 1.4818也可用于油淬。CFC 材料是由嵌合了纤维的碳基材料制成的,其中含有体积分数为50%~60%的纤维。CFC是耐热材料,在采用保护气体或真空时,其使用温度高达2000℃ 。CFC的强度甚至会随着温度升高而增加。与室温相比,1000℃时的热弯曲强度增加了 15% 。CFC制成的夹具具有轻型化的特点,且在高温下使用时不会发生蠕变。与由合金制成的夹具不同, 即使在使用多年后,家具也不会发生弯曲或破裂。当在CFC夹具上处理零件时,保证了夹具中所有零件都能被水平装夹,这使得在很多应用中零件变形有所减少。与钢材的密度7900kg/m³相比,CFC的密度只有(1400~1650) kg/m³, 这也是CFC夹具比合金夹具更轻并能更快地被加热的原因。然而,由于CFC的比热容[1~2kJ/ (kg·K) ] 比钢材[0. 5kJ/(kg·K) ] 的高,在一定程度上削减了CFC的这一优势。典型的CFC夹具如图23 所示。


▲图23 典型的CFC夹具


在含氧的空气环境中,最大使用温度不应超过350℃, 因此CFC不能用于空气渗碳,因为工艺气体中含氧。CFC的应用仅限于真空处理,如低压渗碳(LPC) 。真空处理通常与 HPGQ 相结合。


CFC夹具通常比合金夹具昂贵,但是它们的工作寿命更长,在工业应用中已证实了其寿命可达11年甚至更长。当在 CFC 夹具中进行熔模铸造时,其预计工作寿命通常为5年,而合金设备的预计工作寿命通常为1. 5~2年。



10  高压气淬(HPGQ) 变形控制


正如所有热处理工艺一样,只有当热处理之前的生产工艺链,包括熔化、铸造、切割和软加工等是最优化的且稳定的时,才能实现变形少的要求。在热处理之前,零件中存在的残余应力水平很低是很重要的。当使用的坯料有最佳的材料均质性和低水平的残余应力时,HPGQ 过程可实现小变形。


由于气体介质没有相变,与液体淬火介质相比,HPGQ在很多应用中可减少变形。有许多场合,导致生产问题的并不是变形的绝对大小,而是变形的散差。当变形散差程度低时,可在软加工中进行预补偿,所以对于很多场合来说,难点在于通过热处理过程,使其负载内部和随着时间推移负载与负载之间的变形散差很小,来优化HPGQ 。很多应用已经证明,HPGQ造成的变形散差显著减少。图24 所示为 LPC+HPGQ 之后以及气体渗碳+油淬之后,斜齿轮径向跳动的对比。斜齿轮由 ASTM 8625钢制造,高280mm, 头部直径为85mm 。通过采用气流转向和动态气淬工艺可实现变形的进一步减小。



▲图24 低压渗碳+高压气淬
与气体渗碳+油淬后
斜齿轮径向跳动的对比


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