常州精密钢管博客

一种薄壁导套热处理工艺

我公司生产的新型全液压推土机中央传动中安装有导套,该件与法兰盘配合,起着导向和固定作用,由于其配合精度要求较高,并且需要较高的硬度来提高耐磨性,又由于该件属于薄壁件(5mm),热处理容易变形,其热处理难度较大。本文针对该件提出几种热处理方案,并对各方案进行分析讨论,选择出最合理的热处理工艺。


1.导套概况


件名:导套,设计材料为:ZG35SiMn,P部要求感应淬火,硬化层深度:1.5~2.5mm,表面硬度:52~60HRC,导套的示意如图1所示。


该件的设计工艺路线为:铸造→正火→粗加工→调质→精加工→感应淬火→磨内外圆。该件属于薄壁件,壁厚5mm左右,感应热处理时热影响区较大,感应热处理后变形较大,部分件椭圆变形,由于变形大磨削后部分位置硬化层深度不足,不能满足使用要求。该件的化学成分如表1所示,满足ZG35SiMn化学成分要求。感应热处理前各工序检经测均无问题。

化学成分(质量分数)(%

C

Si

Mn

S

P

Cr

Mo

Ni

Al

B

DI

0.50

0.72

1.23

0.013

0.020

0.076

0.014

0.035

0.031

0.0016

84


2.检测


为减小热影响区,设计专用的外圆喷水冷却套(见图2),在加热时对加热部位对应的外圆处进行喷水冷却,以减小热量的扩散和热影响区来减小变形。经过多次试验,变形问题仍未解决,调整冷却水流量、压力、感应淬火频率、功率等调整仍不能解决变形问题,检测结果如表2所述。


2  感应淬火变形量检测(mm

序号

 加工尺寸80±0.02

感应后尺寸

1

79.99

79.98

80.15

79.30

2

79.98

79.98

80.18

79.48

3

80.01

80.02

80.10

79.94

4

80.00

80.02

80.11

79.93

选取变形较大的件进行剖检,剖检结果如图2、图3所示。该件磨削完成后表面硬化层深度仅为0.603mm,达不到要求,金相组织为:回火马氏体+铁素体,表面硬度54~56HRC,晶粒度9级,心部硬度315HBW。

(a) 

 (b)

图3  表面硬化层深度及金相组织

图4  心部组织

感应淬火工艺不能满足设计要求,多次调整工艺参数及工装均无法解决问题,我公司设计人员和工艺人员反复讨论设计两种解决方案:


(1)将该件材料改为20CrMnTi,采用渗碳热处理提高其耐磨性,工艺路线为:下料→锻造→正火→加工→渗碳直接淬火→磨内外圆;表面硬度为:58~63HRC,硬化层深度1.5~2.5mm,硬化层晶粒度≥8级,残留奥氏体≤20%,碳化物≤3级。


(2)将该件材料为ZG35SiMn,采用离子氮化热处理提高其耐磨性,工艺路线为:下料→锻造→正火→加工→调质→加工→磨内外圆→离子氮化。表面硬度≥613HV1,氮化层深度≥0.3mm,渗氮层疏松级别≤3级,渗氮层氮化物级别≤3级。


3.试验


对上述两种工艺方案我公司各制作20件试验件,进行工艺试验。


(1)渗碳工艺试验

根据工件材料、结构及相关技术要求等,确定导套的渗碳热处理工艺,其渗碳热处理工艺流程如图5所示。


渗碳直接热处理前后检测变形量,对比结果如表3所示,变形量大的问题仍然存在,出现椭圆变形,且磨削加工后仍无法完成消除变形问题。

3  感应淬火变形量检测    mm

序号

加工尺寸80±0.02

渗碳后尺寸

1

79.99

79.99

80.07

79.50

2

79.99

79.98

80.06

79.38

3

80.00

80.00

80.03

79.93

4

80.02

80.01

80.01

79.93

对渗碳导套进行剖检,其金相组织为马氏体和碳化物,马氏体级别为3级,碳化物1级,硬化层深度1.8mm,如图6所示,满足金相组织要求。

(a)

(b)

图6  20CrMnTi渗碳导套剖检结果(500×)

(2)离子氮化工艺试验 

根据工件材料、结构及相关技术要求等,确定导套的离子氮化热处理工艺,离子氮化工艺的主要参数及离子氮化工艺过程如图7所示。

检测离子氮化前后导套内径尺寸,对比结果如表4所示,变形量大大减小,满足要求。

4  离子氮化变形量检测   mm

序号

80±0.02

氮化后尺寸

1

80.01

80.00

80.00

79.99

2

80.00

80.02

80.01

80.02

3

80.01

80.02

80.03

80.02

4

79.98

79.99

80.01

80.02

氮化层表面硬度为:685~710HV1,氮化层深度为0.40mm,氮化层脆性为1级(见图8),氮化为级别为2级,均满足要求。

4.结语

通过以上三种措施对比发现,离子氮化工艺可大大减小工件的变形量,通过装机验证,主机工作2000h,无任何导套质量问题的反馈;2000h后拆检导套,磨损层非常小,几乎可以忽略。

作者:王孟,谷浩鹏,王忠,冯显磊,谢玲珍

单位:山推工程机械股份有限公司

来源:《金属加工热加工)》杂志





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