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新产品开发中的材料与热处理

1.新产品开发注意事项

作为热处理行业工程技术人员,尤其是在企业工作的热处理技术人员,惯常的本职工作就是按照客户要求,制定合理的热处理工艺,实现技术文件(图样)技术要求。但是,产品的生产制造是一个系统工程,尤其是新产品开发,在其从无到有,从图样设计到成品应用的过程中,各个环节必须要相互配合,彼此协调,最终实现产品的使用功能,如果各自为营,各管一段,往往难以达到新产品设计目标,得到低端产品。


热处理技术作为产品的“内科医生”,应该放大视角,瞻前顾后,所谓“瞻前”,就是关注产品选材,关注产品的生长基因;“顾后”就是对走出热处理的产品继续关注,关注其热后工序,甚至其装配、服役情况,承载能力及使用寿命问题等。


2.新产品技术要求苛刻

下面通过一件实例,来反映材料及热处理技术在新产品开发中的作用和影响。

今年技术部门接到客户某新产品的技术文件,产品如图1所示。

图样技术要求中规定了材料,即AISI 4140(相当于国产42CrMo)以及“具体”的热处理工艺,即调质+感应淬火:加热到845℃并保温1h→油淬后检测,淬火态硬度58~62HRC→300℃回火时间1h→冷却至室温,硬度40~45HRC;一次性感应淬火→180℃回火1h→冷却至室温检测→表面硬度58~62HRC,心部硬度40~45HRC→有效硬化层深度0.4~0.8mm。


看到图样及其技术要求后,我们非常为难。在机械行业里,4140钢是典型的轴件材料,与感应淬火强化工艺也是常用搭配,所以上述技术要求的初衷没有问题。


但问题在于该技术要求过细,既规定了结果,又规定了过程;某些要求不合理,结果难以实现,例如:40~45HRC的调质硬度,后面的机加工(刀具)怎么承受?0.4~0.8mm的硬化层深度,感应热处理怎么保证?整个轴件一次性感应淬火,尤其是端部内花键,如何实现?对此如此复杂的外形、结构,对应的感应器(圈)制作也有很大难度。


对此,我们经过谨慎考虑、权衡,并与客户协商,对该原设计做出洗心革面式的修改:材料改为SAE8620H;热处理改为渗碳淬火。


3.技术要求修改后实施

修正后的产品生产流程为:锻造→等温正火→粗车、精车→插内花键→铣孔、钻螺纹孔→渗碳淬火(螺纹防渗)→抛丸→研磨中心孔、校直→检验→镗孔、魔外圆→磁粉探伤→终检。


制定渗碳淬火工艺(见图2)及技术要求:表面硬度≥660HV;有效硬化层为0.50~0.90mm(含外圆磨量);心部硬度为35~45HRC;表层组织要求齿角碳化物1~3级,齿面马氏体要求1~5级,残留奥氏体1~5级;非马氏体层≤0.02mm。

在图3所示检测位置进行硬度和金相组织的检测,检测结果:表面硬度为731HV;有效硬化层深度是0.83mm(513HV),已考虑磨量在内;心部硬度是38HRC、39HRC(花键);表层组织是碳化物2级,马氏体及残留奥氏体3级;心部组织是低碳马氏体加少量贝氏体;非马氏体层为0.012mm。


在外在质量方面,由于在热处理装炉方式及工艺参数设置方面的充分考虑,校直方面:首批次30件产品中,最大弯曲变形量为0.18mm;塞规检验内花键,变形状态良好。


在齿轮产品三大强化工艺中,渗碳淬火后在具有较高表面硬度、良好的耐磨性和疲劳强度的同时,保持心部低碳钢淬火后的冲击韧性,其良好的强韧性搭配,以及在抗弯、抗扭、抗冲击载荷方面的优越性,都比感应淬火略胜一筹。


目前,首批产品作为样件,已经在国外完成装机台架试验,即将开始批量生产。


4.结语

上述实例以及多年工作经验表明,在新产品开发,甚至在既有产品制造过程中,热处理技术人员可以有更多的作为,有热处理技术人员参与的产品设计及制造,工艺流程、制造成本更为合理,最终获得更可靠、更完美的产品。

作者:牛万斌,吴思良,张世新

单位:浙江双环传动机械股份有限公司

来源:《金属加工(热加工)》杂志

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