硕士论文-汽车齿轮钢预先热处理工艺的研究.pdf

哈尔滨理工大学 硕士学位论文 汽车齿轮钢预先热处理工艺的研究 姓名：唐宏伟 申请学位级别：硕士 专业：材料工程 指导教师：王丽萍;李文忠 20060501 略尔渖理T ，：学T 群坳卜学妒玲史 汽车齿轮钢预先热处理工艺的研究 摘要 本文首先研究了普通正火、等温正火和锻造余热等温正火三种预先热 处理工艺对2 2 C r M o H 和2 0 M n C r 5 两种凶轮钢锻造毛坯组织和性能的影响规 律，结果表明：2 2 C r M o H 钢和2 0 M n C r 5 钢高温锻造直接空冷( 或风冷) 后极易获得贝氏体组织，而且晶粒粗大，硬度较高，切削加工性能较 差，必须进行预先热处理；合金渗碳钢进行普通J F 火处理时，获得最佳 显微组织和硬度的冷却速度范围较窄( 6 - 9 r a i n ) ，生产中难以控制；采 用等温正火、锻造余热等温J F 火两种等温正火工艺部呵在一个比较宽的温度 范围内( 5 8 0 - 6 6 0 ) 均可获得最佳的显微组织和硬度，生产中容易控制； 锻造余热等温正火得到的无论是铁索体组织还是贝氏体组织，都比十日同 等温温度下等温正火的组织粗大。 其次对锻造余热等温j F 火工艺参数进行了优化，指出：锻造毛坯实施 锻造余热等温i F 火时，必须控制三个主要工艺参数，等温莳的冷笃 速度、等 温温度和等温时间，要根据齿轮的成分、零件尺寸合理选择这三个工艺参 数。 最后探讨了锻造余热等温正火对切削加工性能和后续热处理工艺性能 的影响规律，结果表明：在粗大的奥氏体晶粒中形成的铁索体加珠光体平衡 组织，在后序渗碳加热时可以藿新获得细小均匀的奥氏体晶粒，硬度均在 H B l 6 0 1 8 0 之内，可以稳定可靠地获得芷火要求的显微组织和硬度，使铡 件具有良好的切削加工性能及稳定的渗碳淬火变形规律。 生产实践表明，2 2 C r M o H 钢和2 0 M n C r 5 钢零件实施锻造余热等温正 火新工艺，能够节约大量能源，提高，产效率，具有显著的经济效益。每 年可节约刀具消耗1 3 ，可使正火成本由普通正火的O 3 1 元，千克下降到 锻造佘热等温正火0 1 8 元千克。哈尔滨变速箱厂如果锻坯正火都采用锻 造余热等温芷火，则每年仅利用锻造余热等温萨火可节约资会约2 0 6 4 8 万元。 关键词汽车齿轮钢；预先热处理；普通j F 火g 等温正火：锻造余热等温l F 火 尘竺兰竺：垒兰：耋竺：! 兰竺尘! D E V E L o P M E N TO FP R E H E A T I N GR E A T M E N T F O RG E A RS T E E Lo FA U T o M O B I L E S A b s t r a c t T h ei n f l u e n c eo fc o m m o na n di s o t h e r m a ln o r m a l i z a t i o n so nm i c r o s t r u c t u r e s a n dp r o p e r t i e so ff o r g e db l a n k sf o r2 2 C r M oa n d2 0 M n C rs t e e lw e r es t u d i e db y d i f 诧r e n tt e c h n o l o g i c a le x p e r i m e n t so fp r e h e a t i n g ，h a r d n e s sm e a s u r e m e n t sa n d m e t a l l o g r a D h i ca n a l y s e s R e s u l t ss h o wt h a tb o t ht h es i z ea n dn u m b e ro fp r e - e u t e c t o i df e r r i t ed e c r e a s ea n dt h en u m b e ro fp e a r l i t ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s e o fc o o l i n gs p e e do fc o m m o nn o r m a l i z a t i o n ，l e a d i n gt ot h ei m p r o v e m e n to f h a r d n e s so ft h ec a r b u r i z i n ga l l o ys t e e l F u r t h e ri n c r e a s eo ft h ec o o l i n gs p e e dw i l l r e s u l ti nt h ef o r m a t i o no fb a i n i t e w h i c hw i l lc a u s es h a r pi n c r e a s eo fh a r d n e s s T h e r e f o r e ，t h er a n g eo fc o o l i n gs p e e d m i c r o s t r u c t u r ea n dh a r d n e s si sn a r r o w , o fc o m m o nn o r m a l i z a t i o nt og e tb e s t a n di sd i f f i c u l tt oc o n t r 0 1 W h i l e ，f o r i s o t h e r m a ln o r m a l i z a t i o n 。a p p r o p r i a t em i c r o s t r u c t u r e a n d h a r d n e s sc a nb e o b t a i n e di naw i d er a n g eo fi s o t h e r m a lt e m p e r a t u r e s 。a n di se a s yt oc o n t r o li n p r a c t i c a lp r o d u c t i o n 1 s o t h e r m a ln o r m a l i z a t i o n su s i n g t h er e m a i n i n gh e a to f f o r g i n gw e r ea l s os t u d i e d I ti sf o u n dt h a tt h ee q u i l i b r i u mf e r r i t ea n dp e a r l i t e f o r m e di n o r i g i n a ll a r g e a u s t e n i t e g r a i n s i nt h e p r o c e s s o fi s o t h e r m a l n o r m a l i z a t i o n su s i n gt h er e m a i n i n gh e a to ff o r g i n gc a nt r a n s f e rt of i n ea n de v e n a u s t e n i t eg r a i n sa f t e rc a r b u r i z i n g T h i sk i n do fn e wt e c h n o l o g yc a nn o to n l ys a v e e n e r g ya n di m p r o v ep r o d u c t i o n ，b u ta l s oo b t a i ns t a b l ea n dr e l i a b l em i c r o s t r u c t u r e a n dh a r d n e s sr e q u i r e d ，g e t t i n gg o o dc u t t i n gp e r f o r m a n c ea n ds t a b l ed i s t o r t i o n r e g u l a r i t y o fw o r k p i e c e sa f t e rc a r b u r i z i n ga n dq u e n c h i n g T h ee x p e r i e n c e p r o v e dt h a ta d o p t i n gt h i sn e wi s o t h e r m a ln o r m a l i z a t i o ni n s t e e l2 2 C r M oa n d 2 0 M n C r w ec a no b t a i ns t a b l ya n dr e l i a b l ym i c r o s t r u c t u r eo fF e r r i t ea n dP e a r l i t e T h eh a r d n e s sr a n g e sf r o ml6 0 18 0 H Ba n ds a v em u c hm o r em o n e y T h eC O S to f n o r m a l i z a t i o nc a nr e d u c ef r o m0 31y u a np e rk i l o g r a mt o0 18y u a np e rk i l o g r a m ， s oi tw i l ls a v e2 0 6 4 8 0 0y u a nt o g e t h e ro n ey e a rs i n c ey o ua d o p tt h i sm e t h o r d T o g e tg o o dr e s u l t sf o ri s o t h e r m a ln o r m a l i z a t i o no ff o r g e db l a n k s ，t h r e ep a r a m e t e r s c o o l i n g r a t eb e f o r ei s o t h e r m a lt r e a t m e n t ，i s o t h e r m a lt e m p e r a t u r ea n d H 睁尔渖理T 人学T 棵伸 学p 诊史 r e t a i n i n gt i m ea tt h i st e m p e r a t u r em u s tb ec a r e f u l l yc o n t r o l l e d K e y w o r d sg e a rs t e e lo fa u t o m o b i l e s ；p r e h e a t i n gt r e a t m e n t ；c o m m o nn o r m a l i z a t i o n s ； i s o t h e r m a ln o r m a l i z a t i o n s ；i s o t h e r m a ln o r m a l i z a t i o n sb yf o r g i n g r e m a i n i n gh e a t I 哈尔滨理工大学硕上学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕学位论文汽车齿轮钢预先热处理工 艺的研究，是本人在导师指导F ，在哈尔滨理工大学攻读硕k 学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已江明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贞献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名芦玄哮帆2 0 0 6 年5 月帅 哈尔滨理工大学硕上学位沦文使用授权书 汽车凶轮钢预先热处理工艺的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导F 完成的硕上学位论文。本论文的研究成果l ，j 哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学笑于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大 学町以采用影印、缩印或其他复制于段保存沦文，五r 以公咖论文的令部或部 分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权抒。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：压彩中 F 期：2 0 。6 年5 月1 4 日 导师签名：王两莓F 1 期：2 0 。6 年洲1 4 同 呛：泞弹T 九学T 辟坤l 学忙诊迂 1 1 课题背景 第1 章绪论 在汽车生产中，齿轮足必不可少的基本零件。凶轮质量的优劣，尤其足后 桥齿轮、变速箱齿轮，直接影响到总成装配及整车的可靠性。哈尔滨变速箱厂 生产的中、轻、重型乍后桥减速器及传动器中时常出现总成装配困难、噪爵大 及齿面磨损等问题。经调查分析，齿轮渗碳淬火后变形波动足影响总成质星的 主要原因之一。 通过对现生产质晕问题的分析发现：渗碳齿轮钢锻件毛坯预先热处理获得 的显微组织和硬度对切削加工性能和渗碳淬火的变形规律有藿大的影响。目 前，改善齿轮毛坯性能的传统预先热处理工艺是再加热正火，即采用普通J F 火 工艺，经大量生产实践汪明采用普通J F 火工艺难以满足切削加工及稳定渗碳淬 火后变形规律的要求。在影响渗碳钢变形的诸冈素中，人们的注意力往往集中 在渗碳淬火方面，而忽视了锻坯预先热处理对变形的影响。近年柬随着各类乍 型材料的引进，制造加工水平的提高，对合金渗碳齿轮钢锻造毛坯预先热处理 工艺进行改进提出了更高的要求。2 0 世纪8 0 年代等温正火已在诃典中出现， 但关于汽车齿轮钢经高温加热、连续冷却的J F 火显微组织的研究以及在生产中 的控制，尤其是利用锻造余热等温i F 火方面，未见报道。如何改进合会渗碳齿 轮钢锻造毛坯预先热处理工艺，改善切I I I I 工性能、稳定渗碳淬火后的变形， 提高总成质量及整车的可靠性，成为影响哈尔滨变速箱厂发展的蕈大课题，具 有莺大实际意义和理论学术价值。 本文将针对哈尔滨变速箱厂的7 产条件，对汽车合会渗碳凶轮钢普通正 火、等温J 下火、锻造余热等温正火工艺进行研究，优化汽车合金渗碳凶轮钢的 正火工艺，了解、掌握渗碳凶轮钢毛坯正火时的相变规律，以及获得的显微组 织和性能对切削加工性能和渗碳淬火变形规律的影响，对于制定预先热处理工 艺标准，为切削加工及渗碳淬火提供技术依据，从根本上解决渗碳钢淬火变形 问题，为设计等温正火生产线和制定等温正火工艺提供依据。 坠：! 耋矍：叁兰：塞竺：些：丝兰 1 2 汽车渗碳钢的现状与发展简介 汽车凶轮、传动轴等蘑要零件一般均采用低合会渗碳钢制造，这类钢 材是汽乍用合金结构钢中使用最广、用营最大的钢种之- - 1 1 I ，一般部需要经 过锻造、预先热处理、切削加工、渗碳、淬火、回火等多道冷热加工工序， 以获得高的表面硬度和较好的心部韧性，使工件具有耐磨、耐疲劳和耐点蚀 等良好的特性I ”。 随着国外先进车型的引进，各种齿轮钢的固产化使我困的齿轮钢水平 上了一个新台阶。目前，德国的C r - M n 钢，同本的C r - M o 系钢，和荚圜的 S A E 8 6 钢满足了中小模数齿轮用钢p J 。针对钢材淬透性能对轮齿心部的硬度 和畸变部有极其童大影响的因素，近年来，由f 我困钢材冶炼技术水平的提 高以及合金结构钢供应情况的改普，已经有条件把凶轮钢的淬透性带进一步 缩窄，长春一汽生产“解放”牌9 t 载货汽车后桥齿轮时，由于2 0 C r M n T i H 钢易发生早期失效，参考了日本的S C M 8 2 2 H 钢，与钢厂协商，生产出了固 产化的新钢种2 2 C r M o H 钢，其淬透性能指标为J 9 = 3 6 4 2 H R C ，较好地满足 了汽乍齿轮的使用要求l ”。 随着汽车产品技术水平的日益提高及市场竞争的F 1 益激化，汽车齿轮 用钢J F 处于由各大企业的经验型向科学化、困际化方向发展的过度阶段，由 各具特色的C r - N i 钢、C r - N i M o 钢、N i M o 钢向低成本、通用的C r - M o 钢、C r - M n 钢过渡”l 。冈此必须采用相应合理的热处理新工艺与之相配合。 1 3 预先热处理的现状及存在的问题 锻造毛坯的预先热处理，不仅对切削加工性能育极大影响，而且对最 终热处理变形也有莺大影响。为了提高齿坯的町切削性，消除锻造应力，使 组织均匀化。目前，国内对渗碳钢齿坯普遍采用正火处理。正火是将钢材或 钢件加热到l 临界点A 。3 或A 。以上的适当温度，保持一定时日】后在空气中冷 却，得到珠光体类组织的热处理工艺。正火是一种传统的老工艺，冈其设 备、工艺要求简单，能耗少，一直被广泛采用。但并非完美无缺，随着汽车 工业的发展及对产品质肇要求的提高，特别是引进乍型用钢材料的多样化， 普通的正火处理已达不到齿坯预先热处理的目的。 鉴于普通正火处理足将钢件加热到高温奥氏体化后在空气中( 有时吹 风) 冷却到宅温，属丁：毛坯热处理，加之以往对I F 火钢件要求的硬度范围较 竺! ：兰矍三! 兰二堡竺! 兰竺尘兰 宽( H B l 5 6 2 0 7 ) ，一般不检查显微组织，又多在锻造工厂( 车间) 进行， 故通常容易被人们所忽视。对于二锻件正火后究竟需要获得什么样的显微组织 形念和硬度指标，既缺乏深入理论研究，又缺乏生产性实践探讨。现行的 Q C f r 2 6 2 1 9 9 9 汽车渗碳齿轮金相f ，J 、准l6 l 足按锻后苣新臭氏体化J 下火工艺提出 的，而且要求晶粒度小于5 级，对切削加工并作恰当。实际上我因日前普遍 存在这类零件切削后衷面光洁度差，切削刀具使用寿命低，渗碳淬火前后变 形波动较大等问题，与正火显微组织不良，硬度不佳有密切的关系。 在生产实际中，渗碳钢锻造毛坯经正火处理后，由于不能控制正火的 冷却速度，因此奥氏体分解相变无法控制，必然在一个温度区间内连续进 行。因而获得的显微组织和硬度也可能不同，有些钢件由f 冷却速度较大， 有可能局部甚至全部获得作平衡组织( a F e 魏氏组织、贝氏体等) ，这不仅 影响切削加工性能，而且也会改变钢件渗碳淬火后的变形规律，会因变形过 大而报废。这种情况在淬透性波动较犬的钢中更易出现。对F 冷却速度较小 的钢件，由于钢的硬度过低，切削时易发生塑性变形，形成切削瘤，出现 “粘刀”、“烧刀”现象。 近年柬，随着引进乍型带来凶轮材科多样化和对齿轮质量的高杯准要 求，采用酱通l F 火处理已难以满足汽车尘产的要求。锻件的正火处理不仅要 求硬度在一个较窄的范围之内( 钢件切削加工时易断屑，表面光洁) ，而且 要求获得稳定的显微组织( 较粗的铁索体晶粒加较细的珠光体) ，以改善切 削加工性能及稳定渗碳淬火后的变形规律。为了满足上还要求，需对正火工 艺进行改进，以获得正火所要求的显微组织和硬度范围。 1 3 1 渗碳钢的正火工艺 正火足渗碳钢锻件颅先热处理的E 要手段。其目的足消除或改善坯料制 备时所造成的各种组织缺陷，获得最利丁二切削加工的组织和硬度，改善组织 中相的形态和分布，细化晶粒，为最终热处理作好组织准备。 正火工艺原则上足将钢件加热至A 。3 或A c 。以上3 0 5 0 1 7 1 ，保温一定 时间，使奥氏体均匀化，然后出炉在空气中或以其他方式冷却。由于正火是 为了获得珠光体类组织，要求其冷却速度要小于其临界冷却速度，否则，会 发生贝氏体或马氏体转变。 在实际生产中，正火加热温度常常略高于上述温度。如果正火作为预先 热处理，则更宜取上限温度，提高加热温度能够促进奥氏体均匀化，增大过 哈尔泞理r 人擘T 辉垧I 学p 论文 冷奥氏体的稳定性。这样有利f 组织均匀化I 。1 。另外，为了减少后序渗碳、 淬火后的变形缺陷，要求其奥氏体化温度要高f 以后进行的热处理温度1 9 1 。 正火的加热速度应考虑钢的成份、前后工序情况、工件大小、装载肇等 因素。一般无需严格控制，但为防止变形丌裂，一般情况下，低合金钢中、 小件的加热速度常用5 0 1 0 0 h ，以使钢件各部分温度均匀。 保温的目的是为了使工件透烧和得到比较均匀的奥氏体，保温时间的确 定，应考虑钢的成分、原始组织、装载量等因素。在实际生产中，常采用经 验公式r = k 旧D 来估算加热保温时间。若正火加热温度较高，则保温时J 日J 应 适当缩短。 冷却速度对钢正火后的组织和性能影响的一般规律是：冷却速度越 大，奥氏体分解温度越低，则珠光体转变产物越细，应力越大，硬度越高。 冷却过慢，会出现大块铁素体，造成工件过软。所以，为达到预期效果，冷 却速度应适当控制。正火件一般为空冷，对渗碳钢以及大件等正火有时采用 吹风冷却，甚至喷雾冷却。 等温退火是指合金钢件经奥氏体化后直接进入等温炉或随炉冷至等温温 度保持一定时| 日J 使其完成( a + P ) 或P 相变，而后出炉空冷的工艺过程， 适合于过冷奥氏体相当稳定P 相变温度范围窄的中高碳合金钢种l l “。由于 7 0 年代以前无等温正火这个名词，人们把低碳合金钢锻件的等温处理也叫 等温退火。8 0 年代以来等温正火名称已在词典中出现l l ”。一般把合金渗碳 钢特别足低合金渗碳钢锻件的等温处理称为等温i F 火。齿坯采用等温正火， 能够对相变进行控制，即齿坯奥氏体化后，迅速冷却到A l 以下的珠光体相 变温度等温，使相变在等温温度下进行，由于等温正火能够有效地控制冷却 时的相变，使相变在等温温度下进行，避免了带状组织超差，非平衡组织 ( F e 魏氏体组织、贝氏体组织、马氏体组织) 出现。为切削加工及渗碳 淬火做了组织和性能准备。 1 3 2 钢的正火组织、硬度与切削加工性能 钢件的切削加工性能对于大批量、连续化、多刀切削生产的汽车零件至 为蘑要。许多渗碳钢制件( 如汽车齿轮) ，形状复杂，切削加工量大，而且 在渗碳淬火后不再进行磨削精加工，因而要求钢件具有良好的切削加工性 能，以达到高速切削、切削耗能小、刀具磨损少和表面光洁度高。为此，需 要钢件具肓合适的显微组织和硬度配合。对于低碳合会渗碳钢，应具有品粒 呛自：渖即r _ L 学T 卑帅 学 ，沧疋 均匀的先共析铁素体加细片珠光体组织，而且彼此分白均匀。硬度一般在 H B l 6 0 1 8 0 之间为最佳”。 材料的切削加工性足指对某种材料进行切削加工的难易程度。钢件的切 削性能，主要取决于其力学性能和显微组织，而力学性能又受显微组织的影 响。被加工钢件的硬度、强度越商，刀刃插入和劈丌表面层的阻力越大，切 削热越高，刀具磨损也就越快：钢件的硬度、强度过低时，理性往往增大， 切削时不易断屑，而且钢件容易与刀刃粘结，刀具容易发7 冷焊磨损，使刀 具的使用寿命降低，而且容易产生积屑瘤使加工表面质量恶化，降低钢件表 面光洁度I ”I 。 锻造毛坯采用普通正火处理，在冷却过程中，由丁二钢件成堆在空气中冷 却或吹风冷却，位于堆的表面和中心的冷却速度不同，季节变化，空气流通 情况也不同，其冷却速度就不样，加之钢件发生的连续冷却转变足在一个 相当大的冷却温度范围内完成的。因而获得的显微组织和性能也不尽相同。 当齿坯的散热餐件较好，冷却速度较快，奥氏体在珠光体相变范围内没有完 全转变，就降到贝氏体相变温度范围，过冷奥氏体转变为贝氏体型组织，即 出现了非i F 常组织【1 4 A 5 1 ，比如粒状贝氏体等。 正常组织的出现，使硬度偏 高甚至超高，硬度达到H R C 4 3 或更高，给切削加工带柬很大的困难，刀具 磨损快，易烧毁，这不仅增加工具消耗量，而且严重影响零件加工质量和， 产效率。当齿坯的散热条件较差，冷却速度较慢，就可能出现正火带状组织 超差。如果原材料有成分偏析，比如磷或锰偏析，磷足提高A 3 的元素，含 磷黾增加O 1 时，A 。3 提高4 l 1 9 1 。锰足降低A 3 的元素。当在两相区冷却 过慢时，碳原子有充分时间扩散，铁索体首先在含磷嚣较高或含锰量较低的 区域析出，蔚相邻的区域造成碳原子富集，劂此形成了铁索体带和珠光体带 相互交替的带状组织。具有这种组织的齿坯，其硬度可能合格，有时可能偏 低，这样的齿坯，其加工性随切削方向和方法而异I ”l 。当沿某一方向插齿或 滚齿时，容易啃皮，加工表面凹凸不平，表面光洁度很差；拉削时容易粘 刀，形成强迫拉削状态，使花键彳L 拉削尺寸超差，拉削部位变形应力增加， 造成渗碳变形星增大。 在相近的力学性能下，钢料的显微组织对切削加工性能有明显的影响。 面心立方品格的奥氏体与体心立方晶格的铁素体相比，因其形变硬化指数 高、导热系数小、原子间结合力强等，使切削加工性能降低。贝氏体尤其足 粒状贝氏体，因含有难加工的岛状马氏体和残留奥氏体1 1 7 - 1 8 l 。比珠光体切削 加工性能差。在铁素体加珠光体的承微组织中，粒状珠光俸冈比片状珠光体 呛尔泞理r 人学T 群恸f 。学舻论史 的崾性高而使切削加工性降低。钢的显微组织中有硬质相或组织如碳化物、 氮化物、硼化物或马氏体等，对刀刃有机械磨损作用，它们的硬度越高、数 量越多、尺寸越大、外形呈尖角、分钿不均匀，损伤刀具越严重。严重的带 状组织和混晶组织也会使钢料的切削加工性能恶化。 因此，为了提高钢料的切削加工性能，应使其既软( 低硬度、低强度) 又脆( 低崾性) ，并需要相应的显微组织与之配合。对于合金渗碳钢，硬度 一般以H B l 7 0 1 8 0 为宜，但随着含碳量降低，硬度应适当提高。其显微组 织应为由较褪晶粒( 3 - 5 级) 的奥氏体形成的先共析铁索体加细片状珠光体 ( 渗碳体片薄易破裂) 为宜，而且先共析铁素体大小和珠光体层间距离应基 本相同。此外，当先共析铁素体呈网状或断续网状时，钢料的拉削和切齿加 工性能更好。然而，这样的硬度和显微组织，钢件不经过正确的预先热处理 是难以获得的。 1 3 3 钢的渗碳淬火变形 在机诫组件中，由于变形引起的齿轮几何形状的变化，实质r 是产生噪 音和局部应力集中的根源，这使其使用寿命降低I ”I 。而且对于大多数汽乍渗 碳钢件，渗碳淬火后一般不进行磨削加工，其渗碳淬火后的变形直接影响到 装配总成的最终质量，冈此渗碳零件热处理时的变形必须严格控制。影响渗 碳钢件变形的因素很多1 2 0 l ，主要有如下几个方面1 2 1 l ：1 ) 零件形状；2 ) 材料 ( 钢种、淬透性等) ；3 ) 锻造：4 ) 毛坯热处理：5 ) 机械加工；6 ) 渗碳淬 火规范。对f 大黾生产的汽车零件，在影响渗碳钢件变形的诸因素中，人们 的注意力往往集中在渗碳淬火方面，而最易忽视的是锻坯的预先热处理一正 火。在实际生产中常常出现的零件渗碳淬火后变形过大的现象，往往正是由 于预先热处理不当引起的。变形的表现形式是多样的，但就其产生根源，可 分为内应力( 热应力和组织应力) 造成的应力喧性变形和比容变化引起的体 积变形( 即比容变形) 1 2 2 1 。由于渗碳淬火J i 后钢件的显微组织不同，而不同 的显微组织的比容足不丌J 的，因而钢件渗碳淬火后的体积必然与渗碳淬火前 不同。不同的体积变化，对f 厚薄不均的零件又会引起形状变化。但足只要 掌握其尺寸变化舰律，可以通过控制切削加工留好的预变形量，就可以使零 件渗碳淬火后少量变形甚至不变形。 在合金渗碳钢中，各种组成相和组织的比容随含碳景的变化如图1 1 所 示1 2 3 J ，可以看出，渗碳体和铁素体的比容不受含碳肇的影响，由铁素体和渗 竺璧矍：叁耋三耋竺2 兰竺鎏苎 碳体的混合组成的珠光体( 当其组成卡 I 的比率一定时) ，其比容也f 受含碳 量的影响。马氏体的比容均随含碳餐的增大呵增大，而且马氏体的比窑既丈 于相同含碳最的烫氏体。又大于铁袭体。贝氏体的比容闵其组成棚的币| f l j 瓜 不同，但其中的条状铁素体因同溶少蕈的碳碌子，其比容较先共析铁索体为 大。如果形成的足较状贝氏体，其中含柯受含碳赣影响的马氏体奥氏体岛 面使其比容变化复杂，但一般都比珠兜体的比容为大。 O 1 3 O 。1 3 0 1 3 0 ，1 3 O 1 3 翼o 1 3 善0 1 3 荭 O 1 2 o 1 2 1 4 0 A 2 O 1 2 0 1 2 ；一。= ； ； ， 一A - - 4 1 - - n + B * M _ 一C e m 0 0 0O 2 00 4 00 G 00 。9 0I 0 0 禽碳毓， 豳l l 钢中箨种组成相和绢纵的比容及禽碳封对比容的影响 F i g 1 - lV a r i o u sp h a s e Si ns e e e la n ds p e c i f i cv o l u m eo f s t r u c t u r ea n de f f e c to f C c o n l ；e n to nt h e m 钢坯的硅微组织不同，切削加工后的残余应力也不相同，这种残余应力 的性质和大小也是引起钢件渗碳淬火后变形的霞要因素。残余应力越大，变 形也越丈。在相列的切削条件下，显微组织为幽较为糨丈奥氏体晶粒形成的 铁索体加珠光体组织，切削后残余应力小，丽贝氏体特别是由存在马氏体 舆氏体岛的粒状贝氏体切削后的残余应力大。 因此，从减小渗碳钢件淬火变形考虑，其渗碳淬火前的疆微组织应是由 交为糨丈奥氏体晶粒形成的先荚析铁索体加珠光体为佳，因为它在渗碳淬火 7 后的变形舰律比较围定。切削加工后的尺寸可以按其渗碳淬火后变形造成 I 涨缩进行设计，如果正火组织足贝氏体或含宵部分贝氏体将会破坏原变形 律，并使切削后残余应力增大，从呵引起丈的变形，小则降低精度犬则 废。 哈尔泞珲T 久学T 秤砷卜羊付论定 应该指出，合金渗碳钢件正火后硬度合格，并不代表显微组织合格， 因为在相同转变温度下，形成的贝氏体与珠光体相比，其硬度相近，甚至更 低I ”1 。例如，2 0 M n C r 5 钢经普通正火，硬度为H V l 8 0 时，显微组织呵为 6 5 铁素体+ 3 5 珠光体，也可为6 5 铁索体+ 2 3 珠光体+ 1 2 ( 贝氏体+ 马 氏体+ 残余奥氏体) ：又如3 0 C r M o 钢，经普通正火硬度为H V 2 0 0 时，其显 微组织既可以为5 5 铁素体+ 4 5 珠光体，也可以是5 0 铁素体+ 3 7 珠光体 + 1 3 ( 贝氏体+ 马氏体+ 残余奥氏体) 。因此，由于普通正火不能稳定的控制 显微组织，不能稳定的获得铁素体加珠光体组织，不仅影响切削加工性能， 而且也会改变钢件渗碳淬火后的变形规律。这种情况在淬透性波动大的钢中 更易出现。图外轿车齿轮用保证淬透性带钢( 即H 钢) 的原困即在f 此 1 2 4 1 。 由于汽车渗碳钢种的复杂性，不同的渗碳钢种的淬透性是不n J 的，由 于钢的普通正火获得的显微组织受钢的淬透性的影响，因此对汽车齿轮用的 合金渗碳钢的淬透性必须肓一定的要求，以保证正火后获得需要的显微组 织。如果均采用相川的冷却规范，必然会获得不同的力学性能。我图汽乍行 业已经广泛使用的2 0 c r M n n 和已经丌始使用的M n C r 系列、C r - M o 系列渗 碳钢，采用普通正火一般难以保证获得良好切削加工性能和稳定淬火变形规 律的显微组织和硬度。 1 4 锻造毛坯预先热处理的改进 国外汽车制造工业发达因家，合金渗碳钢的预先热处理，从他们多年来 各自的，产实践中，逐渐对预先热处理的蘑要性有所认识，对热处理的技术 要求逐渐严格。由于各国钢的化学成分不问和生产经历的不同，其处理工艺 也肓差别。随着材料多样化及对产品质蕞要求的R 益提高I I ”I ，采用普通正 火工艺已不能满足凋整钢件的显微组织和硬度、改善切削加工性能、稳定渗 碳淬火变形舰律的要求。 目前，困内外合金渗碳钢件预先热处理的改进，主要有以下几个方面： 1 4 1 正火温度的提高 通常的正火加热温度为A c 3 + ( 3 0 5 0 ) C 。此温度足奥氏体再结晶温度， 获得的晶粒比较细小，有利f 正火后获得细晶粒的先共析铁索体加珠光体， 由于晶( 相) 界数量增多，使处理后钢的强韧性提高。这种性能的正火作为 哈尔泞理rk 学T 砟峋 学付论文 最终热处理是可取的，但作为改静切削加工性的预先热处理是不适宜的，它 既增大了切削阻力，又不易断屑。M 时，由于加热温度不高，奥氏体的均匀 化程度不足，也不易形成均匀的显微组织。为此需要适当提高加热温度，使 奥氏体成分均匀和晶粒较为粗化，过冷奥氏体的稳定性育所提高，在相n J 冷 却条件下，使先共析铁素体和珠光体的形成温度降低，冷却后获得块状铁素 体加细片状珠光体组织。因此，近年柬这类钢件的正火加热温度较传统的加 热温度大幅度提高，达到A c 3 + ( 1 0 0 1 5 0 ) 。但由于高温奥氏体化对贝氏体 转变动力学的影响较小，冷却速度稍大，即有贝氏体形成，又会出现硬度过 高和。打刀”、“崩刃”l 口J 题。 1 4 2 高温回火工序的增加 有些工厂对于正火后硬度偏高的钢件，增加高温回火工序，虽然高温 回火可以使马氏体奥氏体岛状结构分解而降低硬度，但由于碳化物的球 化、钢的韧崾性增大而使切削加工性能降低，而且也不利于稳定渗碳淬火后 的变形规律。 1 4 3 二段正火 图l - 2 为二段正火的工艺示意图1 。钢件经高温臭氏体化，采用分段 控制冷却，开以较快的冷却速度冷至5 5 0 一6 0 0 ，而后再用稍慢的冷却 p 创 建 时间( h ) 图1 2 - 二段正火I 艺示意图 F i g I - 2D i a g r a m m a t i cs k e t c ho f s e c o n ds t a g eo f n o r m a l i z a t i o n 9 呛尔渖砷r 人学T 理砷I 学付诊芷 速度冷却至3 0 0 5 0 0 ，空冷至室温。例如，日本某汽乍公司的S C M 4 2 0 H ( 2 0 C r M o 仿) 钢制汽车齿轮毛坯其正火工艺为9 3 0 。C 奥氏体化，用5 0 r a i n 将钢件均匀冷至5 5 0 。C ，再用1 0 0 m i n 将钢件均匀冷至2 5 0 。C 后空冷。斟控制 较为困难，故在其它钢号中使用不多。 1 5 本论文的主要内容 本课题的E 要目的是通过普通五火、等温正火和锻造余热等温正火三种 预先热处理工艺对汽车齿轮钢组织和性能的影响规律的研究，优化出汽车齿 轮钢预先热处理工艺，满足汽车齿轮钢切削加工性能及稳定的渗碳淬火变形 规律的要求，为设计等温正火尘产线和制定现7 产等温正火工艺提供依据， 具体的主要研究内容包括： 1 普通芷火和等温I E 火肘汽乍凶轮钢组织与性能的影响规律： 2 等温正火工艺参数的优化研究； 3 等温正火对切削加工性能及渗碳淬火后奥氏体品粒度、变形舰律的影 响。 呛尔泞坪T 大学T 耀帅I 学付冷史 2 1 试验材料 第2 章试验材料及试验方法 试验用钢E 要是一汽蕈型# 车后桥凶轮及一汽大众捷达轿车、一汽红 旗轿车变速箱齿轮使用最多的合金渗碳钢2 2 C r M o H 齿轮钢和2 0 M n C r 5 齿轮 钢，其主要化学成分见表2 1 ，为了便于比较，试样皆加工成尺寸为由3 0 1 2 m m 的试样。 表2 - I试验_ I J 钢七要化学成分( 卅) T a b l e2 - 1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no f s t e e lf o re x p e r i m e n t ( w t ) 钢号CM nS iS P C r A l M o 2 2 C r M o H0 2 1 0 8 2 O 3 l 0 0 1 4O 0 1 41 1 40 3 6 2 0 M n C r 50 2 01 4 00 0 80 0 2 90 ，0 l l1 0 60 0 3 6 2 2 预先热处理工艺试验 2 2 1 热处理工艺的确定 为了优化汽车齿轮钢的预先热处理工艺，本研究选择三种热处理工艺进行 对比实验： 1 普通正火工艺 普通正火工艺曲线如图2 1 所示。 2 等温正火工艺 等温正火工艺曲线如图2 2 所示。 3 锻造余热等温正火 锻造余热等温正火工艺曲线如图2 3 所示。 晴尔渖理r 人擘T 榨帅l 学付诊 p 型 廷 p 型 廷 7 0 0 p 捌 时间h 图2 - l 普通止火J ：艺曲线示意图 F i g 2 1D i a g r a m m a t i cs k e t c ho f c o m m o nn o r m a l i z a t i o n s 时间h 图2 - 2 筲温正火I ：艺曲线示意幽 F i g 2 2D i a g r a m m a t i cs k e t c ho f i s o t h e r m a ln o r m a l i z a t i o n s 时间h 图2 - 3 锻造余热正火l 艺曲线示意l 璺I F i g 2 - 3D i a g r a m m a t i cs k e t c ho f r e m a i n i n gh e a to f f o r g i n gi s o t h e r m a ln o r m a l i z a t i o n s 1 2 - 2 2 2 热处理设备及实验方法 为了模拟停锻后及二次霞新加热奥氏体状态，选用R J J 7 5 井式炉( 如 图2 - 4 ) 进行加热，工作室通入保护气氛，炉温由带有P I D 调节软件的数显 仪表进行控温，温度均匀性5 。对于模拟连续冷却过程的试样，采取不 刚的冷却方式，即炉冷、热沙冷、空冷和风冷。样品冷却过程曲线的测定选 用H L D 型多点温度记录仪( 如图2 5 ) ，精度等级为O 0 2 ，测量方法足将K 型铠装热电偶放入试样孔中，随试样的冷却时时记录，根掘冷却曲线求出试 样的乎均冷却速度。 试验用等温正火设备选用我厂自行研制的D Z L 3 6 0 等温正火炉( 如图2 6 ) ，温度实行自动控制。 零件顾热处理后渗碳淬火设备选用一汽嘉信公司研制的渗碳7 产线( 如 图2 7 ) ，它有五个加热区，能够实现温度、碳势和动作程序( j 动控制，温度 均匀性5 ，碳势控制精度为0 0 5 。在对比不同预热处理l F 火工艺的零 件变形试验中，要保证每种零件的机加工艺及渗碳淬火热处理工艺相同，以 对比普通J F 火与等温正火对零件变形的影响。 图2 4R J J 7 5 井式炉 F i g 2 4W e l lt y p ef u r n a c eo fR J J - 7 5 图2 - 5H L D 多点温度记录仪 F i g 2 5M u l t i d o t t e m p e r a t u r eR e c o r d i n g a p p a r a t u so fH L D 哈尔泞理T 、学T 粹怖I 学伸论文 图2 - 6D Z L 3 6 0 等温正火炉 F i g 2 - 6l s t x h e m a ln o r m a l i z a t i o n so f f u m a c e 2 3 金相观察及硬度测定 I ! I2 7 迕续渗碳生产线 F 1 晷2 - 7S e q u e n t i a lP e n n e a t i n g - C a d x mP r o d u c tL i n e 将处理后的试样磨平后测定硬度，选用H R 1 5 0 B 御氏硬度计，而后经 磨制、抛光，用4 的硝酸酒精溶液腐蚀后制成会相样品观察舍相组织，采 用M H 6 型显微镜对金相组织进行观察。 哈尔渖理T 九学T 挥垧f 学p 论丈 第3 章预先热处理工艺对组织性能的影响 3 1 引言 渗碳齿轮钢锻件毛坯预先热处理对切削加工性能和渗碳淬火后的变形规律 有重大的影响。目I j ，哈尔滨变速箱厂渗碳齿轮的生产中采用传统的普通正火 工艺进行颅热处理，时常出现总成装配困难、噪爵大及齿面磨损等问题，无法 满足切 4 加工性能和渗碳淬火后的变形要求，尤其足不能满足稳定渗碳淬火后 的变形的要求。 在影响渗碳钢变形的诸因素中，人们的注意力往往集中在渗碳淬火方面， 而忽视了锻坯预先热处理对变形的影响。近年柬随着备类年型材料的引进，制 造加工水平的提高，对合会渗碳齿轮钢锻造毛坯预先热处理工艺进行改进提出 了更高的要求。2 0 世纪8 0 年代等温正火已在词典中出现，但关f 汽车齿轮钢 经高温加热、连续冷却的J F 火显微组织的研究以及在生产中的控制，尤其足利 用锻造余热等温正火方面，未见报道。 本章将针对哈尔滨变速箱厂的生产条件，对汽车合金渗碳齿轮钢锻后连 续冷却、普通正火、等温正火、锻造余热等温正火对渗碳齿轮钢组织和性能 的影响规律进行研究，了解、掌握渗碳凶轮钢毛坯正火时的相变规律，为优 化预先热处理工艺做理论准备。 3 2 锻后连续冷却( 不正火) 的组织与性能 为了模拟停锻后的奥氏体状念，将2 2 C r M o H 钢、2 0 M n C r 5 钢试样放入 1 1 0 0 的高温炉中加热，保温l O 分钟后，从商温炉中取出，对丁二模拟锻后 连续冷却的试样，分别以不同的方式冷却( 炉冷、热砂冷、空冷、风冷) 将处理后的试样磨平后测定硬度，而后经磨制、抛光，用4 的硝酸酒精溶 液腐蚀后制成会相样品观察金相组织，试验结果列于衷3 - I 。图3 1 ，图3 - 2 为2 2 C r M o H 钢2 0 M n C r 5 钢经不同冷却方式处理后所获得的显微组织。结果 表明，钢件高温锻造直接空冷( 或风冷、热砂冷) 后极易获得贝氏体组织， 而且晶粒粗大，如图3 1 ( b ) 、( c ) 、( d ) 和图3 2 ( b ) 、( c ) 、( d ) 所示，硬 度较高，难以满足后续切削加工性能的要求。 哈尔泞弹T 夫学T 群伸卜擘p 论史 表3 1锻后迕续冷却的组织和硬度 T a b l e3 - 1M i c r o s t r u c t u r ea n dh a r d n e s so f c o n t i n u