渗碳太阳轮耳部感应退火工艺研究.doc

渗碳太阳轮耳部感应退火工艺研究渗碳太阳轮耳部感应退火工艺研究水杜振峰(上海纳铁福传动轴有限公司,上海201315)【摘要】针对BRU太阳轮渗碳淬火后的耳部感应退火工艺的试验,采用了不同的感应器设计方案以及感应加热工艺参数,进行了优化改进,研究分析了不同感应器设计应用上的优缺点及适用性.并对感应退火后的硬度及宏观上不同区域的金相组织进行了对比.结果表明,采用内外双圈式感应器设计更适用于太阳轮轴叉类零件耳部的感应退火,经分段式脉冲加热和冷却后,能将硬化层硬度调整至耳孔加工所需的要求范围内.经过程监测及金相组织分析,将渗碳太阳轮耳部感应退火定义为局部的多次感应正火+其余位置的感应回火的复合热处理工艺更为确切.【Abstract】InordertotesttheinductionannealingprocessforBRUsungearears,the.differentinductordesignsolutionsandinductionheatingparametersareappliedandoptimized,thestrengthandapplicabilityofdifferentinductorsarestudiedindesigningandapplying,inthemeanwhilethehardnessandmicrostructurearecomparedatdifferentareaoflongitudinalsection.Theresultsshowthat,thecasehardnesscanbeprocessedtomeetearholedrillingrequirementbysteppedimpulseheating,theconcentricdoubletingsinductorismoreapplicableforearsannealingofsungearandstubyoke.Itismoreappropriatetodefinetheearsinductionannealingofsungearasaspecialheattreatmentprocess,whichcombinerepetitiousinductionnormalizinginpartialareawithinductiontemperinginotherarea,byprocessmonitoringandmicrostructureanalysis.【关键词】感应退火太阳轮传动轴变速器汽车doi:10.3969/j.issn.1007-4554.2012.02.140引言BRU太阳轮为意大利某公司Off-highwayVehicle传动轴上变速器端的重要动力传送零件,在变速器内部分为太阳齿轮与行星齿轮啮合,在变速器外为轴叉形状联接十字万向节,其特殊功能性要求啮合齿轮端有较高的表面硬度,有效的硬化层深来保障耐磨性及挠度,而轴叉端则要保障十字万向节装配耳孔的可加工性及精度.产品结构示意图见图1,材料采用SAE8620H,热处理技收稿日期:20120110本文为上海市汽车工程学会2010年学术年会优秀论文.?54?术要求为:渗碳淬火+回火,齿轮表面硬度HRC59-62,有效硬化层深DC550HV=0.831.23,心部硬度HV375-465;轴叉耳孔部份,在无防渗碳保护状态下,表面0.2mm以下硬度HV300500,在防渗碳保护状态下,表面硬度HB383.理论上,可选用与基体结合紧密的,涂,镀层致密的,并且厚度I>0.013mm的镀铜或厚度0.3mm防渗涂料履层才能有效阻止表面渗碳J,但是,由于镀铜废液处理易引起的环境污染问题,以及防渗碳涂料在渗碳直接淬火时会爆裂脱落污染淬火油,增加淬火油的固体悬浮物,因此选择无防渗碳上海汽车2012.02保护,对太阳轮渗碳淬火后的耳部进行感应退火是相对较好的解决方案.图1太阳轮结构示意图BRU太阳轮的工艺路线为锻造一正火一车削滚齿一渗碳淬火,回火抛丸一感应退火一耳孔加工磨齿一探伤一成品检验,其中图1所示耳孔加工区域表面0.2mm以下HV300-500硬度要求,既实现了耳孑L的可加工性,又保障了耳部的扭转强度.耳孔加工前零件的耳部轮廓外形照片见图2.实际生产中如何利用感应退火将耳孔加工区域33.5mm长度内渗碳淬火硬化层的硬度控制在技术要求范围内存在很大的难度.本文着重通过设计不同结构的感应器,结合不同的感应加热参数进行试验,使耳孔加工区域硬化层的硬度降低至要求范围内,并且提高了耳孔加工u钻的使用寿命.图2耳孔加工前外形照片1试验材料和方法1.1材料成分及渗碳工艺SAE8620H化学成分(质量分数,%)为0.18上海汽车2012.020.23C,0.150.35Si,0.70.9Mn,0.03P,0.0170.032S,0.40.6Cr,0.150.25Mo,0.40.7Ni,0.010.045A1E.太阳轮渗碳淬火,回火工艺为:强渗940300Min,碳势1.2%,扩散94050Min,碳势0.85%,降温至900c【=30Min后直接淬火,170120Min回火.太阳轮渗碳淬火,回火后金相检验结果为:表面硬度HRC59.5,硬化层深DC550HV=1.16mm,心部硬度HV408,渗碳淬火马氏体+残余奥氏体级别34级,符合产品技术要求.1.2感应器设计方案与感应退火试验方案1,针对太阳轮的耳部形状,借鉴蜗杆感应器的理念,设计双回形针式多匝感应器,见图3(a),此方案优点是用较细铜管弯制,易成形,并可根据太阳轮的双耳形状适当作仿形钣制,但装机试验发现机床报警,变频器不能起振,无法进行感应退火.分析原因,主要是由于感应线圈的多匝绕组改变了谐振电路中的电感,从而引起谐振频率的变化,其变化范围超出标称工作频率的范围,无法保证晶闸管的可靠换相,导致逆变失败L3.(a)多匝(b)单匝图3感应器方案模型方案2,将方案1中的多匝线圈改为单匝,见图3(b),用以降低感应线圈的电感,用宽度覆盖至整个耳部的宽铜管(34mm)制作,缺点为无法针对耳部轮廓进行仿形,而且由于通用感应淬火机床都是主轴旋转类型,生产操作中工件夹紧定位比较困难,还需在感应器上增加定位卡板来协助定位.方案3,采用内,外同心双圈模式设计,见图4(a),根据太阳轮毛坯件耳部的内外轮廓和尺寸车加工制作仿形的内外双圈,分别针对耳部的内外?55?表面耳孔加工区域进行感应退火加热,优点为成形相对方便,并且针对通用中频感应加热机床主轴旋转的特点,两顶针装夹定位,方便易操作,旋转加热,均匀性好.(b)图4感应器方案从太阳轮渗碳淬火后的金相检验结果来看,只需通过感应退火将工件耳部内外表面约2mm的硬化层硬度(心部已满足要求)调整至HV300.500,便满足产品技术要求.参照热处理手册第4卷第l1章中与渗碳层成份接近的20CrMo渗碳后等温冷却曲线来看,在5180S从奥氏体化温度冷却至400650等温,理论上可获得HV350475的硬度范围.试验过程中可通过分段式脉冲感应加热模拟过冷奥氏体的等温转变过程.试验1:采用方案2感应器,感应退火工艺为:500V加热6S;卸料空冷.试验2:采用方案2感应器,感应退火工艺为分段式脉冲加热法:520V加热4S;空冷4S;200van热2S,空冷2S;120V加热2S;卸料空冷.试验3:采用方案3感应器,感应退火工艺为分段式脉冲加热法:520V加热4S;空冷4S;200van热2S,空冷2S;120V加热2S;卸料空?56?冷.将试验1,2,3感应退火后的试样,分别测量耳孔加工区域退火后硬度,并对3次退火后的零件宏观照与金相组织(4%硝酸酒精腐蚀)进行对比.2试验结果及分析2.1试验结果将3组感应退火试验后的试样,按图5技术检测要求所示检验点进行硬度检验,数据记录见表1,耳部纵向剖面宏观照片见图6,退火后金相组织见图7.图5硬度检验点表1检测点的硬度检验(HV)结果检测点l23456试验1514428556604505505试验25l54705155785l5515试验3382359390486342438(a)试验1(b)试验2(c)试验3图6耳部纵向截面宏观照片2.2退火硬度分析从热处理手册第4卷第11章中与SAE8620H上海汽车2012.02(a)多次奥氏体化及冷却转变区(b)回火区图7耳部硬化层不同区域的组织最为接近的18CrNi2渗碳后的连续冷却曲线来看,只有将冷却速度调整至一定范围内,即在大于300s的时间里将硬化层由奥氏体化温度慢冷至620c【=,才能获得低于HV500的硬度J,而以上试验工艺参数以及红外线测温仪监测结果表明根本无法精确控制连续冷却的速度,因此,以上感应退火过程实际意义上并非热处理工艺上所谓的退火.从退火后耳部硬度检测数据表中可以看出,在试验1,2中除检测点2外的检测点硬度都超出技术要求HV300-500的范围,分析原因为硬度偏高,检测点的感应加热温度偏低,主要是由于工件表面感应涡流密度偏低,并分布不均.而感应器的结构,以及感应器到工件表面的距离直接影响磁力线的分布,形状,以及磁感应密度,从而影响到工件表面的感应涡流的密度,引起工件表面加热不均.其中检测点3,4的硬度最高,主要是由于此位置为感应加热的边缘,本身磁感应密度较小,加热不足,并且此处为耳部与杆体的连接部分,感应退火过程中易通过热传导将一部份热量传递至杆体,降低了此处的感应加热温度所至,其中所采用方案2感应器顶部桥接部分由于电流的趋近效应也容易引起底部局部加热不足.试验3采用方案3内,外同心双施感圈的仿形设计,分别针对耳部的内外表面进行感应退火加热,在理论上最大程度地保证了感应涡流均匀的分布,特别在内圈内侧加装了导磁体,通过导磁体增大内圈内侧磁感应密度,内侧的自感电势也增大,涡流被驱使至感抗小的外侧(导磁体开口端)与工件耳部内表面形成邻近效应,进行耳孔加工区域的感应加热.内外同心双圈感应器的优势上海汽车2012.02不但在于感应器上对耳孔加工区域的仿形加热设计,并且针对通用中频感应加热机床主轴旋转的特点,两顶针装夹,定位后旋转,工件双耳在内外圈之间旋转切割磁力线,平均了工件在不同磁场的加热时间,克服了固定装夹因感应器桥接部分区域电流的趋近效应引起局部加热不足的问题.针对检测点4硬度仍相对较高的问题,对感应器内圈进行改进,增加内圈向下伸出的长度,增加感应涡流覆盖面积,降低检测点4的热传导,来提高此外的加热温度,从而降低渗碳层的硬度.2.3金相组织分析从耳部纵剖面宏观照片来看,在试验2,3中,耳部纵剖面上出现了部分区域在宏观显示上的不同,在试验过程跟踪监测中发现,此区域是由于分段式感应加热,经过多次奥氏体化及冷却转变造成的,并且从这部分区域的分布情况,可以看出试验2,3中耳部内表面明显的加热不足,方案2感应器存在无法对耳部内侧轮廓的仿形,即造成感应电流的不均匀分布,并且只靠同向电流的相斥作用驱使交变电流对耳部内侧的感应加热,效率是远远不够的p.内外同心双圈感应器相对双回形针式感应器在针对耳部外表面的加热均匀性上有了明显的改善,并且在内圈增加了导磁体驱使交变电流至感抗小的外侧,改变电流的趋近效应,与工件耳部内表面形成邻近效应,提高了内侧的感应加热效率,但内侧检测点5处因两个方向加热导致热量集中引起加热不均.从显微组织上看,发生多次奥氏体化及冷却转变的区域硬化层的显微组织见图7a,为超细索氏体+少量碳化物,而其它区域硬化层的显微组织见图7b,为索氏体+少量碳化物,从两处显微组织对比来看,发生多次奥氏体化及冷却转变的区域硬化层的组织更细,碳化物分布也相对均匀,主要原因为此区域经过多次加热,冷却循环破坏了新相,母相之间的取向关系,从而获得了更为细小的奥氏体晶粒l-5J,组织更为细小,多次奥氏体化加热至使此区域的碳化物溶解也相对充分,显微组织上的不同在宏观照片上也体现出了差异.结合对加热过程中太阳轮耳部内,外侧不同(下转第62页)?57?正面碰撞前排假人优化经验,在不发生硬接触的情况下,推荐较低限力水平的安全带能够获得较小的胸部压缩量.但相应可能造成胸部较大的前移量,需注意胸部前移量不能超过GB141662003机动车成年乘员用安全带和约束系统中4.4.1.3.2节规定的:”骨盆位置前移量应在80200mm之间,胸部位置前移量应在100300mm之间”.这一指标是针对50th假人提出的,为达到这一指标,通常安全带肩带力将达5kN,5kN的肩带力可能会造成5th女性假人较大的胸部压缩量.故两者之间的矛盾值得深入研究.5结语后排5th女性乘员在CNCAP规定的正面碰撞试验工况中,很少会发生头部二次接触,影响乘员伤害的主要评价指标是颈部F:,影响指标的主要因素是后排安全带的参数,包括安全带固定点,预紧器和限力器等.对本论文中所采用的车型模型,预张紧器和限力器的安全带,对第二排乘员颈部伤害有较大幅度的改善,同时对后排乘员的胸部压缩量指标也有很大改善.当然,正面碰撞中的车身冲击加速度是碰撞伤害的基础,对第二排乘员来说也是同样,改善车身冲击加速度的方法也可以达到降低乘员伤害的作用.参考文献1张