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齿坯热处理锻后控制冷却方法万芳排气扇

发布时间:2020-02-14 12:31:54

目前齿轮热处理变形是装备制造业最主要的技术难题之一,会大幅增加后续磨齿的成本,影响最终装配精度和服役噪音。齿轮变形控制是个系统工程,有时仅仅通过热处理装备和热处理工艺方法并不能有效解决,需要各个工艺环节进行有效配合,简单的讲变形是由于工艺控制过程的很多“不均匀”的因素导致。如冶金成分不均匀,热前组织不均匀,受力不均匀(机加应力、自重力),加热不均匀,冷却不均匀等,这些“不均匀”的因素导致组织转变的同时性变差,各种应力分布不均,最终导致产品的变形难以有效控制。

齿坯渗碳前的组织均匀性往往被行业所疏忽,普遍存在带状组织和表层粗大混合组织的问题。这种“不均匀”的组织状态具有遗传性,会贯穿于热处理的整个过程,对于产品的质量及服役寿命产生极大的危害:

造成产品力学性能具有明显的各向异性,如横向和纵向的强度具有较大的差距。

冲击韧性较差,在恶劣的服役环境下产品寿命较差。

带状偏析作为一种“不均匀”的因素,导致在加热和冷却过程中组织转变的均匀性较差,从而增大热处理变形的倾向。

表面硬度散差大,机加工性能差,导致刀具使用寿命短,不利于干切技术推广。

原因分析及控制冷却方法

常见的带状组织缺陷本质上是由于铸造成型过程中的枝晶偏析引起,该显微偏析在轧制或锻造成型过程中沿轧制方向遗传下来,这种带状组织在冶金上称之为“一次带状”。这种带状偏析可通过提高终锻温度、增大锻造比、扩散退火等方法来减轻或避免。

锻后冷却过程中,当温度在Ar3~Ar1二相区之间时,钢的显微组织为先共析铁素体和过冷奥氏体。钢中一般均含有一定量的Mn、Cr、Ni、Mo等元素,这些元素均能显著增加过冷奥氏体在珠光体区的稳定性,增长了相变孕育期,也减慢了珠光体的形成速度,但对先共析铁素体的析出速度影响较小。当从高温状态下冷却时,先共析铁素体优先在相当于较纯的原枝晶干部位的奥氏体晶界析出,同时碳向周围的奥氏体区扩散,温度越高、冷却速度越慢,碳扩散越充分,扩散距离越远,所以形成的铁素体条带明显。这个过程在奥氏体化后的冷却过程中发生,冷却越慢,先共析铁素体转变越充分,碳元素分布越不均匀,带状组织越严重,这类带状就是“二次带状”。存在带状偏析的工件,在常规热处理过程中碳和合金元素的奥氏体均匀化是相当困难的,例如碳的均匀化需要950℃以上,而合金元素则需要1100℃以上,可见常规的热处理方式根本无法解决带状偏析的问题。

目前锻后冷却方式

一是采用沙冷、坑冷、空冷等粗放式的冷却方式,两相区冷却速度相对缓慢,易造成带状组织的恶化和晶粒粗大等缺陷,严重影响热后的最终力学性能,同时容易获得或部分获得马氏体、贝氏体、魏氏体组织,表面硬度较高且散差大,不利于切削加工,典型组织如图1所示;

二是采用强制风冷方式,但同时存在冷却均匀性差的问题,使其锻坯表层的组织不均匀性,主要是上述冷却方式不能保证同炉不同工件和同一工件不同截面冷却的均匀性,工件迎风面和背风面冷却性能对比如图2所示。

风速越快,冷却的均匀性就越差,只能通过减少装炉量和增加工件的间距来改善。同时风冷速度对于锻坯的表面温度非常敏感,随着表面温度的降低而迅速降低,不能保证冷却的均匀性。此外,因为空气的热容小,风温的波动避免,风温高低对于风冷速度的影响会进一步恶化冷却均匀性。

目前在冶金行业控轧控冷技术已经应用非常成熟,其核心目的是晶粒细化和细晶强化,切断组织遗传。其中控制冷却的原理特别值得借鉴,其过程是精确控制高温扩散和相变过程。

一般把锻后控制冷却过程分为三个阶段,称为一次冷却、二次冷却、三次冷却(空冷),在这三个冷却阶段中其冷却目的和要求是不同的。

一次冷却为从终轧温度开始到变形奥氏体向铁素体开始转变温度Ar3温度范围内的冷却控制,即控制冷却的开始温度、冷却速度及终止温度。这一阶段是控制变形奥氏体的组织状态,阻止奥氏体晶粒长大,固定因变形引起的位错,降低相变温度,为相变做组织上的准备。

二次冷却为从相变开始温度Ar3到相变结束温度范围内的冷却控制。主要是控制钢材相变时的冷却速度和停止控冷的温度,即通过控制相变过程,保证钢材快冷后得到所需要的金相组织和力学性能,对低碳钢、低合金钢、微合金化低合金钢,轧后一次冷却和二次冷却可连续进行,终了温度可达珠光体相变结束,然后空冷,所得金相组织为细铁素体和细珠光体及弥散的碳化物。三次冷却(空冷),是相变后至室温范围内的冷却。

为了切断组织遗传,保证热前组织的均匀性,锻后控冷和正火冷却同样需严格控制一次冷却和二次冷却。传统的粗放式冷却方式会造成组织均匀性差,硬度散差大,切削加工性能差,产品最终的热处理质量分散度差。

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