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關注創建者:匿名 創建時間:2021-10-28

滲碳淬火的實例教程
本文主要針對某項目擋位結合齒在工藝開發試制過程中,發現了表面非馬氏體組織缺陷,分析與鍛坯表面脫碳有較大關系,通過幾種脫碳試驗結果對比,確定了表面脫碳對滲碳熱處理工藝的影響,對鍛件表面脫碳技術要求的制定具有參考意義。
由國內某公司研發的7 速TST 雙離合器變速箱綜合傳動效率達到94%,最高效率達到97%,具有最佳的燃油經濟性,同時讓消費者擁有優越的駕車體驗,換擋時間低于0.2s。該變速器齒軸類零件采用冷熱復合結合鍛造、低壓真空滲氮等自動化生產工藝,本文以六七擋結合齒為例,零件外貌如圖1 所示,對工藝試驗中出現的齒部非馬氏體組織成因進行分析,制定相應措施。
圖1 六七擋結合齒零件外貌
問題描述
工藝開發試驗階段,滲碳淬火后對齒部理化進行檢測,發現齒部外緣出現大量黑色非馬氏體組織如圖2 所示,與此同時,其他整體式結合齒也有類似情況出現,主要工藝流程為溫鍛→等溫退火→冷精整→機加工→滲碳淬火,結合齒部位在冷精整成形后,不經過后續機加工處理,直接進行滲碳淬火,發現非馬氏體組織的同時,表面硬度和滲層深度也低于下限值。
圖2 六七擋結合齒非馬氏體組織形貌
問題分析
利用魚骨質量分析方法,對該質量問題進行剖析如圖3 所示,由原熱鍛+車外徑工藝流程轉變為溫鍛+不車外徑,其鍛造工藝存在變更情況,分析認為表面脫碳對非馬氏體組織的形成是問題的關鍵。
圖3 “人機料法環測”質量分析
鍛件在熱鍛成形和正火過程中,鋼材中頻快速加熱后,鍛件整體溫度快速上升,一旦達到材料Ac
1 溫度附近,鍛件表面便逐漸形成脫碳。脫碳與化學成分、加熱溫度、保溫時間、碳的金相形式、環境氣氛等都有很大關系。
展開 滲碳件常見缺陷與對策
滲碳層出現大塊狀或網狀碳化物
缺陷產生原因:表面碳濃度過高
1.滴注式滲碳,滴量過大
2.控制氣氛滲碳,富化氣太多
3.液體滲碳,鹽浴氰根含量過高
4.滲碳層出爐空冷,冷速太慢
對策:
1.降低表面碳濃度,擴散期內減少滴量和適當提高擴散期濕度,也可適當減少滲碳期滴量
2.減少固體滲碳的催碳劑
3.減少液體滲碳的氰根含量
4.夏天室溫太高,滲后空冷件可吹風助冷
5.提高淬火加熱溫度50~80oC并適當延長保溫時間
6.兩次淬火或正火+淬火,也可正火+高溫回火,然后淬火回火
滲層出現大量殘余奧氏體
缺陷產生原因:
1.奧氏體較穩定,奧氏體中碳及合金元素的含量較高
2.回火不及時,奧氏體熱穩定化
3.回火后冷卻太慢
對策:
1.表面碳濃度不宜太高
2.降低直接淬火或重新加熱淬火溫度,控制心部鐵素體的級別≤3級
3.低溫回火后快冷
4.可以重新加熱淬火,冷處理,也可高溫回火后重新淬火
表面脫碳
缺陷產生原因:
1.氣體滲碳后期,爐氣碳勢低
2.固體滲碳后,冷卻速度過慢
3.滲碳后空冷時間過長
4.在冷卻井中無保護冷卻
5.空氣爐加熱淬火無保護氣體
6.鹽浴爐加熱淬火,鹽浴脫氧不徹底
對策:
1.在碳勢適宜的介質中補滲
2.淬火后作噴丸處理
3.磨削余量,較大件允許有一定脫碳層(≤0.02mm)
滲碳層淬火后出現屈氏體組織(黑色組織)
缺陷產生原因:滲碳介質中含氧量較高:氧擴散到晶界形成Cr、Mn、Si的氧化物,使合金元素貧化,使淬透性降低
對策:
1.控制爐氣介質成分,降低含氧量
2.用噴丸可以進行補救
3.提高淬火介質冷卻能力
展開 滲碳件常見缺陷與對策
滲碳層出現大塊狀或網狀碳化物
缺陷產生原因:表面碳濃度過高
1.滴注式滲碳,滴量過大
2.控制氣氛滲碳,富化氣太多
3.液體滲碳,鹽浴氰根含量過高
4.滲碳層出爐空冷,冷速太慢
對策:
1.降低表面碳濃度,擴散期內減少滴量和適當提高擴散期濕度,也可適當減少滲碳期滴量
2.減少固體滲碳的催碳劑
3.減少液體滲碳的氰根含量
4.夏天室溫太高,滲后空冷件可吹風助冷
5.提高淬火加熱溫度50~80oC并適當延長保溫時間
6.兩次淬火或正火+淬火,也可正火+高溫回火,然后淬火回火
滲層出現大量殘余奧氏體
缺陷產生原因:
1.奧氏體較穩定,奧氏體中碳及合金元素的含量較高
2.回火不及時,奧氏體熱穩定化
3.回火后冷卻太慢
對策:
1.表面碳濃度不宜太高
2.降低直接淬火或重新加熱淬火溫度,控制心部鐵素體的級別≤3級
3.低溫回火后快冷
4.可以重新加熱淬火,冷處理,也可高溫回火后重新淬火
表面脫碳
缺陷產生原因:
1.氣體滲碳后期,爐氣碳勢低
2.固體滲碳后,冷卻速度過慢
3.滲碳后空冷時間過長
4.在冷卻井中無保護冷卻
5.空氣爐加熱淬火無保護氣體
6.鹽浴爐加熱淬火,鹽浴脫氧不徹底
對策:
1.在碳勢適宜的介質中補滲
2.淬火后作噴丸處理
3.磨削余量,較大件允許有一定脫碳層(≤0.02mm)
滲碳層淬火后出現屈氏體組織(黑色組織)
缺陷產生原因:滲碳介質中含氧量較高:氧擴散到晶界形成Cr、Mn、Si的氧化物,使合金元素貧化,使淬透性降低
對策:
1.控制爐氣介質成分,
展開 (3)調質
調質即是在淬火后進行高溫回火處理,它能獲得均勻細致的回火索氏體組織,為以后的表面淬火和滲氮處理時減少變形作準備,因此調質也可作為預備熱處理。
由于調質后零件的綜合力學性能較好,對某些硬度和耐磨性要求不高的零件,也可作為最終熱處理工序。
2. 最終熱處理
最終熱處理的目的是提高硬度、耐磨性和強度等力學性能。
(1)淬火
淬火有表面淬火和整體淬火。其中表面淬火因為變形、氧化及脫碳較小而應用較廣,而且表面淬火還具有外部強度高、耐磨性好,而內部保持良好的韌性、抗沖擊力強的優點。為提高表面淬火零件的機械性能,常需進行調質或正火等熱處理作為預備熱處理。其一般工藝路線為:下料--鍛造--正火(退火)--粗加工--調質--半精加工--表面淬火--精加工。
(2)滲碳淬火
滲碳淬火適用于低碳鋼和低合金鋼,先提高零件表層的含碳量,經淬火后使表層獲得高的硬度,而心部仍保持一定的強度和較高的韌性和塑性。滲碳分整體滲碳和局部滲碳。局部滲碳時對不滲碳部分要采取防滲措施(鍍銅或鍍防滲材料)。由于滲碳淬火變形大,且滲碳深度一般在0.5~2mm之間,所以滲碳工序一般安排在半精加工和精加工之間。
其工藝路線一般為:下料-鍛造-正火-粗、半精加工-滲碳淬火-精加工。當局部滲碳零件的不滲碳部分采用加大余量后,切除多余的滲碳層的工藝方案時,切除多余滲碳層的工序應安排在滲碳后,淬火前進行。
(3)滲氮處理
滲氮是使氮原子滲入金屬表面獲得一層含氮化合物的處理方法。滲氮層可以提高零件表面的硬度、耐磨性、疲勞強度和抗蝕性。
展開 3)調質
調質即是在淬火后進行高溫回火處理,它能獲得均勻細致的回火索氏體組織,為以后的表面淬火和滲氮處理時減少變形作準備,因此調質也可作為預備熱處理。
由于調質后零件的綜合力學性能較好,對某些硬度和耐磨性要求不高的零件,也可作為最終熱處理工序。
2.最終熱處理
最終熱處理的目的是提高硬度、耐磨性和強度等力學性能。
1)淬火
淬火有表面淬火和整體淬火。其中表面淬火因為變形、氧化及脫碳較小而應用較廣,而且表面淬火還具有外部強度高、耐磨性好,而內部保持良好的韌性、抗沖擊力強的優點。為提高表面淬火零件的機械性能,常需進行調質或正火等熱處理作為預備熱處理。其一般工藝路線為:下料--鍛造--正火(退火)--粗加工--調質--半精加工--表面淬火--精加工。
2)滲碳淬火
滲碳淬火適用于低碳鋼和低合金鋼,先提高零件表層的含碳量,經淬火后使表層獲得高的硬度,而心部仍保持一定的強度和較高的韌性和塑性。滲碳分整體滲碳和局部滲碳。局部滲碳時對不滲碳部分要采取防滲措施(鍍銅或鍍防滲材料)。由于滲碳淬火變形大,且滲碳深度一般在0.5~2mm之間,所以滲碳工序一般安排在半精加工和精加工之間。
其工藝路線一般為:下料-鍛造-正火-粗、半精加工-滲碳淬火-精加工。
當局部滲碳零件的不滲碳部分采用加大余量后,切除多余的滲碳層的工藝方案時,切除多余滲碳層的工序應安排在滲碳后,淬火前進行。
3)滲氮處理
滲氮是使氮原子滲入金屬表面獲得一層含氮化合物的處理方法。滲氮層可以提高零件表面的硬度、耐磨性、疲勞強度和抗蝕性。
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4.材料優化:蝸桿采用20CrMnTi合金鋼滲碳淬火(表面硬度HRC58-62),蝸輪采用ZCuSn10P1錫青銅,降低長期運行時的磨損率。還可在嚙合表面噴涂10-15μm厚的二硫化鉬固體潤滑涂層,減少因摩擦導致的間隙擴大。
5.潤滑保養:推薦使用ISO VG220合成齒輪油,含3%-5%的二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)添加劑,可降低摩擦系數30%以上。
20Cr2Ni4鋼如在鍛后出現晶粒粗大時,即使經正火及隨后滲碳加熱,在淬火后仍將得到粗大的馬氏體組織。而且,當表面碳含量較高時,還易于在粗大奧氏體晶粒的晶界上形成碳化物網。對于此類鋼,如鍛后發現晶粒粗大,可以用下列熱處理工藝加以改善。
即先在640~670°C回火6h后空冷,以消除鍛造后的殘余應力。
Fukumoto等[4]通過ABAQUS軟件對螺旋齒輪的滲碳和淬火過程的畸變進行了研究。Lee等[5]研究了熱處理過程的力學性能變化,并使用ABAQUS軟件對HSLA鋼的熱處理過程進行了有限元仿真。Silva等[6]設計試驗測量了AISI 4140 C鋼的環形零件,研究了熱處理工藝對畸變的影響,并使用DEFORM-HT模塊的計算結果驗證了試驗結果。
(2)滲碳淬火
滲碳淬火適用于低碳鋼和低合金鋼,先提高零件表層的含碳量,經淬火后使表層獲得高的硬度,而心部仍保持一定的強度和較高的韌性和塑性。滲碳分整體滲碳和局部滲碳。局部滲碳時對不滲碳部分要采取防滲措施(鍍銅或鍍防滲材料)。由于滲碳淬火變形大,且滲碳深度一般在0.5~2mm之間,所以滲碳工序一般安排在半精加工和精加工之間。
基于Simufact的風機傳動鏈鍛造與齒輪滲碳熱處理工藝仿真及其工程案例
風機傳動鏈和齒輪箱鍛件毛坯設計與制造工藝仿真、關鍵技術及其相關案例
大兆瓦、大模數滲碳淬火齒輪熱處理工藝仿真
共析和過共析鋼在淬火加熱前已經球化退火,在Ac1 以上30℃~50℃不完全奧氏體化后,組織為(奧氏體和部分未溶的細粒狀滲碳體),淬火后組織為(馬氏體、部分未溶的細粒狀滲碳體、殘留的奧氏體)。
碳素或合金結構鋼中的奧氏體在冷卻過程中轉變為其他相,只有在高碳鋼和滲碳鋼滲碳高溫淬火后,奧氏體才能殘留在馬氏體的間隙中存在,其金相組織由于不易受侵蝕而呈白色。
3. 滲碳體
滲碳體是碳和鐵以一定比例化合成的金屬化合物,用分子式Fe3C表示,其含碳量為6.69%,在合金中形成(Fe,M)3C。
+淬火+低溫回火熱處理工藝,精度等級為DIN 7級。
齒輪、凸輪、活塞、軸類等許多重要的機器零件經過滲碳及隨后的淬火并低溫回火后,可以獲
得很高的表面硬度、耐磨性以及高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度。而心部仍保持低碳,具有良好的塑性和韌性。因此,滲碳可使同一材料制作的機器零件兼有高碳鋼
和低碳鋼的性能。從而使這些零件既能承受磨損和較高的表面接觸應力,同時又能承受彎曲應力及沖擊負荷的作用。
為了提高齒輪的承載能力和壽命,減速器齒輪采用低碳合金鋼20CrMo滲碳淬火加磨齒工藝。如圖2所示,減速器為兩級平行軸斜齒輪傳動結構,輸入軸花鍵與電機連接,動力通過差速器與半軸連接傳遞給車輪。
圖2 減速器結構方案
表1為減速器齒輪參數對比。從表1中可以看出,采用細高齒的減速器兩級齒輪的齒頂高系數均不小于1.4,超過標準系數40%;端面重合度都超過2,滿足細高齒設計方法。