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    离子氮化炉

    热处理材料的平衡关系处理

      武汉热处理研究所技术人员经常遇到的难题就是处理各种复杂的关系,如原材料与工艺,工艺与设备,内在质量与外在质量,热加工与冷加工等,分析主要矛盾,利用现有条件,达到理想结果,体现着热处理技术人员的智慧与经验。

      热处理的定义就是通过温度的变化改变工件内部显微组织,进而获得理想性能的工艺,而工件的性能往往多种多样,有些性能还存在彼此之间的矛盾关系。例如我们经常遇到的强度和韧性,在一定范围内存在此消彼长的关系。因此,我们从教科书中得到的专业启蒙教育就是,如何借助于热处理工艺获得良好的强韧性搭配。

      1.复杂结构齿轮的热处理

      齿轮其结构特点是内有两段花键,外有轮齿,沿轴向截面对称性差,在普通气氛渗碳炉(多用炉、连续炉)渗碳淬火处理,其变形量基本全部超标。

      该齿轮的热处理难点就集中于控制内孔的椭圆与锥度变形,因此,减缓淬火烈度,降低齿轮内应力就成为一个选项。而热处理具备的两个有利条件是:该齿轮材料为19CrNi5,淬透性较好;公司具备可以气体淬火的真空渗碳炉。

      因此,工艺改为960℃×2h渗碳,然后N2淬火,最后低温回火,既获得了合格的金相组织,又确保变形量满足要求。

      2.某齿轮热处理工艺改进

      齿轮结构其特点是齿顶较尖,而且螺旋角β较大,变性倾向大,用常规工艺试验多次,变形量超差。另外,客户对金相组织要求较高,其中次表层ITP组织深度≥0.1mm。

      众所周知,ITP组织(中间转变产物)是由于次表层淬透性降低而形成贝氏体或托氏体等非马组织,有时被称为次贝组织。国外齿轮产品金相组织经常有ITP深度的技术要求,有的标准中规定ITP深度须大于对应硬化层深度的一定比例,是衡量硬化层质量的重要指标。其主要影响因素包括材料淬透性、淬火冷却速度、工件尺寸以及表面碳浓度等。

      如果从控制ITP深度角度考虑,提高齿轮淬火烈度也是一个方向,但这又加大了齿轮的变形倾向。本项目采取的措施是适当提高渗碳后期的碳势,在淬火前的保温阶段通入适量的NH3,彻底解决了ITP组织深度问题。

      ITP问题的解决,为控制齿轮变形预留了足够的空间,再通过调整淬火冷却工艺参数(介质类型、搅拌速度及淬火温度),减缓淬火烈度,减小齿轮变形量,使得内在质量(金相组织)和外在质量(齿轮精度)本来相互冲突和矛盾的两个方面得到了很好的兼顾。

      3.调质处理

      作为氮化、感应淬火预备处理的调质工艺,也存在着平衡关系,例如如何确定调质硬度,选择高温回火温度。大量数据表明,调质硬度确实会影响到氮化速度以及表面硬度,将42CrMo调质硬度由20~25HRC提高到28~32HRC后,可使氮化后表面硬度由500HV左右提高到≥600HV。某厂刚开始做一种出口的氮化齿轮时,考虑到是剃齿加工,担心前面的调质硬度太高,造成剃齿困难,结果氮化硬度总是达不到要求,后来将调质硬度提高,才解决了问题。

      从基体强度和承载能力方面,氮化件调质硬度应在300HV以上,美国某些公司要求达到340HV水平,但是目前国内加工刀具还普遍达不到这个水平,因此,常规的调质硬度控制在260~290HV范围。

      这里也反映出冷加工与热加工之间经常出现的平衡关系。很多场合下,热处理不能画地为牢、闭门造车,必须兼顾热前、热后的冷加工工序。

      4.关于渗碳工艺和碳氮共渗工艺

      常规渗碳温度为920~930℃,某些场合下可以采用更高的温度,在这种高温下,碳元素扩散速度很快,用较短的时间即可达到深层深度,对于小模数齿轮,往往几个小时即可。

      但是,高温也加大了渗碳件的变性倾向,尤其是对于某些形状复杂、截面较小的内花键齿轮、轴齿轮等,变形问题非常突出,在这种情况下,可以考虑选择碳氮共渗工艺。

      事实上,碳氮共渗正是基于权衡考虑而诞生的一种嫁接工艺,碳氮共渗齿轮同样具有良好的耐磨性和疲劳强度。由于降低了热处理温度,使得控制变形的压力大大缓解,对于模数较小,硬化层深度1.0mm以下的齿轮类零件,相对于变形量的减小,由于温度降低、工艺时间延长而增加的成本甚至是可以忽略不计的。





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