淬火油冷卻對齒輪零件質(zhì)量的影響

付占虎，趙 寧

(西安法士特汽車傳動有限公司，陜西西安 710075)

1 概述

目前，汽車齒輪的一般生產(chǎn)過程為鍛造→等溫正火→機(jī)械切削加工→滲碳淬火→磨削→成品。其中，滲碳淬火是比較重要的工序，淬火的目的是提高鋼的硬度和耐磨性，從而使加工部件獲得優(yōu)異的機(jī)械性能[1]。淬火工藝具體是將鋼加熱到臨界點(diǎn)Ac3或Accm以上某一溫度，保持一定時間后，再以適當(dāng)速度冷卻，以獲得馬氏體或貝氏體組織的一種熱處理工藝。

淬火介質(zhì)直接影響淬火工藝的好壞，間接地影響著加工工件的機(jī)械性能。最初淬火介質(zhì)為水，隨后發(fā)展為水溶液、礦物油及其它介質(zhì)。礦物油為目前廣泛使用的淬火介質(zhì)，屬于緩和型的淬火介質(zhì)，其淬火冷卻過程分為3個階段：1）蒸汽膜階段。在工件溫度較高時，圍繞工件形成一層蒸汽膜，阻止了流體與工件表面的進(jìn)一步接觸，降低了冷卻速度。因此，該段的冷卻速度較慢。2）沸騰階段。隨著工件表面溫度的下降，蒸汽膜破裂，使得流體繼續(xù)接觸工件表面，受熱沸騰，從而獲得最大的冷卻速度。3）對流階段。當(dāng)工件溫度低于液體沸點(diǎn)時，僅靠對流冷卻，冷卻速度又減慢[2]。

2 實(shí)例

以某公司在滲碳淬火過程中的幾例汽車齒輪零件實(shí)例為研究對象，分別從淬火油冷卻對齒輪零件表面硬度、滲碳硬化層深、金相組織等方面進(jìn)行分析與研究。該公司使用的淬火油主要為好富頓公司生產(chǎn)的G油、355油、K2000油等，冷卻方式為油和水冷熱交換齒輪淬火對流，同時實(shí)現(xiàn)了實(shí)時在線記錄淬火油冷卻曲線。

2.1 裝爐超量對零件表面硬度的影響

某片齒輪零件材質(zhì)為20MnCr5H材料，淬火油使用好富頓公司的G油，其正常淬火油溫為80℃。該批零件采用ICHELIN（愛協(xié)林）廂式多用爐生產(chǎn)，備料方式為串放（如圖1所示）。按工藝文件規(guī)定，要求每次裝爐量為每串3件，每盤12串，共36件。但是在一次實(shí)際生產(chǎn)中，裝爐人員違反工藝規(guī)定，超量備料，實(shí)際裝爐量為每串5件，共60件，裝爐量超出工藝文件要求數(shù)量的2/3。此爐零件淬火時，油溫最高上升到132℃，超出正常值且冷卻時間較長。淬火油冷卻曲線如圖2所示。

圖1 片齒輪零件備料方式示意

圖2 淬火油冷卻曲線

該批零件經(jīng)過回火后，檢測表面硬度為56～57 HRC，低于要求值58～63 HRC。而此前正常裝爐量時，零件表面硬度平均值在60～61 HRC。

2.2 過濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重對零件金相組織的影響

某片齒輪零件材質(zhì)為20MnCr5H材料，淬火油使用好富頓K2000油，其正常淬火油溫50℃。在正常實(shí)際生產(chǎn)中，一般淬火時油溫最高上升到75～80℃，貝氏體級別可以控制在1～2級。但是在一次生產(chǎn)時，由于淬火油的過濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重，導(dǎo)致淬火油冷卻不佳，溫度最高上升到94℃左右，且冷卻較慢。正常、異常淬火油冷卻曲線如圖3、圖4所示。淬火油濾網(wǎng)堵塞情況如圖5所示。

圖3 正常淬火油冷卻曲線

圖4 異常淬火油冷卻曲線

圖5 淬火油過濾網(wǎng)堵塞情況

該批零件出爐后，檢查金相組織時，發(fā)現(xiàn)貝氏體級別為4級，不符合要求。

2.3 油水熱交換器堵塞對零件硬化層深等的影響

某廂式多用爐由于油水熱交換器堵塞，淬火油冷卻慢，冷卻時間大于3 h。相同零件，正常、異常爐次油冷卻曲線，如圖6、圖7所示。相同零件正常爐次、異常爐次數(shù)值對比，見表1所示。

圖6 正常爐次淬火油冷卻曲線

圖7 異常爐次淬火油冷卻曲線

表1 相同零件正常爐次、異常爐次數(shù)值對比情況

由表1可知，同樣的零件，采用相同的熱處理滲碳工藝，由于油水熱交換器堵塞，導(dǎo)致零件的硬化層深、硬度梯度、心部硬度數(shù)值較低。

3 結(jié)語

本文以某公司在滲碳淬火過程中的幾例汽車齒輪零件實(shí)例為研究對象，分別從裝爐超量、淬火油冷卻不佳，影響零件表面硬度；過濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重、淬火油冷卻不佳，導(dǎo)致零件貝氏體級別超標(biāo)；油水熱交換器堵塞、淬火油冷卻不佳，導(dǎo)致零件硬化層深等數(shù)值較低等3個方面進(jìn)行研究。由此可見，淬火油的冷卻能力、冷卻過程對產(chǎn)品質(zhì)量有較大的影響。關(guān)鍵是在于過程控制，其過程控制表現(xiàn)在以下方面：1）認(rèn)真執(zhí)行工藝規(guī)程，確定淬火油合理的使用溫度，確保合理的裝爐量，確保油溫上升不超過要求值[3]。2）認(rèn)真執(zhí)行設(shè)備保養(yǎng)，定期清理水路和油路的過濾網(wǎng)，對淬火油定期進(jìn)行過濾。3）建立設(shè)備淬火油管理制度和監(jiān)控臺帳，定期抽取淬火油進(jìn)行理化檢測，確保淬火油性能滿足要求。當(dāng)淬火油冷卻性能下降時，可以適當(dāng)加入淬火油添加劑來改善性能，當(dāng)淬火油性能已經(jīng)下降嚴(yán)重，應(yīng)整爐更換淬火油。4）當(dāng)較長時間停爐時，特別是對生產(chǎn)需要刷涂防滲涂料的零件的設(shè)備，可以將淬火油槽清空，對淬火油槽里的油泥、碳黑、雜質(zhì)等混合物進(jìn)行清理，保證淬火油槽干凈。定期對設(shè)備進(jìn)行燒碳黑處理，防止過多的碳黑進(jìn)入淬火油，影響淬火油的冷卻性能。5）實(shí)時監(jiān)視淬火油冷卻過程曲線，確定合理的淬火油冷卻時間，同時也可以及時發(fā)現(xiàn)問題。