薄壁零件碳氮共滲淬火質(zhì)量控制研究

盧銳，柯文敏，張朝銘，吳超，湯俊禮

中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司 湖南株洲 412002

1 序言

彈性軸承座內(nèi)環(huán)（以下簡(jiǎn)稱“內(nèi)環(huán)”）是某飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的零部件，在工作過(guò)程中，存在不斷滑動(dòng)、滾動(dòng)等相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并與其他零件之間有摩擦，同時(shí)還承受了一定的交變彎曲應(yīng)力和接觸疲勞應(yīng)力，有時(shí)還會(huì)有一定的沖擊力，工作條件非常惡劣[1]。與服役條件相對(duì)應(yīng)，該零件常見(jiàn)的失效形式有過(guò)量磨損、表面剝落、斷裂等。因此，對(duì)該零件的技術(shù)要求是表面具有高硬度、高耐磨性、高接觸疲勞抗力。因?yàn)樘嫉矟B層比滲碳層有更高的硬度、耐磨性、耐蝕性、彎曲強(qiáng)度和疲勞接觸強(qiáng)度[2]，但一般碳氮共滲層比滲碳層淺，所以一般用于承受載荷較輕、要求高耐磨性的零件。因此，對(duì)內(nèi)環(huán)采用碳氮共滲淬火，以獲得高的表面硬度，以及較高的尺寸精度。

內(nèi)環(huán)采用的材料是12Cr2Ni4A鋼，具有高的淬透性，經(jīng)碳氮共滲淬火加低溫回火后，不但表面有很高的硬度，且心部強(qiáng)度和韌性、塑性匹配很好[3]。這種材料可廣泛用于制造各種發(fā)動(dòng)機(jī)重要受力耐磨零件，如分氣雙齒輪、彈性傳動(dòng)齒輪、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪，以及各種軸、銷子、活塞和滾動(dòng)軸等。該零件在碳氮共滲淬火時(shí)，對(duì)變形控制有嚴(yán)格要求，但由于零件本身特點(diǎn)（壁薄）以及壓力機(jī)淬火操作有一定難度等原因，使零件容易產(chǎn)生變形[4]。

本文主要針對(duì)內(nèi)環(huán)碳氮共滲淬火后的變形以及導(dǎo)致的硬度偏低問(wèn)題，通過(guò)采取淬火前試套芯模，改變零件裝爐方式，以及加工完后校正的方法，來(lái)改善內(nèi)環(huán)的碳氮共滲淬火質(zhì)量。

2 熱處理工藝及存在問(wèn)題

2.1 熱處理工藝過(guò)程及技術(shù)要求

內(nèi)環(huán)的整體加工路線：下料→粗加工、切試料→機(jī)械精加工→碳氮共滲淬火→機(jī)械精加工→最終檢驗(yàn)。內(nèi)環(huán)零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軸承座內(nèi)環(huán)零件結(jié)構(gòu)

內(nèi)環(huán)熱處理主要工藝參數(shù)如下。

1）碳氮共滲：830℃±10℃，保溫6~8h，丙酮50~100滴/m i n，氨氣2.0~3.0L/m i n，碳勢(shì)0.85%±0.05%（在滴注式井式滲碳爐中進(jìn)行）。

2）淬火：零件綁扎好裝進(jìn)固體滲碳劑保護(hù)箱中加熱至810℃±10℃，保溫70~100min（在箱式爐內(nèi)進(jìn)行），然后套入芯模，采用壓力機(jī)淬火。

3）冷處理：－60℃保持2.5~3h，空冷（在低溫箱內(nèi)進(jìn)行）。

4）回火：回火溫度為160℃±10℃，保溫2.5~3h，空冷（在井式回火爐中進(jìn)行）。

內(nèi)環(huán)熱處理后的技術(shù)要求： 表面硬度≥90 HR 15 N，心部硬度32~45.5 HRC，平面度≤0.15mm。

2.2 存在的問(wèn)題

目前，內(nèi)環(huán)經(jīng)過(guò)碳氮共滲、淬火后，通常會(huì)發(fā)生以下的質(zhì)量問(wèn)題：

1）內(nèi)環(huán)碳氮共滲后產(chǎn)生嚴(yán)重變形，以至于熱處理后內(nèi)環(huán)內(nèi)徑尺寸由變 形 為超過(guò)要求范圍。

2）彈性軸承座進(jìn)行壓力機(jī)淬火時(shí)，零件難以套入芯模，影響淬火質(zhì)量，使零件硬度不合格。

由于以上兩種不合格現(xiàn)象會(huì)經(jīng)常性發(fā)生，不符合生產(chǎn)要求，造成零件返修，甚至報(bào)廢，嚴(yán)重影響科研生產(chǎn)進(jìn)度，因此很有必要對(duì)此零件的熱處理缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析研究，以求找到合理的解決措施。

3 原因分析

3.1 變形的原因分析

變形的實(shí)質(zhì)是零件內(nèi)應(yīng)力釋放，如果釋放的應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度，就會(huì)發(fā)生永久性變形[5]。零件的熱處理變形主要是熱處理應(yīng)力造成的，熱加工應(yīng)力主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[6]。

1）加熱冷卻速度不同，形成的溫度梯度造成了熱應(yīng)力。

2）表面與心部及不同截面區(qū)域之間的相變先后不等時(shí)造成的組織應(yīng)力。

3）不同相的組織比容不同引起的相變應(yīng)力。但零件的結(jié)構(gòu)形狀、原材料質(zhì)量、熱處理前的加工狀態(tài)、零件的自重以及零件在爐中加熱和冷卻時(shí)的支承或夾持不當(dāng)?shù)纫蛩匾矔?huì)導(dǎo)致變形。

3.2 內(nèi)環(huán)變形的原因分析

內(nèi)環(huán)在碳氮共滲過(guò)程中引起的變形原因如下。

1）在碳氮共滲裝爐時(shí)，是直接將內(nèi)環(huán)放在平板上，沒(méi)有采取任何固定措施。

2）碳氮共滲設(shè)備為滴注式井式滲碳爐，在碳氮共滲過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，使?jié)B劑在爐內(nèi)均勻分布，便于零件吸收，但同時(shí)也會(huì)引起坩堝的振動(dòng)，使零件之間難免有輕微的碰撞和相互擠壓的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致零件變形。

3）內(nèi)環(huán)進(jìn)行碳氮共滲時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，也會(huì)使零件產(chǎn)生一定的變形。

3.3 導(dǎo)致內(nèi)環(huán)硬度偏低的原因分析

內(nèi)環(huán)在淬火過(guò)程中引起的硬度偏低原因如下。

1）由于在碳氮共滲時(shí)零件已產(chǎn)生變形，導(dǎo)致淬火時(shí)零件難以套進(jìn)芯模（要求零件端面2個(gè)耳環(huán)狀的截面必須對(duì)正芯模的兩個(gè)寬面），如圖2所示。

2）零件厚度較薄，只有2mm，易冷卻收縮，如果淬火轉(zhuǎn)移速度慢或不能快速開啟壓力機(jī)的油冷卻系統(tǒng)，會(huì)影響淬火速度，從而最終影響零件的硬度，造成零件硬度偏低。

圖2 零件壓力機(jī)淬火

4 改進(jìn)方法

4.1 零件變形的控制

1）校正碳氮共滲平板，使零件能平穩(wěn)地放在平板上，并且零件放在平板上后，采取固定措施，即用一根小鐵絲將彈性軸承座內(nèi)環(huán)兩端固定，且兩零件之間保持一定間距，使之在共滲過(guò)程中，避免由于電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)造成零件之間互相碰撞或擠壓，從而減少變形。

2）對(duì)于彈性軸承座在碳氮共滲時(shí)因?yàn)闊釕?yīng)力、組織應(yīng)力不可避免產(chǎn)生的變形，我們采取碳氮共滲后立即對(duì)其進(jìn)行校正的方法，以確保零件尺寸合格。

4.2 零件硬度的控制

1）根據(jù)零件碳氮共滲后容易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致零件淬火時(shí)套不進(jìn)芯模的情況，采取在淬火前先將零件進(jìn)行校正，然后試套淬火芯模，確保校正效果，以便零件在淬火時(shí)能快速套進(jìn)芯模，從而在保證零件尺寸合格的同時(shí)硬度也符合要求。

2）該零件淬火時(shí)，不僅要求轉(zhuǎn)移速度快（由于該零件批量小，零件也比較小，為保證零件淬火質(zhì)量，常采用手工轉(zhuǎn)移，正常情況下5s以內(nèi)就能完成轉(zhuǎn)移），而且零件的2個(gè)耳環(huán)必須套進(jìn)芯模的兩寬面。以前裝爐時(shí)，零件在保護(hù)箱中隨意擺放，導(dǎo)致淬火時(shí)夾出零件還得調(diào)整耳環(huán)位置，延緩了淬火時(shí)間，現(xiàn)在采取裝爐時(shí)零件2個(gè)耳環(huán)朝同一方向固定擺放，而芯模兩寬面也根據(jù)零件擺放方向擺放好，這樣大大加快了淬火時(shí)的轉(zhuǎn)移速度，確保了零件的硬度。

5 結(jié)果與討論

通過(guò)碳氮共滲淬火質(zhì)量改進(jìn)措施的實(shí)施和控制，統(tǒng)計(jì)了三批碳氮共滲淬火零件，對(duì)零件的硬度、平面度和內(nèi)徑尺寸進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，三批零件的表面硬度、心部硬度以及平面度和變形量完全符合技術(shù)要求，徹底解決了原來(lái)零件碳氮共滲淬火后硬度偏低及內(nèi)孔變形超差的問(wèn)題，消除了零件經(jīng)常返修甚至報(bào)廢等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。

表1 改進(jìn)后內(nèi)環(huán)檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某機(jī)型軸承座內(nèi)環(huán)熱處理后內(nèi)徑尺寸超差和硬度偏低的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出了改進(jìn)碳氮共滲淬火的工藝方法，從而改善了熱處理加工質(zhì)量，使產(chǎn)品符合工藝要求，同時(shí)也為同類零件的碳氮共滲淬火質(zhì)量控制提供了重要的參考。因此，可得出以下結(jié)論。

1）對(duì)于薄壁零件，在碳氮共滲淬火過(guò)程中，零件的裝爐方式、淬火轉(zhuǎn)移速度對(duì)變形的控制起主要作用，在碳氮共滲過(guò)程中將零件擺放平穩(wěn)后保持一定間隔，可以減少零件相互碰撞導(dǎo)致的變形。

2）淬火前裝爐時(shí)，使零件擺放方向保持一致至適合位置，可以方便快速地套進(jìn)芯模進(jìn)行淬火，充分保證零件淬火的生產(chǎn)效率和硬度性能合格。

3）已發(fā)生變形的零件，在進(jìn)行淬火前先進(jìn)行校正，減小變形量至能套入淬火芯模，從而保證了后續(xù)快速淬火效率和硬度指標(biāo)。