選換檔搖臂撥頭冷鐓加工和熱處理工藝的改進

龍必查

(佛山安久電配汽車零部件有限公司，廣東 佛山 528234)

選換檔搖臂撥頭屬于汽車變速器的重要組成零部件，選換檔搖臂撥頭與變速器桿、撥叉、同步器、選換檔軸、定位鎖(自鎖、互鎖、倒檔鎖)裝置參與改變傳動比、變換傳動方向和中斷發(fā)動機的動力傳遞[1]。

1 零件材料、形狀及技術要求

選換檔搖臂撥頭材料為SWRCH45K，根據(jù)日本工業(yè)標準JIS G3507-1：2005冷鐓用碳素鋼和湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司企業(yè)標準Q/OHAB 113—2005的要求[2]，其化學成分要求見表1，力學性能要求見表2。

表1 SWRCH45K鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of SWRCH45K steel (mass fraction，%)

表2 SWRCH45K 鋼熱軋態(tài)的力學性能Table 2 Mechanical properties of hot-rolled SWRCH45K steel

選換檔搖臂撥頭零件形狀見圖1。虛線區(qū)域高頻淬火，要求表面硬度≥440 HV；表面處理要求Fe/Zn12電鍍鋅去氫，彩色三價鈍化鹽零試驗96 h無紅銹；表面無毛刺、開裂等有害缺陷。

圖1 零件外形圖Fig.1 Part outline drawing

2 工藝改進前后

汽配產(chǎn)品選換檔搖臂撥頭的加工生產(chǎn)流程為：盤圓材料→球化退火→酸洗磷化→盤圓拉絲→檢驗→冷鐓成型→檢驗→清洗去油→高頻淬火→回火→電鍍?nèi)洹b[3]。

2.1 冷鐓前工藝改進

在實際生產(chǎn)中，冷鐓和冷擠壓用鋼的含碳量大于0.25%時，要求鋼材在冷撥前進行球化退火；對于變形為65%～85%的冷鐓件，未經(jīng)過中間退火而達到三次冷鐓鍛變形時，其含碳量不應大于0.4%[4]。因原材料的含碳量為0.45%，且選換檔搖臂撥頭要經(jīng)四序工位(共4次冷鐓變形)，根據(jù)該產(chǎn)品變形量大，且SWRCH45K難于冷鐓、成型時易出現(xiàn)開裂(見圖2)的特點，經(jīng)過技術分析，熱處理車間從源頭上開始了質(zhì)量控制和改進。在原有的球化退火工藝后，增加了再結(jié)晶退火，使片狀珠光體分解為細粒狀滲碳體，更均勻地分布在鐵素體的基體中，可以消除加工硬化，提高塑性，進一步改善材料的冷鐓性能[4]，消除和避免了選換檔搖臂撥頭冷鐓時發(fā)生內(nèi)裂。

圖2 裂紋缺陷 100×Fig.2 Crack defect

由原工藝的一次球化改為球化退火+再結(jié)晶退火(或高溫回火)，加工生產(chǎn)流程更改為： 盤圓材料→球化退火→粗抽至φ13 mm→高溫回火→精抽至φ11.8 mm→酸洗磷化→盤圓拉絲→檢驗→冷鐓成型→檢驗→清洗去油→高頻淬火→電鍍?nèi)洹b。

金相組織按JB/T 5074—2007標準評定，金相組織合格級別控制在5～6級，硬度≤80 HRB。球化退火后金相組織見圖3。

圖3 球化退火后金相組織 400×Fig.3 Microstructure after spheroidizing annealing

2.2 冷鐓工藝的改進及效果

由于產(chǎn)品在冷鐓成型前的過程中與空氣和酸接觸，因而在鋼液中會吸收氧、氫、氮等元素，對鋼的質(zhì)量產(chǎn)生不良影響[5]。氧元素在鋼中主要以夾雜物的形式存在，但氧化物夾雜與基體的結(jié)合力弱，冷鐓過程不易變形，易成為疲勞裂紋源。氫對鋼的危害性更大，主要表現(xiàn)為氫脆。常溫下氫在鋼中的溶解度很低，原子態(tài)的過飽和氫將降低鋼的韌性，引起氫脆，從而形成裂紋，見圖4。室溫下氮在鐵素體中的溶解度很低，鋼中的過飽和氮在常溫放置過程中會以Fe2N、Fe4N的形式析出而使鋼變脆。

圖4 氫脆裂紋Fig.4 Hydrogen embrittlement crack

改善前的冷鐓成型過程中，型槽內(nèi)氣體不能排出，產(chǎn)生壓力，也阻礙著金屬充滿型槽；同時，受脆性和疲勞裂紋源及微裂紋等的影響。冷鐓成型的選換檔搖臂撥頭外端表面經(jīng)常出現(xiàn)裂紋，見圖5。而對于高頻用鋼，要求高頻淬火的零件表面不得有微裂紋等缺陷，由于微裂紋會導致產(chǎn)品經(jīng)高頻淬火后裂紋進一步延伸和擴展。

圖5 冷鐓成型開裂產(chǎn)品Fig.5 Cold heading forming cracking products

為此，對冷鐓模具進行了技術改進，將冷鐓成型工序的第三序和第四序沖棒分別增加了φ1 mm和φ0.7 mm排氣孔[6]，同時沖棒頭部與冷鐓產(chǎn)品的接觸面由原來的平面改成了圓弧面接觸，如圖6 (a)、6(b)所示。選換檔搖臂撥頭經(jīng)冷鐓成型后外觀合格、無裂紋，見圖7。

(a)冷鐓三序工藝圖；(b)冷鐓四序工藝圖圖6 冷鐓模具改進(a) cold heading three-sequence process diagram；(b) cold heading four-sequence process diagramFig.6 Cold heading die improvement

(a)三序成型產(chǎn)品；(b)四序成型產(chǎn)品；(c)電鍍產(chǎn)品圖7 改進后冷鐓成型產(chǎn)品圖片(a) three-sequence forming products; (b) four-sequence forming products; (c) plating productsFig.7 Cold heading forming product drawing after improved

2.3 高頻淬火硬化層深度改進及效果

為提高產(chǎn)品質(zhì)量，對原技術要求進行了調(diào)整：1)周邊去毛刺、表面無刮傷、裂紋等缺陷，所有過渡R≤0.3 mm；2)表面處理：Fe/Zn12, IV，參照標準QJ/GAC 1340 002；3)表面局部高頻淬火，硬度為440～650 HV，層深0.5～1.5 mm；4)未注機加工尺寸按 GB/T 1804—m標準要求；5)零部件和材料中禁用有害物質(zhì)要求參照標準QJ/GAC 1110.025。

根據(jù)改善前原圖紙要求：虛線區(qū)域高頻淬火要求表面硬度≥440 HV，未要求硬化層深度。而實踐證明，淬硬層深度一般為零件直徑的10%～30%時，可以得到良好的綜合機械性能[7]。在產(chǎn)品試生產(chǎn)過程中，由于圖紙未標明硬化層深度，所以在前期進行高頻淬火時，也未對硬化層深度進行嚴格控制，產(chǎn)品硬化層深度有所增加，平均深度達2.0 mm。雖然有利于提高產(chǎn)品的機械性能，增加淬硬層的硬度，但增加了淬火開裂的傾向。

在高頻淬火加熱過程中，原來的球狀珠光體組織轉(zhuǎn)變成馬氏體組織后體積增大，從而產(chǎn)生內(nèi)應力，這種由相變而產(chǎn)生的內(nèi)應力稱為組織內(nèi)應力。馬氏體轉(zhuǎn)變由于比容增大，其組織內(nèi)應力較大，球狀珠光體組織轉(zhuǎn)變成馬氏體組織數(shù)量也增加，增加了淬火變形甚至開裂的傾向。

在實際生產(chǎn)中，根據(jù)工件技術要求，采用100 kW高頻淬火，結(jié)合現(xiàn)有設備條件，通過調(diào)整陽極電流、柵極電流、振蕩電壓、陽極電壓等參數(shù)(見表3)，重新制作感應器，得到硬化層深度符合圖紙技術要求0.5～1.5mm的硬化層，從而降低了選換檔搖臂撥頭淬火時產(chǎn)生變形甚至開裂的傾向。

表3 改進后淬火參數(shù)Table 3 Quenching parameters after improved

2.4 高頻淬火冷卻介質(zhì)的改進及效果

因高頻淬火是一項需要操作工人具備豐富工作經(jīng)驗的工作，在實際生產(chǎn)往往需要結(jié)合工作經(jīng)驗和試淬情況來判斷冷卻介質(zhì)和淬火溫度。淬火溫度高，組織易粗大，產(chǎn)品易開裂；淬火溫度低組織轉(zhuǎn)變不完全，得不到理想的淬火硬度[8]。在選換檔搖臂撥頭高頻淬火前期生產(chǎn)試驗時發(fā)現(xiàn)：采用油淬，則會低于技術要求的硬度；采用自來水冷卻，則極易開裂。

本文采用水溶性淬火劑進行淬火冷卻。通過調(diào)整溶液的濃度，可以很大范圍內(nèi)調(diào)整其冷卻能力，見圖8和表4，使用溫度為25～45 ℃，冷卻能力介于油、水之間，從而滿足選換檔搖臂撥頭產(chǎn)品淬火后不開裂，硬度符合技術要求。

圖8 淬火液冷卻特性曲線Fig.8 Cooling characteristic curve of quenching liquid

表4 淬火劑的冷卻特性Table 4 Cooling characteristic of quenching agent

3 分析

通過球化退火、冷鐓成型、高頻淬火層深、高頻淬火介質(zhì)等工藝改進后，選換檔搖臂撥頭由50%合格率提升至99.9%，消除了淬火開裂源，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量。選換檔搖臂撥頭經(jīng)高頻淬火+回火后表面組織為細馬氏體組織，心部組織為珠光體，見圖9。按標準JB/T 9204—2008《鋼件感應淬火金相檢驗》評定，高頻淬火、回火后表面組織4～6級，完全符合圖紙和標準的要求。

圖9 高頻淬火+回火后金相組織(400×)Fig.9 Microstructure after high frequency quenching+tempering