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雨刮轴热处理工艺探析

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摘要:对比几种不同的热处理工艺,通过选择合适的感应线圈,选用PAG水溶性淬火剂并匹配PAG水溶性淬火剂浓度,同时改进最终高频淬火工艺,使轴的相关性能满足产品要求。

关键词:高频淬火工艺;PAG水溶性淬火剂;PAG水溶性淬火剂浓度;感应线圈

雨刮轴主要用于传递刮水器电机输出力矩给雨刮机构直至雨刮臂,轴材料一般为SAE1144或40Cr,但轴螺纹处抗扭力矩设计要求大于30N.m且无损伤。在不经过任何处理方式的情况下,轴螺纹抗扭力矩是不能满足设计要求的。

1选择热处理工艺

热处理工艺就是将材料在固态下通过加热、保温和冷却,使其内部组织结构发生变化,以获得预期的性能。但是,热处理工艺有很多种,如退火及正火、淬火、回火及失效、表面淬火、化学热处理、形变热处理,采取何种热处理方式更经济更适用,且又能满足产品要求呢?为此,采取了三种方案加工雨刮摆轴:①采用SAE1144经过高频淬火;②采用SAE1144经过调质处理;③采用40Cr材料经过调质处理。三种方案存在的问题:第一种方案经济实惠,就现有的设备及加工工艺,采取目前的相关设备仪器及工艺方法加工的零件螺纹处力矩没有到达要求就脆断,滚花处经过铆接后,淬火层掉块,扭矩不满足设计要求;第二种方案加工工艺流程冗长,调质处理需要外委,加工周期长,半成品堆积时间长,而且扭矩达不到设计要求,零件还有脆断的风险;第三种方案扭矩虽然能满足设计要求,但是零件还有脆断的风险,而且调质处理需要外委,加工周期长,产品产量大,半成品堆积时间长。分析三种方案存在的问题,结合生产现状,为了减少物流环节,降低生产成本,合理使用高效设备和启用闲置设备即高频淬火炉,必须采用第一种方案。

2热处理高频淬火工艺可行性的分析及工艺存在问题

2.1高频淬火工艺可行性的分析

(1)高频淬火的原理是将工件放在感应器中,当感应器中通过交变电流时,在感应器周围产生与电流频率相同的交变磁场,在工件中相应地产生了感应电动势,在工件表面形成感应电流,即涡流。这种涡流在工件的电阻作用下,电能转化为热能,使工件表面温度达到淬火加热温度,可实现表面淬火。采用高频淬火有如下优点:①热源在工件表层,加热速度快,热效率高。②工件因不是整体加热,变形小,可以用在零件精加工后进行。③工件加热时间短,表面氧化脱碳量少。④工件表面硬度高,缺口敏感性小,冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性等均有很大提高。有利于发挥材料的潜力,节约材料消耗,提高零件使用寿命。

(2)对材料成分适用于高频淬火可行性进行分析,通过对SAE11144材料成本的分析,该材料含碳量为0.37%-0.45%之间,还有Mn、P、S、Si等,属于中碳易切削钢,完全可以采用高频淬火。该材料高频淬火后的最终热处理分析,高频处理将材料零件加热到临界点以上某一温度(相当于45号钢淬火温度为840-860℃,),保持一定的时间,得到奥氏体,然后以适当的冷却速度获得马氏体组织。马氏体组织是钢经淬火后获得的不平衡组织,它的硬度高,但塑性、韧性差,因此必须经过回火处理,为了不降低钢的硬度,以及厂内现有回火设备,采用低温回火主要是消除内应力,降低钢的脆性。回火温度初选择165℃~178℃,在这个温度回火可以得到回火马氏体。

2.2工艺中存在问题

(1)确定高频淬火的有效区域。作为高频淬火的有效区域的依据是:根据产品使用情况,螺纹及滚花处是需要承受抗扭力矩的,需要进行高频处理为高频有效区域外,其余部分不需要进行高频淬火,原材料就能满足产品性能要求。

(2)高频淬火硬化层深度分析,一般硬化层深度δ=(10~20)%D,D为工件的有效直径,因此取硬化层深度δ=(10~20)%D=(0.1~0.2)×6=0.6~1.2,取中间值0.9,经过对高频设备参数的摸索及加工经济性,采用功率1、功率3都不满足硬化层深度要求,只有功率2,刻度对8满足要求。

(3)初步实施高频淬火,采用目前使用的感应线圈,淬火剂为水淬,回火设备,调试程序参数:采用功率2,刻度对8,走刀速度600~800,加热停顿时间1s,高频有效区按图示进行,回火温度165℃~178℃,保温2~2.5小时,虽说硬化层深度约0.8mm,高频有效区域硬度分布为HRC37~57,虽然轴螺纹处力矩有所提高,但有10%脆断的风险,硬度分布范围大,还是不满足图纸要求。

(4)通过上述验证和查阅相关高频淬火技术资料;1、轴螺纹经过高频淬火后脆断原因:①采用高频感应电流快速对材料进行加热,使零件表层瞬间形成奥氏体,由于加热后还要通过感应线圈才能冷却,因此在保温这段时间,奥氏体晶粒继续长大,过了感应线圈却又用水快速冷却,奥氏体晶粒越大,冷却后的组织越粗大,使材料的力学性能尤其是冲击韧性变坏。冷却速度快,会使钢中内应力增大,引起钢件的变形,甚至开裂。2、硬度不均匀原因:没有配备稳压电源,同时启用多台机床,电压不稳定造成。感应线圈与工件之间的间隙越大,热效率越低,还参杂空气气流,会导致加热扩散。

3高频淬火技术问题的改进及效果验证

3.1改进方案

(1)采购与雨刮摆轴匹配的感应线圈,理论要求间隙为1~3(不大于5),实际采购内径感应线圈与零件外径配合间隙在2.5-2.75之间。

(2)采购与SAE1144材料匹配的淬火剂(PAG水溶性淬火剂)。

(3)采购检测PAG水溶性淬火剂浓度的折光仪,用来控制剂浓度。

(4)配备稳压电源。

3.2实施方案

(1)控制程序:采用功率2,刻度对8,走刀速度600~700,螺纹处加热停顿时间1s,滚花加热处停顿时间2s,高频有效区按图示加工。

(2)配制淬火济浓度8%。

(3)回火温度:使用温度均匀的烘箱,零件放置于烘箱,随炉升问温至165℃~178℃,保温2~2.5h,取出零件,自然冷却。

(4)配备稳压电源。

3.3方案效果验证

硬度高频表面局部淬火后再经低温回火后,零件组织为淬硬层加心部组织,其中淬硬层又分为:表面层及过渡层,用金相显微镜测量淬硬层深度0.916mm,零件经过表面处理后,其各层的硬度是不同的,从表面、过渡层到心部,硬度逐渐降低。隐针状马氏体,一般中碳钢快速加热时,会得到极细的奥氏体晶粒,淬火之后得到极细的条状和片状马氏体的混合组织,在显微镜下看不出马氏体的形态特征,是一种隐针状马氏体,该马氏体具有优良的强韧性能,既有较高的强度,又有良好的塑性和韧性,其αk值和KIC值均比较高,冷脆性转变温度较低,在生产中是广为应用的理想淬火组织,是一种强韧化组织。对轴的螺纹力矩及滚花处力矩进行3个不同批次并每批次测试20件,轴螺纹抗扭力矩都能达到30N.m以上,滚花处力矩满足设计要求,且较为稳定。通过更改加热的感应线圈内径,增加适量的PAG水溶性淬火剂,以及更改回火参数,得到极细的条状和片状马氏体的混合组织,在显微镜下看不出马氏体的形态特征,是一种隐针状马氏体,该马氏体具有优良的强韧性能,既有较高的强度,又有良好的塑性和韧性,能使轴螺纹的抗扭力矩达到30N.m以上,满足设计要求,且较为稳定。

作者:杨治英 单位:贵阳万江航空机电有限公司

雨刮轴热处理工艺探析责任编辑:张雨    阅读:人次