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摘要:高淬透性材质,心部硬度高,脆性大,塑韧性小。由于热处理变形,导致产品在热处理后矫直困难,个别产品发生断裂。通过试验分析,调整结构上的应力集中,增加产品键槽圆滑过渡。设计新淬火工艺,降低产品心部硬度,提高其塑韧性,减少断裂问题发生,提高产品一次校直率。
关键词:脆性 矫直 热处理变形 断裂失效 心部硬度
在汽车、拖拉机和机械制造业中,20CrMnTiH钢主要用于制造齿轮。该钢冶炼时的淬透性控制要求为:①保证齿轮在随后的渗碳淬火时不产生热处理变形和淬火裂纹;②保证齿轮的心部具有足够的强度和适当的韧性,防止齿轮过早疲劳破坏[1]。国家标准GB5216-85“保证淬透性结构钢技术条件”给出的淬透性曲线带的J9处一般正常宽度均为12HRC,汽车厂向钢厂订货提出的要求是6-7HRC,甚至希望最好达到3-4HRC的宽度。我厂一中间轴产品,使用20CrMnTiH材质生产,在矫直过程中多个批次个别产品发生断裂,小部分产品矫直困难,即使加热辅助矫直也很难保证产品都能符合要求。对我厂产品进行了结构分析,断口分析,金相检测,并采取措施解决这一质量问题。
1 试验材料与断口分析
产品为某变速器中间轴,材料20CrMnTiH,其化学成分(质量百分数)为:
产品材质按GB/T4336检测,检测设备:直读光谱仪。
失效产品断口检测分析:宏观断口:轴的断裂部位发生在轴颈处(键槽与),断为两截,断裂面垂直于轴线方向,断口新鲜,在6.5X体式显微镜下观察,断裂源区是细瓷状断口,其余为粗大的放射状断口,是一次性脆性弯曲断裂特征。微观断口:用扫描电镜对断口进行微观分析,轴表面断裂源区为细瓷状断口,其余部位为解理断裂特征,未发现裂纹,夹杂等异常现象。材料和热处理质量符合相关技术要求。材料应控制缺陷,减少微观缺陷集中,产品减少应力集中。断裂破坏有两种常见的形式,即拉应力其主要作用引起的拉断和切应力起主要作用引起的剪断[2]。轴矫直断裂是由于弯曲应力大于大于其受能承受的最大应力,矫直困难是由于轴刚度较大,无塑性变形应力释放困难。轴部位键槽和附近加工刀痕,容易产生应力集中,而且缺陷或沟槽、台阶等形状越尖锐,材料强度越高,脆性越大[3]。断口分析表明断裂源区发生在轴的表面,当个别变形较大的轴在矫直时,载荷超过危险截面所能承受的最大载荷,发生一次脆性弯曲断裂。
2 试验方法
轴变形的影响因素,产品的对称性影响轴的变形趋势,加热和冷却均匀性影响轴变形的大小。故而产品外形和热处理设备一定,加热过程均匀性不变的情况下,轴弯曲变形的趋势无法改变,只能通过调整淬火冷却过程减少轴的弯曲变形量。20CrMnTiH是保证淬透性结构钢,他的淬透性有一定限制,批次之间变动较小,适合于大批量生产,变形规律比较稳定。由于高淬透性材料心部硬度普遍较高,脆性大塑韧性小,矫直过程困难,矫直力小轴弯曲不易矫直,矫直力大,轴易脆性断裂。利用其J9处心部硬度30-42HRC的特点,设计新的淬火程序,淬火时蒸汽膜阶段和沸腾阶段需要有足够的冷却能力,蒸汽膜要尽早破裂,以保证表面非马氏体符合标准要求,充足的中高温冷却能力保证零件的表面硬度、淬硬硬化层深符合图纸要求,降低低温阶段冷速,有效降低组织转变应力。通过分段式淬火程序,在保证产品金相质量的前提下,降低心部硬度使其更靠近下限,减少其弯曲变形倾向;减少马氏体转变量,降低心部硬度,减少弹性变形增加塑性变形,利于后期矫直。使用设备为AICHELIN环形连续炉,基础气氛为氮、甲醇,富化气为丙酮,在920℃,1.20%渗碳,好富顿G油淬火,竖直放置,满盘备料,不同批次随机抽样,其检测结果如下表2:
硬化层深检测按TES-003检测,检测设备:V氏硬度计MT90;表面和心部硬度按GB/T231-2002方法检测,检测设备:TH600布氏硬度计;组织和非马氏体检测按TES-003方法检测,检测设备:Olympus金相显微镜DX71。
3 试验结果与分析
从随即检测结果看,各项金相检测指标达到了试验预期目标,心部硬度普遍有所降低,D点心部硬度由40HRC降低到33HRC,基本达到了预期目标,接近其J9处30-42HRC的下限,且符合图纸要求。对后期矫直工序进行了多个批次跟踪,其变形与矫直情况如下:
工艺调整后产品弯曲变形量降低,一次矫直率提高至95%以上,减少了热校辅助,连续生产一年无断裂发生。由于热处理装炉生产的特点,总有部分位置加热和冷却过程中的状态较差,导致产品变形量也较大,但是产品的总体变形趋势得到改善,变形量在0.15mm以下的产品比重明显提高,通过产品结构圆角改进,热处理工艺改进等,产品矫直断裂得到有效解决,产品各项指标符合图纸,利于批量化生产。
适当降低产品心部硬度,增加产品塑韧性,可有效减少组织应力和热应力引起的轴弯曲变形,同时塑性变形可以钝化裂纹前沿,提高裂纹扩展门槛值[4],阻碍裂纹进一步扩展,减少产品断裂的风险。金属材料除了铸铁淬火高碳钢等少数脆性材料外,一般金属材料变形都有弹性变形,塑性变形和最后断裂三个过程[5]。当受力达到屈服极限,开始塑性变形。随着变形的增加,需要进一步加大外力,故而矫直过程中需要逐次加力,一次受力过大仍然存在断裂的风险。热处理淬火工艺的调整仅能减低硬度梯度,减少脆性,增加塑韧性,需要合理设计和优化产品结构;完善矫直工艺;保证材料非金属夹杂物,尤其是氧化物,硅酸盐与氮化物;减少偏析引起的组织和化学成分不均匀;良好的热处理金相质量等,只有如此才能更好的解决轴类产品矫直断裂的问题。
参考文献:
[1]刘翔.热处理工艺对20CrMnTi齿轮组织与性能的影响[J].科技资讯,2010,17:252-254.
[2]汤安民,王静.几种金属材料断裂形式变化规律的试验分析[J].实验力学,2003,18(4):440-444.
[3]朱智阳,董庆庆.20CrMnTi齿轮断裂原因分析[J].金属加工-热加工,2010.21:57-59.
[4]何子淑,梁益龙.疲劳裂纹扩展门槛值研究[J].贵州工业大学学报,2006,36(3):21-23.
[5]石德珂.材料科学与基础[M].北京:机械工业出版社,2003.7:323-324.
关键词:脆性 矫直 热处理变形 断裂失效 心部硬度
在汽车、拖拉机和机械制造业中,20CrMnTiH钢主要用于制造齿轮。该钢冶炼时的淬透性控制要求为:①保证齿轮在随后的渗碳淬火时不产生热处理变形和淬火裂纹;②保证齿轮的心部具有足够的强度和适当的韧性,防止齿轮过早疲劳破坏[1]。国家标准GB5216-85“保证淬透性结构钢技术条件”给出的淬透性曲线带的J9处一般正常宽度均为12HRC,汽车厂向钢厂订货提出的要求是6-7HRC,甚至希望最好达到3-4HRC的宽度。我厂一中间轴产品,使用20CrMnTiH材质生产,在矫直过程中多个批次个别产品发生断裂,小部分产品矫直困难,即使加热辅助矫直也很难保证产品都能符合要求。对我厂产品进行了结构分析,断口分析,金相检测,并采取措施解决这一质量问题。
1 试验材料与断口分析
产品为某变速器中间轴,材料20CrMnTiH,其化学成分(质量百分数)为:
产品材质按GB/T4336检测,检测设备:直读光谱仪。
失效产品断口检测分析:宏观断口:轴的断裂部位发生在轴颈处(键槽与),断为两截,断裂面垂直于轴线方向,断口新鲜,在6.5X体式显微镜下观察,断裂源区是细瓷状断口,其余为粗大的放射状断口,是一次性脆性弯曲断裂特征。微观断口:用扫描电镜对断口进行微观分析,轴表面断裂源区为细瓷状断口,其余部位为解理断裂特征,未发现裂纹,夹杂等异常现象。材料和热处理质量符合相关技术要求。材料应控制缺陷,减少微观缺陷集中,产品减少应力集中。断裂破坏有两种常见的形式,即拉应力其主要作用引起的拉断和切应力起主要作用引起的剪断[2]。轴矫直断裂是由于弯曲应力大于大于其受能承受的最大应力,矫直困难是由于轴刚度较大,无塑性变形应力释放困难。轴部位键槽和附近加工刀痕,容易产生应力集中,而且缺陷或沟槽、台阶等形状越尖锐,材料强度越高,脆性越大[3]。断口分析表明断裂源区发生在轴的表面,当个别变形较大的轴在矫直时,载荷超过危险截面所能承受的最大载荷,发生一次脆性弯曲断裂。
2 试验方法
轴变形的影响因素,产品的对称性影响轴的变形趋势,加热和冷却均匀性影响轴变形的大小。故而产品外形和热处理设备一定,加热过程均匀性不变的情况下,轴弯曲变形的趋势无法改变,只能通过调整淬火冷却过程减少轴的弯曲变形量。20CrMnTiH是保证淬透性结构钢,他的淬透性有一定限制,批次之间变动较小,适合于大批量生产,变形规律比较稳定。由于高淬透性材料心部硬度普遍较高,脆性大塑韧性小,矫直过程困难,矫直力小轴弯曲不易矫直,矫直力大,轴易脆性断裂。利用其J9处心部硬度30-42HRC的特点,设计新的淬火程序,淬火时蒸汽膜阶段和沸腾阶段需要有足够的冷却能力,蒸汽膜要尽早破裂,以保证表面非马氏体符合标准要求,充足的中高温冷却能力保证零件的表面硬度、淬硬硬化层深符合图纸要求,降低低温阶段冷速,有效降低组织转变应力。通过分段式淬火程序,在保证产品金相质量的前提下,降低心部硬度使其更靠近下限,减少其弯曲变形倾向;减少马氏体转变量,降低心部硬度,减少弹性变形增加塑性变形,利于后期矫直。使用设备为AICHELIN环形连续炉,基础气氛为氮、甲醇,富化气为丙酮,在920℃,1.20%渗碳,好富顿G油淬火,竖直放置,满盘备料,不同批次随机抽样,其检测结果如下表2:
硬化层深检测按TES-003检测,检测设备:V氏硬度计MT90;表面和心部硬度按GB/T231-2002方法检测,检测设备:TH600布氏硬度计;组织和非马氏体检测按TES-003方法检测,检测设备:Olympus金相显微镜DX71。
3 试验结果与分析
从随即检测结果看,各项金相检测指标达到了试验预期目标,心部硬度普遍有所降低,D点心部硬度由40HRC降低到33HRC,基本达到了预期目标,接近其J9处30-42HRC的下限,且符合图纸要求。对后期矫直工序进行了多个批次跟踪,其变形与矫直情况如下:
工艺调整后产品弯曲变形量降低,一次矫直率提高至95%以上,减少了热校辅助,连续生产一年无断裂发生。由于热处理装炉生产的特点,总有部分位置加热和冷却过程中的状态较差,导致产品变形量也较大,但是产品的总体变形趋势得到改善,变形量在0.15mm以下的产品比重明显提高,通过产品结构圆角改进,热处理工艺改进等,产品矫直断裂得到有效解决,产品各项指标符合图纸,利于批量化生产。
适当降低产品心部硬度,增加产品塑韧性,可有效减少组织应力和热应力引起的轴弯曲变形,同时塑性变形可以钝化裂纹前沿,提高裂纹扩展门槛值[4],阻碍裂纹进一步扩展,减少产品断裂的风险。金属材料除了铸铁淬火高碳钢等少数脆性材料外,一般金属材料变形都有弹性变形,塑性变形和最后断裂三个过程[5]。当受力达到屈服极限,开始塑性变形。随着变形的增加,需要进一步加大外力,故而矫直过程中需要逐次加力,一次受力过大仍然存在断裂的风险。热处理淬火工艺的调整仅能减低硬度梯度,减少脆性,增加塑韧性,需要合理设计和优化产品结构;完善矫直工艺;保证材料非金属夹杂物,尤其是氧化物,硅酸盐与氮化物;减少偏析引起的组织和化学成分不均匀;良好的热处理金相质量等,只有如此才能更好的解决轴类产品矫直断裂的问题。
参考文献:
[1]刘翔.热处理工艺对20CrMnTi齿轮组织与性能的影响[J].科技资讯,2010,17:252-254.
[2]汤安民,王静.几种金属材料断裂形式变化规律的试验分析[J].实验力学,2003,18(4):440-444.
[3]朱智阳,董庆庆.20CrMnTi齿轮断裂原因分析[J].金属加工-热加工,2010.21:57-59.
[4]何子淑,梁益龙.疲劳裂纹扩展门槛值研究[J].贵州工业大学学报,2006,36(3):21-23.
[5]石德珂.材料科学与基础[M].北京:机械工业出版社,2003.7:323-324.