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热处理:平衡的艺术
发布时间:2020-09-04   作者:潍坊丰东   已阅读:938次
热处理的定义就是通过温度的变化改变工件内部显微组织,进而获得理想性能的工艺,而工件的性能往往多种多样,有些性能还存在彼此之间的矛盾关系。例如我们经常遇到的强度和韧性,在一定范围内存在此消彼长的关系。因此,我们从教科书中得到的专业启蒙教育就是,如何借助于热处理工艺获得良好的强韧性搭配。
一、齿轮类零件的平衡关系
就齿轮类零件而言,基于其复杂的受力状态,强度和韧性无疑是最基本、最重要的性能,我们在要求轮齿表面具有高硬度、高疲劳强度的同时,还应该具备良好的冲击韧性,尤其是对于承受冲击载荷的越野车辆、工程机械齿轮,以及自然条件和载荷多变的风电齿轮等。因此,我们将“刚柔并济、内外兼修”作为齿轮热处理的最高境界。
要接近或趋向于上述目标,需要斟酌的因素,或者说要处理的平衡关系很多,其中包括:
(1)表面硬度的确定
根据表面耐磨性、脆性甚至磨削性能的要求,大部分齿轮的表面硬度控制在58~62HRC的范围。
(2)心部硬度的选择
有研究表明,齿轮心部硬度处于38HRC附近时,具有最好的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度,在确定心部硬度范围时,还需平衡齿轮模数、材料淬透性以及变性倾向的关系。
(3)硬化层深度的确定
目前一般取15%~25%Mn作为有效硬化层深度,这里需要掌握的一个平衡关系,就是节圆位置与齿根位置的硬化层匹配关系。为了避免两处的硬化层深度相差悬殊,有些企业标准中明确规定,齿根拐角处硬化层深度不得低于节圆初深度的70%。如美国EATON公司就明确规定,有效硬化层以轮齿节圆为准,允许齿根比节圆处最多浅30%。
(4)表层中残留奥氏体数量的问题
残留奥氏体作为亚稳组织不仅影响表面硬度,也存在着由于后续转变而影响工件尺寸和形状变化的问题,因此,某些精密零件就有通过深冷处理而减少或消除残留奥氏体的要求。但是残留奥氏体组织并非一无是处,它在吸收内应力能量,阻滞微裂纹扩展,提高断裂韧性方面的积极作用也是明确的,因此,有专家建议,将齿轮表层的残留奥氏体量控制在16%~19%的水平。
国外残留奥氏体与马氏体组织是分别要求的,而且往往只有残留奥氏体的要求,并无马氏体的要求。残留奥氏体级别用百分比来表示,对于汽车、工程机械齿轮来说,残留奥氏体量应低于20%,相当于国内标准的3级,也有要求低于10%的情况,相当于国内标准的2级。
(5)低温回火处理
渗碳淬火后低温回火处理非常重要,稍有不慎,就会前功尽弃。常规回火温度为180~200℃,但是由于担心表面硬度等不达标,国内齿轮厂家普遍采用较低的回火温度,有的已经低于160℃。
较低的温度如果再加上保温时间不够,就难以消除硬化层内的残留应力,这样的齿轮往往是硬度有余,而韧性不足,在以后服役条件下容易出现断齿、崩角等严重质量事故,有的齿轮轴在校直时就出现裂纹。
事实上,回火时虽然马氏体中析出的碳化物造成硬度下降,但与此同时残留奥氏体会转变成新的马氏体或贝氏体,同时增加表面压应力,表面硬度未必有明显降低。有人统计,200℃和230℃回火,无论是在表面硬度、硬化层强度,还是表面压应力方面都不会是质的变化。相反,在硬度相近的情况下,经过略高温度回火的零件,冲击韧性更佳,这与调质时所谓高淬高回能得到更佳综合力学性能的道理是一样的。
同高空走钢丝一样,热处理过程充满变数、风险和挑战,经常是多因一果,把握平衡非常重要,如果顾此失彼,避重就轻,往往会因为失衡而导致不理想的结果,甚至满盘皆输。
热处理技术人员经常遇到的难题就是处理各种复杂的关系,如原材料与工艺,工艺与设备,内在质量与外在质量,热加工与冷加工等,分析主要矛盾,利用现有条件,达到理想结果,体现着热处理技术人员的智慧与经验。
材料热处理作为一项工程技术,既有科学的一面,又有艺术的属性,也许这正是这个专业的魅力所在。



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