齒輪的熱處理,如整體熱處理、表面熱處理及化學熱處理等均需要通過加熱和冷卻的過程。因此,不可避免地造成齒輪內部產生熱應力和組織應力。但其中最容易造成畸變的是淬火過程,由于淬火過程中組織比體積變化大、加熱溫度高、冷卻激烈等,因此導致畸變的因素較多。
工件因冷卻不均勻,產生翹曲畸變,其畸變趨勢取決于當時的熱應力、組織應力和體積畸變量的大小。當熱應力作用占主導時,工件向快冷面凸起;反之,以組織應力占主導時,使慢冷面凸起。冷卻速度越快,造成冷卻不均勻程度越嚴重,則翹曲畸變越顯著。實踐證明,形狀不對稱工件,無論什么鋼種,在完全淬硬的情況下,若采用水或鹽水淬火,多數(shù)是冷卻快的一面凸起;如果油淬或硝鹽分級淬火,則多是慢冷面凸起。顯然,前者是因為水的冷卻速度快,熱應力顯著;后者則組織應力顯著,因此產生了完全相反的畸變。
為了減小工件熱處理畸變,應盡量減小熱處理應力。為了避免裂紋產生,應預防工件中出現(xiàn)較大的拉應力,即淬火過程應盡可能減少組織應力,或者增加熱應力也可以達到同樣的目的。
1.熱應力引起的畸變及其畸變規(guī)律
熱應力引起的畸變主要發(fā)生在熱應力產生的初期,這時工件內部處在塑性較好的高溫狀態(tài)。因此,當初期的熱應力(表層為拉應力、心部為壓應力)超過鋼在該溫度下的屈服強度時即發(fā)生塑性畸變。
(1)加熱時產生的熱應力引起的畸變
工件入爐加熱時,其表面受熱而產生膨脹,加熱溫度越高,材料的線膨脹系數(shù)越大,則膨脹量越大。
對于熱處理畸變要求較小的工件,為了減小加熱時產生的熱應力,工件應先經過預熱再逐步加熱到高溫。即使對于溫度低、畸變小的滲氮工藝,緩慢升溫常常也是保證減小齒輪畸變的有效方法之一。
(2)冷卻時產生的熱應力引起的畸變
工件冷卻時所產生的熱應力比其加熱時所產生的熱應力,對熱處理畸變的影響更大。特別是碳鋼工件在鹽水中冷卻時,由于溫差大,熱應力往往是造成工件畸變的主要原因。
(3)熱應力引起的畸變規(guī)律
加熱溫度越高,熱應力越大,畸變越大;工件截面積越大,畸變越大;鋼的導熱性越差,畸變越大;冷卻速度越快,畸變越大。熱應力造成工件的畸變規(guī)律如下:①沿最大尺寸方向收縮,沿著最小尺寸方向伸長;②平面凸起,直角變鈍角,趨于球形;③外徑脹大,內徑縮小。
2.組織應力引起的畸變及其畸變規(guī)律
(1)組織應力引起的畸變
組織應力引起的畸變,即影響工件體積的主要因素,其是由于相變所引起的比體積變化造成的。
由于各種組織的比體積不同,在淬火加熱和冷卻過程中必然發(fā)生體積的變化。這種畸變的特點是工件的各部分尺寸按比例同速率的膨脹或收縮,并不改變工件的外形。表1為碳鋼淬火、回火后因組織改變而引起的體積變化。由表可以看出,淬火時原始組織為球狀珠光體轉變?yōu)轳R氏體或下貝氏體組織使體積脹大;而奧氏體使體積縮小。回火時馬氏體分解,體積也縮小。鋼中不同組織的線膨脹系數(shù)見表2。
表1 碳鋼淬火、回火后的體積變化
組織變化 | 體積變化(%) |
球狀珠光體→奧氏體 | -4.64+2.21 WC |
奧氏體→馬氏體 | +4.64-0.53 WC |
球狀珠光體→馬氏體 | +1.68 WC |
奧氏體→下貝氏體 | +4.64-1.43 WC |
球狀珠光體→下貝氏體 | +0.78 WC |
奧氏體→上貝氏體 | +4.64-2.21 WC |
球狀珠光體→上貝氏體 | 0 |
馬氏體→WC=0.25%馬氏體+ε-碳化物 | +0.22-0.88 WC |
注:WC—表示溶入各組織中碳的質量分數(shù)(%)。
表2 鋼中不同組織的線膨脹系數(shù)
組織 | 奧氏體 | 鐵素體 | 滲碳體 | 珠光體 | 石墨 |
αl [×10-6mm/(mm·℃)] | 17.0~24.0 | 12.0~12.5 | 6.0~6.5 | 10.0~11.0 | 7.5~8.0 |
馬氏體轉變時的體積變化,與淬火鋼馬氏體中的含碳量有關,如表3所示。通過表可以看出,鋼中含碳量越高,則轉變馬氏體時的比體積變化越大,即膨脹量大。另外,鋼中碳化物的分布也與畸變有關,即碳化物的不均勻分布往往能夠增大畸變程度。
表3 馬氏體轉變時的體積變化與含碳量的關系
WC(%) | 馬氏體的密度/ g·cm-3 | 退火態(tài)的密度/ g·cm-3 | 生成馬氏體的 體積變化(%) |
0.1 | 7.918 | 7.927 | +0.113 |
0.3 | 7.889 | 7.921 | +0.401 |
0.6 | 7.840 | 7.913 | +0.923 |
0.85 | 7.808 | 7.905 | +1.227 |
1.0 | 7.778 | 7.901 | +1.557 |
1.3 | 7.706 | 7.892 | +2.376 |
注:WC—淬火鋼馬氏體中的含碳量(質量分數(shù),%)。
馬氏體轉變時的體積變化將產生不同的相變畸變量,這就可能造成畸變。這種畸變即使不在熱處理完成之后就立即產生,也會在隨后任何一個機加工工序中產生。
組織應力的產生是起源于工件體積的收縮和膨脹。因此,組織應力和體積膨脹是同時起作用的。
奧氏體中的含碳量越多,畸變越大;形成的馬氏體量越多,畸變越大;殘留奧氏體和未溶解碳化物越少,畸變越大。
(2)對組織應力的分析
工件體積的變化常常與加熱和冷卻密切相關,由于它和鋼的膨脹系數(shù)有關。當鋼的組織由鐵素體轉變?yōu)閵W氏體時,則體積會有所收縮;當鋼的組織由奧氏體轉變?yōu)殍F素體和馬氏體時,則體積又會脹大。這是因為馬氏體與鐵素體和滲碳體所構成的組織相比,其比體積較大。比體積的變化導致長度的變化。而長度的變化是很容易反映出來的。即是工件尺寸與形狀的變化。
熱處理的不同工序、工部所引起的組織轉變造成的畸變原因分析,如表4所示。
表4 不同熱處理工序、工部的組織轉變造成的畸變原因分析
工序 | 工部 | 體積畸變 | 形狀畸變 |
硬化 | 加熱并在奧氏體狀態(tài)下保溫 | 奧氏體形成,碳化物溶解 | 熱應力的產生,熱應力的松弛 |
淬火 | 馬氏體形成,非馬氏體的產生 | 熱應力、組織應力、殘留應力的誘導 | |
冷處理 | 在0℃下冷處理,并保持一定的時間,再恢復到室溫 | 馬氏體的轉變 | 熱應力、組織應力、殘留應力的影響 |
回火 | 加熱到回火溫度,并保持一定時間,再冷卻到室溫 | 馬氏體的分解,殘留奧氏體的轉變 | 應力的消除,熱應力、殘留應力的影響 |
(3)組織應力引起的畸變規(guī)律
組織應力引起的畸變方向與熱應力相反,其畸變規(guī)律如下:①沿最大尺寸方向伸長,沿著最小尺寸方向縮小;②平面凹下,直角變尖角;③外徑縮小,內徑脹大。
應當指出,在具體到一定形狀和尺寸的工件,熱應力和組織應力共同作用下造成的畸變是非常復雜的,因此應具體情況具體分析。碳素鋼液態(tài)介質淬火冷卻時,熱應力的作用突出。合金鋼油冷淬火時,組織應力作用突出。分級淬火或等溫淬火時,熱應力起主導作用,組織應力則較小。
在熱應力與組織應力作用下的幾種典型工件的外形和尺寸變化見表5。表中列出的一些簡單形狀工件在均勻冷卻情況下,因單一因素發(fā)生畸變的一般規(guī)律。事實上工件淬火時因熱應力引起的形狀畸變和組織轉變引起的體積畸變交織在一起,并因鋼材、工件形狀尺寸及工藝操作等不同,表現(xiàn)有不同的畸變傾向。
3.熱應力與組織應力共同作用引起的畸變
以上所說的是單純由熱應力或組織應力所引起的畸變,這在正常生產中是不多見的。實際上,工件在淬火時,既有熱應力的影響,又有組織應力的影響。其畸變也是熱應力與組織應力共同作用的結果。不過有時是以熱應力為主,有時則是以組織應力為主。同時,還將受到其他因素的影響。然而,究竟產生趨向于何種形式的畸變,其材料的淬透性和鋼材Ms點的位置具有重要影響。而二者又取決于鋼的成分等。
對于屈服強度較高的工件,淬火未淬透時,冷卻初期,表層冷速較快而發(fā)生較大的收縮,卻因心部較慢收縮而受到阻礙,從而使表層具有拉應力,心部承受壓應力作用。將引起表層的塑性拉伸畸變。在隨后的冷卻過程心部溫度也下降較快造成應力反向,心部發(fā)生了奧氏體→珠光體轉變,又進一步增大了表層的塑性畸變。當表層溫度降至Ms點以下時,即發(fā)生馬氏體轉變而加速了應力反向,表層的膨脹使心部顯現(xiàn)拉應力狀態(tài),如超過其屈服強度時,就產生伸長(脹大)的畸變,即傾向于組織應力型的畸變。對于高碳鋼來說,因Ms點較低,屈服強度高,一般只發(fā)生冷卻初期的熱應力型的畸變,即趨于球形化。
對于一般結構鋼來說,Ms點較高,屈服強度較低。因而淬透性越好的鋼,其表層的相轉變引起心部塑性拉伸畸變就越顯著。即承受熱應力與組織應力的綜合作用,產生以組織應力為主的相變畸變。
對于淬透性良好的鋼材,進行淬透淬火時,冷卻的初期,即表層和心部都在Ms點以上時,表層急冷收縮受內部的阻礙而產生拉應力,心部受壓應力作用。當表層冷至Ms點以下,發(fā)生馬氏體轉變而進行膨脹,卻受到心部的限制,因而加速了應力反向,使心部受拉應力作用,并導致組織應力型的相變畸變。當心部也冷至Ms點以下時,心部發(fā)生馬氏體轉變時便發(fā)生再度的應力反向,使表層具有拉應力,心部受壓應力作用。
來源:熱處理生態(tài)圈
