彈性軸承座內(nèi)環(huán)(以下簡稱“內(nèi)環(huán)”)是某飛機(jī)發(fā)動機(jī)上的零部件,在工作過程中,存在不斷滑動、滾動等相對運(yùn)動過程,并與其他零件之間有摩擦,同時還承受了一定的交變彎曲應(yīng)力和接觸疲勞應(yīng)力,有時還會有一定的沖擊力,工作條件非常惡劣。與服役條件相對應(yīng),該零件常見的失效形式有過量磨損、表面剝落、斷裂等。因此,對該零件的技術(shù)要求是表面具有高硬度、高耐磨性、高接觸疲勞抗力。因為碳氮共滲層比滲碳層有更高的硬度、耐磨性、耐蝕性、彎曲強(qiáng)度和疲勞接觸強(qiáng)度,但一般碳氮共滲層比滲碳層淺,所以一般用于承受載荷較輕、要求高耐磨性的零件。因此,對內(nèi)環(huán)采用碳氮共滲淬火,以獲得高的表面硬度,以及較高的尺寸精度。內(nèi)環(huán)采用的材料是12Cr2Ni4A鋼,具有高的淬透性,經(jīng)碳氮共滲淬火加低溫回火后,不但表面有很高的硬度,且心部強(qiáng)度和韌性、塑性匹配很好。這種材料可廣泛用于制造各種發(fā)動機(jī)重要受力耐磨零件,如分氣雙齒輪、彈性傳動齒輪、主動齒輪、從動齒輪,以及各種軸、銷子、活塞和滾動軸等。該零件在碳氮共滲淬火時,對變形控制有嚴(yán)格要求,但由于零件本身特點(diǎn)(壁薄)以及壓力機(jī)淬火操作有一定難度等原因,使零件容易產(chǎn)生變形。本文主要針對內(nèi)環(huán)碳氮共滲淬火后的變形以及導(dǎo)致的硬度偏低問題,通過采取淬火前試套芯模,改變零件裝爐方式,以及加工完后校正的方法,來改善內(nèi)環(huán)的碳氮共滲淬火質(zhì)量。
一、熱處理工藝及存在問題
內(nèi)環(huán)的整體加工路線:下料→粗加工、切試料→機(jī)械精加工→碳氮共滲淬火→機(jī)械精加工→最終檢驗。內(nèi)環(huán)零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 軸承座內(nèi)環(huán)零件結(jié)構(gòu)
(注:括號內(nèi)為零件的最終尺寸)
內(nèi)環(huán)熱處理主要工藝參數(shù)如下。1)碳氮共滲:830℃±10℃,保溫6~8h,丙酮50~100滴/min,氨氣2.0~3.0L/min,碳勢0.85%±0.05%(在滴注式井式滲碳爐中進(jìn)行)。2)淬火:零件綁扎好裝進(jìn)固體滲碳劑保護(hù)箱中加熱至810℃±10℃,保溫70~100min(在箱式爐內(nèi)進(jìn)行),然后套入芯模,采用壓力機(jī)淬火。3)冷處理:-60℃保持2.5~3h,空冷(在低溫箱內(nèi)進(jìn)行)。4)回火:回火溫度為160℃±10℃,保溫2.5~3h,空冷(在井式回火爐中進(jìn)行)。內(nèi)環(huán)熱處理后的技術(shù)要求:表面硬度≥90HR15N,心部硬度32~45.5HRC,
mm熱處理后平均值為
mm,平面度≤0.15mm。
目前,內(nèi)環(huán)經(jīng)過碳氮共滲、淬火后,通常會發(fā)生以下的質(zhì)量問題:1)內(nèi)環(huán)碳氮共滲后產(chǎn)生嚴(yán)重變形,以至于熱處理后內(nèi)環(huán)內(nèi)徑尺寸由
mm變形為
mm,超過要求范圍。2)彈性軸承座進(jìn)行壓力機(jī)淬火時,零件難以套入芯模,影響淬火質(zhì)量,使零件硬度不合格。由于以上兩種不合格現(xiàn)象會經(jīng)常性發(fā)生,不符合生產(chǎn)要求,造成零件返修,甚至報廢,嚴(yán)重影響科研生產(chǎn)進(jìn)度,因此很有必要對此零件的熱處理缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析研究,以求找到合理的解決措施。
二、原因分析
變形的實質(zhì)是零件內(nèi)應(yīng)力釋放,如果釋放的應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度,就會發(fā)生永久性變形。零件的熱處理變形主要是熱處理應(yīng)力造成的,熱加工應(yīng)力主要體現(xiàn)在以下幾個方面。1)加熱冷卻速度不同,形成的溫度梯度造成了熱應(yīng)力。2)表面與心部及不同截面區(qū)域之間的相變先后不等時造成的組織應(yīng)力。3)不同相的組織比容不同引起的相變應(yīng)力。但零件的結(jié)構(gòu)形狀、原材料質(zhì)量、熱處理前的加工狀態(tài)、零件的自重以及零件在爐中加熱和冷卻時的支承或夾持不當(dāng)?shù)纫蛩匾矔?dǎo)致變形。內(nèi)環(huán)在碳氮共滲過程中引起的變形原因如下。1)在碳氮共滲裝爐時,是直接將內(nèi)環(huán)放在平板上,沒有采取任何固定措施。2)碳氮共滲設(shè)備為滴注式井式滲碳爐,在碳氮共滲過程中,電動機(jī)帶動風(fēng)扇旋轉(zhuǎn),使?jié)B劑在爐內(nèi)均勻分布,便于零件吸收,但同時也會引起坩堝的振動,使零件之間難免有輕微的碰撞和相互擠壓的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致零件變形。3)內(nèi)環(huán)進(jìn)行碳氮共滲時,產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力,也會使零件產(chǎn)生一定的變形。2.3 導(dǎo)致內(nèi)環(huán)硬度偏低的原因分析內(nèi)環(huán)在淬火過程中引起的硬度偏低原因如下。1)由于在碳氮共滲時零件已產(chǎn)生變形,導(dǎo)致淬火時零件難以套進(jìn)芯模(要求零件端面2個耳環(huán)狀的截面必須對正芯模的兩個寬面),如圖2所示。
圖2 零件壓力機(jī)淬火
2)零件厚度較薄,只有2mm,易冷卻收縮,如果淬火轉(zhuǎn)移速度慢或不能快速開啟壓力機(jī)的油冷卻系統(tǒng),會影響淬火速度,從而最終影響零件的硬度,造成零件硬度偏低。
三、改進(jìn)方法
1)校正碳氮共滲平板,使零件能平穩(wěn)地放在平板上,并且零件放在平板上后,采取固定措施,即用一根小鐵絲將彈性軸承座內(nèi)環(huán)兩端固定,且兩零件之間保持一定間距,使之在共滲過程中,避免由于電動機(jī)的振動造成零件之間互相碰撞或擠壓,從而減少變形。2)對于彈性軸承座在碳氮共滲時因為熱應(yīng)力、組織應(yīng)力不可避免產(chǎn)生的變形,我們采取碳氮共滲后立即對其進(jìn)行校正的方法,以確保零件尺寸合格。1)根據(jù)零件碳氮共滲后容易產(chǎn)生變形,導(dǎo)致零件淬火時套不進(jìn)芯模的情況,采取在淬火前先將零件進(jìn)行校正,然后試套淬火芯模,確保校正效果,以便零件在淬火時能快速套進(jìn)芯模,從而在保證零件尺寸合格的同時硬度也符合要求。2)該零件淬火時,不僅要求轉(zhuǎn)移速度快(由于該零件批量小,零件也比較小,為保證零件淬火質(zhì)量,常采用手工轉(zhuǎn)移,正常情況下5s以內(nèi)就能完成轉(zhuǎn)移),而且零件的2個耳環(huán)必須套進(jìn)芯模的兩寬面。以前裝爐時,零件在保護(hù)箱中隨意擺放,導(dǎo)致淬火時夾出零件還得調(diào)整耳環(huán)位置,延緩了淬火時間,現(xiàn)在采取裝爐時零件2個耳環(huán)朝同一方向固定擺放,而芯模兩寬面也根據(jù)零件擺放方向擺放好,這樣大大加快了淬火時的轉(zhuǎn)移速度,確保了零件的硬度。
四、結(jié)果與討論
通過碳氮共滲淬火質(zhì)量改進(jìn)措施的實施和控制,統(tǒng)計了三批碳氮共滲淬火零件,對零件的硬度、平面度和內(nèi)徑尺寸進(jìn)行了檢測,結(jié)果見表1。
表1 改進(jìn)后內(nèi)環(huán)檢測結(jié)果
由表1可知,三批零件的表面硬度、心部硬度以及平面度和變形量完全符合技術(shù)要求,徹底解決了原來零件碳氮共滲淬火后硬度偏低及內(nèi)孔變形超差的問題,消除了零件經(jīng)常返修甚至報廢等嚴(yán)重質(zhì)量問題。
作者:盧銳,柯文敏,張朝銘,吳超,湯俊禮
單位:中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司
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