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双面铣主轴套筒渗碳开裂原因分析

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贾啸天

(齐齐哈尔二机床(集团)有限责任公司)

  我公司生产的XS2010主轴套筒如附图所示,在渗碳后空冷过程中产生多处开裂,裂纹位于渗碳表面,多数裂纹长且直,与零件的轴线平行;少数裂纹连接后呈不等边U形,经机械加工磨削至零件公称尺寸后探伤,仍可见明显裂纹,致使零件报废。


主轴套筒示意

  一、设计要求及初始工艺流程

  材料:20CrMnTi,热处理:外圆、φ230J7孔及φ240J7孔S0.9-C58,工艺流程:锻造→正火→机加→时效→机加(外圆留1.5mm,各配合孔均留1.8mm)→渗碳→机加(粗磨外圆留0.9mm,各配合孔留1.5mm)→淬火精加工完成。

  由于主轴套筒最大有效壁厚46.5mm,套筒长度792mm,淬火时孔的冷却速度远小于外表面的冷却速度,而20CrMnTi的淬透性又较低,设计要求的硬度值高达C58,鉴于零件的有效厚度大,机油淬火达不到设计要求。因此,工艺选用盐水-油的双液淬火方法,以期达到设计要求。

  二、渗碳开裂原因分析

  鉴于双面铣主轴套筒是我厂龙门铣同类件的典型结构,工艺也属于典型工艺,我们对渗碳裂纹进行了分析:认为这种裂纹产生的位置、分布、形态及深度大于0.8mm的特征,是属于常发生在某些渗碳钢中的。如12CrNi3、20CrMnMo等,经初步分析确定为材料错。因此对零件取样,进行化学成分分析(见表1),结果表明,虽然C、Mn、Cr、Ti的含量符合20CrMnTi成分范围,但含有0.15%Mo、Ni量也超过国家标准。由此,确定主轴套筒开裂原因是材料问题。

  由于Mo、Ni的同时存在致使渗碳的冷却性能急剧变坏,在渗碳冷却过程中,表面首先转变形成托氏体+碳化物,次表面因过冷奥氏体稳定而未完成转变,在继续冷却的过程中转变形成马氏体,从而导致该层的体积膨胀,使表面的拉应力急剧增加。当拉应力超过零件的强度极限时,表面渗碳层开裂。而裂纹的深度由马氏体层的位置决定,这类裂纹的特点是呈网状及沿零件的纵向分布。

表1 化学成分分析(质量分数)(%)


  三、改进后的工艺设计及结果

  首先对补料的主轴套筒的化学成分进行分析,分析结果表明:主轴套筒的材料与第一批主轴套筒成份相似。因此,工艺决定参照20CrMnMo制定热处理工艺。确定采用渗碳后直接淬火+高温回火,以解决渗碳后空冷开裂问题。但因增加一次淬火,而且淬火变形远大于渗碳空冷的变形,我们在渗碳前各配合孔的加工余量增加至240J7、230J7的范围内。

  1.渗碳操作过程

  (1)炉温升至渗碳温度后装入工件,装炉后立即滴入煤油排气,在排气期间,试样孔始终打开,当炉温到达渗碳温度时开始计时,30min后排气阶段结束。

  (2)放入试样,关闭试样孔,调整煤油滴量工艺要求后,开始强渗,90min后,强渗完毕。

  (3)降低煤油滴量至工艺要求,保温450min,取第一枚试样,检测层深至工艺层深2.0mm时(60min为扩散至工艺层深的时间调整范围)进一步调整降低煤油滴量至工艺要求并保温60min(工艺进行二次扩散的目地:是为了获得合理的表面碳浓度及浓度梯度)。

  2.渗碳后冷却

  对于渗碳后空冷易于开裂的钢种,通常采用以下三种方法:

  (1)渗碳后随炉冷或在冷却罐中缓慢冷却,以保证整个渗层深度内获得均匀的珠光体组织。

  (2)渗碳后快速冷却,使渗碳层得到马氏体+残余奥氏体的组织,也能防止开裂。

  (3)渗碳后较快地冷却至150~200℃或450~500℃,将工件转移至650℃炉中进行高温回火,使之形成珠光体组织亦可防止开裂。

  我们实际采用第二种方法,即渗碳后快速冷却。

  3.结果

  主轴套筒淬火、回火的加热设备根据其重量、轮廓尺寸及几何形状分别确定为渗碳炉、回火炉。淬火冷却介质由于Mo、Ni的同时存在,提高了钢的淬透性。所以,淬火冷却介质改为盐水-油的双液淬火方法效果明显。至此,主轴套筒渗碳全部工序完成后,我们对其裂纹、硬度及变形情况进行了检测,结果如下:

  (1)主轴套筒渗碳的工艺结论

  主轴套筒是由外协厂家锻造完成,这是一种非标准渗碳钢,虽然C、Cr、Mn、Ti的含量为20CrMnTi,因含有0.15%Mo、0.30%Ni致使渗碳后冷却的工艺性能急剧变坏,采用渗碳后淬火+高温回火可保证零件的质量。

  (2)主轴套筒淬火的工艺结论

  外协厂家锻制的非标准渗碳钢,热处理的工艺关键是渗碳及渗碳后的冷却方法。而淬火工艺的顺利实现,则表示这类钢具有较好的淬火工艺性能。

  (3)关于淬硬性及淬火变形的工艺结论

  其一,淬硬性,外协厂家锻制的非标准渗碳钢具有较好的淬硬性,200℃回火后硬度可达55~60HRC。达到设计要求,满足套筒的工作条件,可以直接使用。

  其二,淬火变形。淬火变形是在主轴套筒回火后的平衡状态下,使用内孔千分表及游标卡尺测量完成的。渗碳后直接淬火各配合孔膨胀量约0.6mm,第二次淬火各配合孔膨胀量约0.4mm,外径膨胀量度0.3mm。

  其三,机械加工外径、内孔所需的加工余量。主轴套筒机械加工至设计精度要求的加工余量,应由以下三部分,即二次淬火的变形、二次检测误差、二次磨削内孔及外径的精度要求所组成。数值如下:

  内孔=0.6mm+0.4mm(淬火变形)+2×0.1mm(测量误差)+2×0.4mm(工艺磨量)=2.0mm

  外径=0.3mm+0.3mm(淬火变形)+2×0.1mm(测量误差)+2×0.3mm(工艺磨量)=1.4mm

  因此,确定套筒机械加工内孔的加工留量应为2.0mm,外径的加工留量应为0.6mm,二次淬火膨胀量约为0.8mm,所以外径的真实磨量约为1.2mm以上,足以保证机械加工至设计要求的精度。

  其四,合理的工艺渗碳层深度。主轴套筒设计要求层深为0.9mm,深度偏差为0.4mm,机械加工外径、内孔的加工余量是直径的留量,为渗层深度的一半,所以,热处理的渗碳层深为1.0mm+0.9mm+0.4mm=1.9+0.4mm。

  四、结语

  以上的工艺改进成功完成了主轴套筒的热处理工序,保证了生产的顺利进行,同时也填补了我公司大型渗碳件热处理工艺的空白。