轉(zhuǎn)向連接銷熱處理工藝研究

楊光偉 李明哲 孫少權(quán) 李 旭 莊稼稔

（1.長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校；2.一汽解放汽車有限公司）

1 前言

某重型載貨汽車前橋上的轉(zhuǎn)向連接銷（40CrH）起著固定轉(zhuǎn)向機(jī)與前梁的作用，承受著高強(qiáng)度的切應(yīng)力及交變沖擊載荷應(yīng)力，如果其失效將造成嚴(yán)重的交通事故。

在生產(chǎn)過程中，為滿足對轉(zhuǎn)向連接銷金相組織的要求，在選擇淬火溫度時，采用了40CrH材料常用淬火溫度的下限溫度，并以清水作為淬火介質(zhì)。雖然采取上述工藝后金相組織達(dá)到了技術(shù)要求，但相應(yīng)的淬火裂紋也隨之出現(xiàn)，盡管在生產(chǎn)中嚴(yán)格控制淬火溫度及水溫，但淬火裂紋仍不斷發(fā)生，這說明選用清水作為冷卻介質(zhì)是不合適的，因?yàn)樗睦鋮s速度過快。如何既消除淬火裂紋缺陷，又能滿足零件金相組織要求，選擇合適的淬火溶液是關(guān)鍵。根據(jù)水溶性淬火溶液的冷卻特性，通過調(diào)整其濃度可使它的冷卻速度低于水或高于淬火油，為此，采用水溶性淬火溶液作為轉(zhuǎn)向連接銷的淬火介質(zhì)，以便解決現(xiàn)生產(chǎn)中遇到的淬火裂紋問題。

2 試驗(yàn)零件及技術(shù)條件

2.1 轉(zhuǎn)向連接銷尺寸

試驗(yàn)用轉(zhuǎn)向連接銷外形尺寸如圖1所示。

2.2 技術(shù)條件

試驗(yàn)用轉(zhuǎn)向連接銷的技術(shù)條件見表1。

表1 轉(zhuǎn)向連接銷技術(shù)條件

3 試驗(yàn)設(shè)備及檢驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用推桿式連續(xù)調(diào)質(zhì)線，該調(diào)質(zhì)線中的T-240型淬火爐共分3個加熱區(qū)，爐內(nèi)分布18個料盤，靠液壓油缸實(shí)現(xiàn)進(jìn)料，經(jīng)實(shí)際測溫，淬火爐內(nèi)溫度的均勻性偏差≤5℃。該調(diào)質(zhì)線中的淬火槽規(guī)格為 1900 mm×1500 mm×1000 mm，設(shè)置有加熱（蒸氣加熱）、冷卻（熱交換器）和循環(huán)（水泵）系統(tǒng)，并通過水溫儀表顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)實(shí)際測溫，淬火槽內(nèi)溶液溫度顯示偏差為±1℃。工件淬火后送至T-165型回火爐，回火爐共分4個加熱區(qū)，爐內(nèi)分布10個方形料筐，同樣靠液壓油缸實(shí)現(xiàn)進(jìn)料，每個區(qū)各有1個風(fēng)扇并設(shè)有風(fēng)道，可保證回火溫度的均勻性，經(jīng)實(shí)際測溫，回火爐的溫度均勻性偏差≤10℃。試驗(yàn)設(shè)備包括HB-3000型布氏硬度計(jì)和奧林巴斯GX51型金相顯微鏡。

采用WY-15型手持糖量折光儀檢測淬火溶液的濃度。首先用蒸餾水校正折光儀的零點(diǎn)，然后打開折光儀鏡片上的蓋板，將1～2滴淬火溶液滴在鏡片上并壓上蓋片，在光亮處通過目鏡觀察并調(diào)整旋扭至視場刻度清晰，將分界線的刻度讀數(shù)乘以系數(shù)2.5，所得值即為該淬火溶液的濃度百分?jǐn)?shù)。

淬火裂紋的鑒定方法為，將試樣放在磁粉探傷機(jī)上，用2個電極夾住試樣進(jìn)行充磁，充磁后將試樣放進(jìn)磁粉與煤油的混合液中浸泡，取出后放在燈光下觀察，如有裂紋將會在裂紋處粘上一條磁粉。

4 試驗(yàn)工藝及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及40CrH材料常用的淬火溫度，且為避免裂紋的發(fā)生，將淬火加熱溫度暫定為810℃，并根據(jù)零件外形尺寸、裝載量及裝載方式，將加熱保溫時間設(shè)為90 min；回火溫度設(shè)為520℃，加熱保溫時間設(shè)為5 h。淬火過程中均伴有攪拌，以便使淬火介質(zhì)在水槽內(nèi)的成分和溫度均勻，確保在膜沸騰期工件表面形成均勻的溶質(zhì)膜，使工件淬火冷卻均勻，從而獲得均勻的淬火硬度，避免出現(xiàn)淬火軟點(diǎn)。

共進(jìn)行5輪試驗(yàn),每一輪試驗(yàn)的淬火溫度和淬火溶液濃度一定，然后逐步提高淬火溶液溫度，在不同淬火溶液溫度下對工件的表面淬火和回火硬度、調(diào)質(zhì)后金相組織、淬火裂紋進(jìn)行測試。根據(jù)每輪試驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)相關(guān)工藝參數(shù)，再進(jìn)行下一輪試驗(yàn)，最終找出最佳的工藝參數(shù)。試驗(yàn)工藝及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從第1輪試驗(yàn)結(jié)果可知，淬火溫度選擇偏低，在淬火溶液溫度為40～60℃時，工件金相組織為5～6級，不符合技術(shù)要求；而在淬火溶液溫度為10～30℃時，雖然工件的金相組織合格，但是處于臨界狀態(tài)，在大批量生產(chǎn)過程中極易出現(xiàn)不合格產(chǎn)品。

從第2輪試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)調(diào)整淬火溫度為840℃、其它工藝參數(shù)不變、淬火溶液濃度為3%時，工件的金相組織合格（1～2級）；但是當(dāng)淬火溶液溫度較低（10～20℃）時因冷卻速度過快而產(chǎn)生裂紋。

由第3、第4和第5輪試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)淬火溫度為840℃且淬火溶液溫度相同的情況下，隨淬火溶液濃度的提高（由5%至10%），工件淬火硬度呈降低趨勢，金相組織級別呈上升趨勢，但均無裂紋產(chǎn)生；當(dāng)淬火溶液濃度相同時，隨著淬火溶液溫度的升高，硬度呈下降趨勢，金相組織級別呈增加趨勢；當(dāng)淬火溶液濃度達(dá)到10%、淬火溶液溫度達(dá)到50℃以上時出現(xiàn)了不合格產(chǎn)品。

表2 試驗(yàn)工藝及試驗(yàn)結(jié)果

因此，根據(jù)后3輪試驗(yàn)可確定最佳工藝為:淬火溫度為840℃，淬火溶液濃度為5%～8%，淬火溶液溫度為20～50℃。采用此新工藝生產(chǎn)的工件金相組織如圖2所示。從圖2可看出，金相組織為回火索氏體+極少量托氏體，等級為2級，金相組織細(xì)致均勻。與原工藝比較可知，該新工藝在裂紋控制上具有較大優(yōu)勢。

5 分析及討論

理想的淬火溶液應(yīng)具備以下條件:當(dāng)工件從加熱溫度冷卻到高于650℃時，其冷卻速度應(yīng)稍慢，以免工件變形過大，防止奧氏體發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變；當(dāng)冷卻到400℃以下時，其冷卻速度應(yīng)更慢，以免馬氏體相變時產(chǎn)生極大的應(yīng)力，引起工件變形甚至開裂。圖3為3種淬火溶液的冷卻性能曲線，從圖3可看出，水溶性淬火溶液的冷卻性能曲線更接近或趨向于上述要求。

水溶性淬火溶液的冷卻特性正好介于水和油之間（圖3），它與一般在水中溶解的物質(zhì)不同，隨淬火溶液溫度的升高，溶質(zhì)反而變得不溶于水而析出，該特性稱為逆溶性。溫度繼續(xù)升高，線型大分子聚合物便從水中析出并與水完全分離，此時起始溫度稱為逆溶點(diǎn)。由于有這種特性，紅熱的工件淬入淬火溶液中，工件周圍的溶液溫度立即上升，當(dāng)工件周圍的淬火溶液溫度高于逆溶點(diǎn)時，溶質(zhì)析出并在工件表面形成一個溶質(zhì)沉積膜。淬火溶液濃度越高，則該膜就越厚，溶液從工件脫熱的能力就越差。這就是水溶性淬火溶液降低低溫區(qū)冷卻能力的機(jī)理，即控制淬火溶液濃度就可以控制溶質(zhì)沉積膜的厚度，從而可得到較理想的低溫區(qū)冷卻能力。當(dāng)工件表面溫度降到逆溶點(diǎn)以下時，這層聚合物包膜又重新溶入到淬火溶液中。

淬火過程分為3個階段，在蒸氣膜冷卻階段，工件表面的聚合物能縮短或破壞蒸氣膜，這就相當(dāng)于增加了淬火溶液對工件表面的浸潤性，從而獲得更快、更均勻的淬火冷卻效果。在沸騰冷卻階段，工件的熱量只有通過表面上的聚合物膜才能傳入淬火溶液中，因此聚合物包膜的存在可以減慢淬火冷卻速度，包膜越厚，冷卻速度越慢，包膜越薄，冷卻速度越快。而淬火工件表面聚合物包膜的厚度可以通過改變淬火溶液濃度來調(diào)節(jié)，濃度越高，淬火冷卻速度越慢，濃度越低，淬火冷卻速度越快。所以，可通過改變淬火溶液濃度獲得從水到油的任何冷卻速度的淬火介質(zhì)來滿足不同的熱處理淬火需要。在對流階段，由于工件表面包圍著的聚合物膜妨礙了工件的散熱效果，因此能降低冷卻速度，從而可以減小因組織應(yīng)力過大而引起的變形及開裂危險。

40CrH鋼屬于中碳合金鋼，通常需要比淬水慢而比淬油快的淬火冷卻介質(zhì)。通過改變淬火溶液濃度和溫度，可以配制從水到油之間的任何冷卻速度的淬火溶液。

綜上所述，水溶性淬火溶液的冷卻性能介于水和油之間；在淬火溶液溫度一定的情況下，隨淬火溶液濃度的增加，其冷卻速度有所下降，淬火硬度降低，出現(xiàn)裂紋的傾向減??；在淬火溶液濃度一定的情況下，隨淬火溶液溫度的升高，其淬火冷卻速度降低，出現(xiàn)裂紋的傾向減小。

另外，水溶性淬火溶液與淬火油相比熱穩(wěn)定性更好，無老化問題，可長期使用，無需大量更換，只需按百分比進(jìn)行添加調(diào)節(jié)即可，使用壽命長；其無毒，無油煙，極易溶于水，不燃燒，安全可靠，污染低，低粘度，無需專門的清洗設(shè)備；冷卻特性穩(wěn)定易控制，且貨源充足。與清水和堿水相比，它在工件紅熱階段冷卻速度稍慢，在馬氏體轉(zhuǎn)變階段冷速緩慢，滿足了工件的冷卻特性要求。雖然水溶性淬火溶液的成本高于清水和堿水，但工件可獲得較高的質(zhì)量穩(wěn)定性，解決了因清水或堿水出現(xiàn)的淬火裂紋而造成大量廢品的問題。

6 結(jié)束語

a.通過試驗(yàn)表明，由40CrH鋼制造的轉(zhuǎn)向連接銷，淬火溫度采用840℃，淬火溶液濃度為5%～8%，淬火溶液溫度為20～50℃進(jìn)行淬火效果較佳，可避免產(chǎn)生淬火裂紋，保證產(chǎn)品金相組織達(dá)到技術(shù)要求。

b.采用水溶性淬火溶液作為淬火冷卻介質(zhì)生產(chǎn)的零件質(zhì)量穩(wěn)定可靠，通過調(diào)整淬火溶液的濃度可調(diào)配出不同冷卻速度的淬火溶液，又由于溶質(zhì)沉積膜的存在，降低了零件淬火時的脫熱性，有利于控制淬火裂紋的產(chǎn)生。

c.采用此新工藝已累計(jì)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向連接銷約50萬件，均未出現(xiàn)質(zhì)量問題。

1 于程歆，劉林.淬火冷卻技術(shù)及淬火介質(zhì).沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

2 崔占全.金屬學(xué)與熱處理.北京:北京大學(xué)出版社，2010.