轉(zhuǎn)向節(jié)熱處理過程分析與優(yōu)化試驗(yàn)

文/朱舸，張凱，周琳琳·中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南鑄鍛中心

轉(zhuǎn)向節(jié)熱處理過程分析與優(yōu)化試驗(yàn)

文/朱舸，張凱，周琳琳·中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南鑄鍛中心

轉(zhuǎn)向節(jié)作為典型鍛件，在原材料缺陷及鍛造缺陷暫時(shí)不能有效消除之前，且在后續(xù)熱處理中獲得合格的金相組織的前提下，如何實(shí)現(xiàn)較低的廢品率，需要對(duì)熱處理工序中的各相關(guān)因素進(jìn)行分析和優(yōu)化。而在自動(dòng)化熱處理生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，難度會(huì)更大。

以某種轉(zhuǎn)向節(jié)為例，材料為42CrMo，轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件熱處理要求是獲得1～4級(jí)金相的回火索氏體，抗拉強(qiáng)度880～1030N/mm2，而對(duì)于轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的熱處理自動(dòng)生產(chǎn)線還要獲得低于2%的廢品率。

在鍛造工藝及熱處理工藝沒有發(fā)生變化的情況下，有一段時(shí)間，該轉(zhuǎn)向節(jié)金相組織出現(xiàn)了5級(jí)、廢品率高達(dá)7%的異常情況，對(duì)此，我們進(jìn)行了該種轉(zhuǎn)向節(jié)熱處理過程分析和優(yōu)化試驗(yàn)。

轉(zhuǎn)向節(jié)的工藝實(shí)現(xiàn)過程

該種轉(zhuǎn)向節(jié)是在轉(zhuǎn)向節(jié)自動(dòng)懸掛線上進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的。

⑴淬火爐加熱溫度設(shè)定為850℃，保溫溫度為850±10℃，加熱與保溫時(shí)間為240min，淬火液濃度為7%～12%，淬火液溫度為15～45℃，淬火液攪拌頻率為20～40Hz，入淬時(shí)間為9min。

⑵回火設(shè)定加熱溫度為620℃，保溫溫度為620±10℃，加熱與保溫時(shí)間為276min。

以上工藝已經(jīng)在生產(chǎn)中使用多年，且熱處理質(zhì)量合格穩(wěn)定，廢品率低于2%。

生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及分析

某段時(shí)間內(nèi)，在生產(chǎn)線上共生產(chǎn)了13057件轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品，其中廢品出現(xiàn)914件，且金相出現(xiàn)5級(jí)，進(jìn)行了返修。對(duì)該種轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了致廢裂紋位置的區(qū)域劃分及廢品率統(tǒng)計(jì)，分別如圖1、表1所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，B區(qū)域（眼鏡位置）裂紋廢品是導(dǎo)致本批產(chǎn)品廢品率升高的主要原因。

優(yōu)化試驗(yàn)

我們針對(duì)本批轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品的異常情況進(jìn)行了眼鏡位置裂紋及金相的優(yōu)化試驗(yàn)。

表1 廢品裂紋位置統(tǒng)計(jì)表

圖1 廢品裂紋位置的區(qū)域劃分

⑴眼鏡位置使用防滲碳涂料降低廢品率試驗(yàn)。

與國(guó)內(nèi)某專業(yè)公司合作，使用該公司提供的防滲碳涂料對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)眼鏡位置進(jìn)行刷涂，如圖2所示，之后進(jìn)行熱處理調(diào)質(zhì)。我們選取了相同批次的轉(zhuǎn)向節(jié)320件，分成2組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 眼鏡位置涂刷防滲碳涂料

表2 防滲碳涂料驗(yàn)證試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

該試驗(yàn)說(shuō)明，熱處理前對(duì)眼鏡位置進(jìn)行防滲碳涂料的刷涂，可以降低眼鏡位置的裂紋廢品率，但是由于試驗(yàn)樣本較小，其可靠性值得進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。

⑵轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件眼鏡位置熱處理前清磨降低廢品率試驗(yàn)。

針對(duì)眼鏡位置在熱處理前進(jìn)行拋丸探傷，可以清楚顯示，熱處理之前該位置存在裂紋，但是裂紋深度一般在2mm之內(nèi)，熱處理之后導(dǎo)致廢品。在熱處理之前，對(duì)眼鏡位置進(jìn)行清磨，清磨深度為2mm以內(nèi)，以將裂紋清磨干凈為止。清磨之后進(jìn)行熱處理，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 清磨眼鏡位置驗(yàn)證試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)，熱處理前清磨眼鏡位置，熱處理后廢品率有較大程度的降低。因此，在熱處理前對(duì)鍛件缺陷進(jìn)行清磨處理是有效的。因此調(diào)整生產(chǎn)組織模式，增加熱處理前拋丸探傷試驗(yàn)，識(shí)別出某批次鍛件的缺陷位置及形式，進(jìn)行熱處理前的缺陷清磨消除，會(huì)有效地降低廢品率。

⑶淬火液濃度調(diào)整降低廢品率、提高金相組織等級(jí)試驗(yàn)。

根據(jù)淬火液的特性，其他條件不變，調(diào)整淬火液濃度會(huì)對(duì)熱處理產(chǎn)品的廢品率和金相等級(jí)產(chǎn)生較為明顯的影響，因此，我們對(duì)該種轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了不同濃度下的試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及金相圖分別如表4、圖3所示。

圖3 不同淬火液濃度下轉(zhuǎn)向節(jié)金相組織

表4 淬火液濃度驗(yàn)證試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

通過以上試驗(yàn)，說(shuō)明淬火液濃度選取低于9%時(shí)，可以獲得較好的金相組織，但是廢品率過高，一般不宜采用。淬火液濃度選取高于10%時(shí)，廢品率較低，但是金相不能達(dá)到要求，一般也不宜采用。而淬火液濃度選取在9%～10%時(shí)，可以獲得合格的金相與相對(duì)較低的廢品率。

⑷淬火液攪拌系統(tǒng)改進(jìn)試驗(yàn)。

淬火時(shí)淬火液充分而均勻地流動(dòng)，是獲得均勻和較好金相組織的必要條件。我們生產(chǎn)線的淬火系統(tǒng)是使用2臺(tái)攪拌器對(duì)淬火液進(jìn)行攪拌，以獲得充分的流動(dòng)，從而獲得均勻的熱處理性能，攪拌系統(tǒng)如圖4所示。但是，由于攪拌機(jī)構(gòu)在淬火液中長(zhǎng)期工作，故障率始終較高，不利于自動(dòng)線的穩(wěn)定運(yùn)行，故障統(tǒng)計(jì)如表5所示。每次出現(xiàn)攪拌器故障，拆除故障攪拌器需1小時(shí)，安裝新的攪拌器1小時(shí)。這樣，生產(chǎn)線爐內(nèi)的轉(zhuǎn)向節(jié)只能返修，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)線的產(chǎn)能及產(chǎn)品質(zhì)量。因此，應(yīng)對(duì)此淬火液的攪拌系統(tǒng)進(jìn)行改造。

圖4 原設(shè)計(jì)的攪拌器方式的攪拌系統(tǒng)

表5 5～7月轉(zhuǎn)向節(jié)線攪拌系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)表

國(guó)內(nèi)某熱處理設(shè)計(jì)制造公司幫助我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)施了噴射淬火攪拌系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用泵送噴射方式，利用均勻布置在工件附近的淬火液噴嘴將淬火液噴射到工件表面及周圍，淬火液由變頻變流量的循環(huán)泵加壓噴射，流量按照其所需的攪拌面積和噴射速度計(jì)算，攪拌系統(tǒng)如圖5所示。這種方式的淬火攪拌不僅可以在工件淬火范圍內(nèi)形成均勻穩(wěn)定的淬火液流場(chǎng)，同時(shí)高速噴射的淬火液也會(huì)帶動(dòng)附近的淬火液一同流動(dòng)，形成比泵送流量大得多的總攪拌流量，達(dá)到可控、均勻、大流量的淬火液攪拌效果，可以從原理上避免攪拌不均勻的情況發(fā)生。

攪拌系統(tǒng)改造完成后，7月20日運(yùn)行至今未出現(xiàn)過淬火系統(tǒng)的設(shè)備故障。且通過檢驗(yàn)，轉(zhuǎn)向節(jié)金相組織合格，硬度均勻，達(dá)到工藝要求。

圖5 改造后的液下噴射淬火攪拌系統(tǒng)

⑸生產(chǎn)流程優(yōu)化。

對(duì)于在自動(dòng)線上進(jìn)行轉(zhuǎn)向節(jié)的調(diào)質(zhì)處理，由于節(jié)拍穩(wěn)定、產(chǎn)量大，一旦某批次鍛件出現(xiàn)質(zhì)量不合格或廢品率較高的情況，往往會(huì)造成巨大的損失，為避免上述情況的發(fā)生，我們制定了小批次試驗(yàn)程序以降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。鍛造工序轉(zhuǎn)入新鍛打轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品按照60件組成小批次，進(jìn)行熱處理前拋丸探傷，以識(shí)別鍛件熱處理前的缺陷。進(jìn)入熱處理線進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，出爐后進(jìn)行金相和廢品率的單獨(dú)統(tǒng)計(jì)。

金相組織合格及廢品率正常，則該批次轉(zhuǎn)向節(jié)直接進(jìn)爐熱處理生產(chǎn)；出現(xiàn)金相或廢品率異常，則通知相關(guān)部門，并對(duì)該批次產(chǎn)品下達(dá)不得直接進(jìn)爐生產(chǎn)的指令，并由相關(guān)部門根據(jù)小批次試驗(yàn)情況，制定出專用工藝，在調(diào)整生產(chǎn)線工藝參數(shù)后單獨(dú)生產(chǎn)。這樣就可以避免出現(xiàn)大批量的廢品及不良品。

鑒于小批次試驗(yàn)有明顯的效果，熱處理生產(chǎn)應(yīng)進(jìn)一步完善熱處理自動(dòng)線的生產(chǎn)流程，優(yōu)化后的生產(chǎn)流程如圖6所示。

圖6 對(duì)生產(chǎn)流程的優(yōu)化

結(jié)論

通過以上分析和試驗(yàn)，我們可以得出以下結(jié)論：

⑴熱處理前鍛件缺陷的識(shí)別與清磨，可以有效地降低熱處理廢品率。

⑵選取適當(dāng)?shù)拇慊鹨簼舛龋梢垣@得合格的金相組織和可接受的廢品率。

⑶采取更可靠的淬火液攪拌系統(tǒng)（液下噴射系統(tǒng)），可以提高熱處理生產(chǎn)線的穩(wěn)定性與產(chǎn)品質(zhì)量。

⑷批量生產(chǎn)前進(jìn)行小批次試驗(yàn)，可以有效降低熱處理生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。