基于伯格霍德曲線的軸類零件選材設(shè)計(jì)

范王展， 海俠女， 桂偉民

(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710119)

在汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中，軸類零件在動(dòng)力傳輸過程中起到關(guān)鍵作用，在軸類零件的技術(shù)要求中，強(qiáng)度指標(biāo)是極其關(guān)鍵的指標(biāo)。但是，從成品上制取拉伸試樣，制樣難度大、時(shí)效性差，難以指導(dǎo)生產(chǎn)，因此，在實(shí)際質(zhì)量控制過程中，一般將強(qiáng)度指標(biāo)換算成硬度值，用硬度值進(jìn)行工藝控制。

由于零件尺寸、材料淬透性、冷卻強(qiáng)度都會(huì)對(duì)零件熱處理硬度產(chǎn)生重要影響，變量較多，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在實(shí)際熱處理?xiàng)l件下難以滿足設(shè)計(jì)要求的問題。而零件尺寸受結(jié)構(gòu)影響往往無法調(diào)整，冷卻強(qiáng)度受工藝裝備限制，可調(diào)范圍有限，因此，材料選擇成為關(guān)鍵因素之一。本文介紹了一種基于伯格霍德曲線，進(jìn)行零件心部指定點(diǎn)位置硬度計(jì)算及材料選材設(shè)計(jì)的工程求解方法，大大提高了選材的科學(xué)性和合理性。

1 零件要求及工藝

某公司變速器副箱主軸，外圓最大直徑為φ81 mm，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)材料為20CrNi3H鋼，零件滲碳淬火處理，要求3R/4處硬度為30～45 HRC。

該零件實(shí)際淬火工藝為某多用爐840 ℃下G油淬火，攪拌速度為600 r/min。經(jīng)過多輪生產(chǎn)試驗(yàn)，約有30%的零件心部硬度無法達(dá)到30 HRC，心部硬度最低為26 HRC，需要重新選材。該20CrNi3H鋼淬透性要求如表1所示。

表1 20CrNi3H鋼的淬透性要求

2 基于伯格霍德曲線的選材設(shè)計(jì)

2.1 伯格霍德曲線介紹

伯格霍德曲線反映的是不同直徑鋼棒幾個(gè)指定部位與端淬試樣特定點(diǎn)冷卻速度相同時(shí)，端淬點(diǎn)與鋼棒直徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖1所示[1]。圖1中僅引入了中等攪拌的水冷(淬火烈度H=1.2)和油冷(淬火烈度H=0.4)兩組曲線。如圖1所示，根據(jù)鋼的淬透性來確定某一零件在特定點(diǎn)的硬度，進(jìn)行強(qiáng)度校核；反之，也可以參考該曲線，根據(jù)所需要達(dá)到的硬度要求，結(jié)合材料的淬透性，進(jìn)行選材。

圖1 伯格霍德曲線[1]

例如，某直徑為φ20 mm的軸，要求油淬后R/2處硬度在30 HRC以上。根據(jù)圖1(b)的伯格霍德曲線，直徑φ20 mm在R/2處的硬度對(duì)應(yīng)材料J6 mm處的端淬值，因此所選材料J6 mm處的端淬值>30 HRC就可以保證圖紙要求。同理，直徑為φ46 mm的軸，可根據(jù)材料J6 mm處的淬透性，確定油淬后零件的表面硬度。

2.2 實(shí)際淬火條件下伯格霍德曲線的繪制

圖1中伯格霍德曲線只有2種淬火烈度H下的曲線，而零件在實(shí)際工藝條件下的冷卻強(qiáng)度很難準(zhǔn)確測(cè)量，是未知的，相應(yīng)的其曲線與圖1中的標(biāo)準(zhǔn)曲線是有差異的，直接利用標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行硬度計(jì)算、選材設(shè)計(jì)，會(huì)出現(xiàn)較大誤差，因此需要繪制實(shí)際淬火工藝條件下的伯格霍德曲線。

首先，先選定一種常用材料，檢測(cè)試驗(yàn)用料的淬透性。取20CrNi3H鋼材料，檢測(cè)實(shí)際淬透性如圖2所示。

圖2 20CrNi3H鋼試驗(yàn)料的淬透性曲線

其次，將試驗(yàn)料制成不同直徑料段，將其按照實(shí)際淬火工藝進(jìn)行淬火冷卻試驗(yàn)，檢測(cè)棒料直徑指定位置硬度。根據(jù)副箱主軸硬度要求，檢測(cè)得到3R/4處硬度如圖3所示。

圖3 20CrNi3H鋼不同直徑棒料在實(shí)際熱處理?xiàng)l件下3R/4處的硬度

最后，將3R/4處的硬度與材料淬透性曲線進(jìn)行對(duì)應(yīng)，可得出實(shí)際淬火工藝條件下，與試棒3R/4處相同冷速的端淬點(diǎn)。具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示，繪制的伯格霍德曲線如圖4所示。

表2 20CrNi3H鋼不同直徑棒料3R/4處硬度與端淬點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4 實(shí)際冷卻條件下的伯格霍德曲線與中等攪拌油中冷卻伯格霍德曲線對(duì)比

2.3 結(jié)果分析

不同直徑棒料特定點(diǎn)對(duì)應(yīng)的端淬距離，反映的是該條件下該零件該位置的實(shí)際冷卻速度[2]。由于實(shí)際冷卻速度與材料無關(guān)，是工件的外形尺寸和介質(zhì)的冷卻能力決定了工件各部分冷卻的快慢和均勻性[3]。因此，實(shí)際試驗(yàn)中選用任何一種材料都是可以得到該淬火工藝條件下的伯格霍德曲線。淬透性曲線的來源和準(zhǔn)確性，直接影響了最終試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，建議選擇多爐號(hào)的淬透性曲線以及保證淬透性鋼的淬透性曲線[4]。

從表2及圖4可以看出，該公司實(shí)際工藝條件下伯格霍德曲線較H=0.4油淬曲線后移，說明該工藝實(shí)際冷速H<0.4。

該零件最大外徑φ81 mm，要求3R/4處硬度30～45 HRC。從圖4可以看出，該尺寸3R/4處冷速相同端淬點(diǎn)為J25 mm，因此選材應(yīng)選J25 mm為30～45 HRC的材料。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的20CrNi3H鋼在J25 mm淬透性為24～30 HRC，顯然無法滿足設(shè)計(jì)要求。

3 選材改進(jìn)及應(yīng)用效果

3.1 選材改進(jìn)

查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，J25 mm淬透性在30～45 HRC的材料可供選擇低碳滲碳鋼有：GB/T 5216—2014《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》中12Cr2Ni4HH、20CrMnMoHH、22CrMoHH鋼以及EN 10084-2008《滲碳鋼 交貨技術(shù)條件》中18CrNiMo7-6+HL、14NiCrMo13-4+HL鋼?？紤]到鋼材成本，選取GB/T 5216—2014中的22CrMoHH鋼，為了進(jìn)一步保證工藝窗口，淬透性J25 mm取上限30～38 HRC。

3.2 實(shí)際應(yīng)用效果

經(jīng)過多輪熱處理試驗(yàn)，使用高淬透性22CrMoHH鋼，副箱主軸3R/4處硬度可控制在32～36 HRC，而20CrNi3H鋼控制在27～35 HRC，如圖5所示。說明選擇22CrMoHH鋼可行，基于伯格霍德曲線進(jìn)行選材結(jié)果比較可靠。

圖5 20CrNi3H鋼及22CrMoHH鋼副箱主軸3R/4處硬度對(duì)比

4 結(jié)論

1) 利用伯格霍德曲線進(jìn)行零件指定點(diǎn)硬度計(jì)算或者選材，要得到相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)果，應(yīng)該基于實(shí)際淬火工藝條件下，利用淬火試驗(yàn)，先得到該工藝條件下的伯格霍德曲線，再利用曲線進(jìn)行計(jì)算。

2) 本文副箱主軸3R/4處硬度對(duì)應(yīng)的相同冷速端淬點(diǎn)為J25 mm。

3) 從實(shí)際案例來看，基于伯格霍德曲線、結(jié)合材料的淬透性進(jìn)行選材可靠性較高，在缺乏經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累的情況下可有效提高選材的合理性和科學(xué)性。