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感应淬火替代渗碳淬火教你从三个角度考虑

文章出处:泊头尚氏非标量具有限公司发表时间:2019年05月21日
感应淬火早应用是为了提高零件表面硬度,以满足耐磨性的要求。经过几十年的发展,感应淬火已经发展成为应用范围的热处理技术,在汽车、铁路、船舶、工程机械、机床以及军工等行业形成了完善的技术和质量体系。 感应淬火替代渗碳淬火是其推广应用的一个重要领域,基于其突出的经济性和较高的技术指标,受到业界的重视。对于两者的比较,笔者想在以下几个方面进行分析。 经济性 先进的技术是用的成本获得满足需求的性能,经济性是技术应用首先考虑的因素。 1.设备投资 感应淬火设备的投资是比较小的。如中等规格齿轮的淬火设备,一条齿轮连续炉渗碳线投资约800万元,加上淬火压床、吊具等辅助设备合计约1500万元。按照相同的产能对比,需要2台感应淬火机床,每套自动淬火机床的约100万元,仅仅是渗碳设备的10~20。与多用炉相比,1套感应淬火机床的产能至少与3台多用炉相当,其投资相当于多用炉(包括辅助系统)的50。 设备的占地面积和安装方面也是费用支出的重要部分。渗碳设备占地面积大,对厂房的水、电、气要求较高,造成生产厂房需要较大的投资,安装费用也较高。感应淬火设备占地面积小,安装简便,费用要少很多。 2.生产运行费用和生产节拍 感应淬火生产运行费用低,也是其具有推广价值的重要指标。统计显示,感应淬火的能耗为渗碳淬火的20左右,淬火介质的消耗为30左右,设备维护和消耗备件的费用为20左右,生产三废的排放也非常低。 感应淬火为快速加热,加热时间为几秒到几十秒,生产节拍非常快。对于降低人工成本、降低在制品率有优势。 3.热处理零件用材料 发达国家的感应淬火用材料有一个专门的系列,但专用材料不表示高成本,只是为达到更好的效果而做的调整。感应淬火选材范围是广泛的,并且由于其的优异性能可以选用低成本的材料替代较高的渗碳材料。渗碳处理的温度高、时间长,需要特别注意控制其晶粒长大,所以渗碳用钢中含有一定含量的细化晶粒合金元素。 4.热处理后的加工 在渗碳淬火的实践中,往往在后续的磨削工序出现渗碳层被磨掉的问题,其原因就是渗碳层相对较浅,热处理变形后偏磨。与渗碳等化学热处理相比,感应淬火的硬化层更深,给后续加工带来更大的性,也降低了热处理前工序的要求,所以加工成本低,废品率低。 技术指标 渗碳淬火在零件表面形成高含碳量的马氏体层,硬度高、碳化物含量高,具有高的耐磨性,而心部为低碳马氏体组织,所以表面压应力大,零件整体韧性高。这些特点使渗碳淬火在齿轮等需要高耐磨性、高疲劳强度、高接触疲劳强度的零件上广泛采用。感应淬火具有快速加热快速的特点,使材料晶粒度显著提高,在硬度的同时,获得了较高的韧度指标,从而提升零件性能。 1.耐磨性 渗碳淬火零件具有很高的耐磨性,是由于其表层高硬度和碳化物。感应淬火可以在较低的含碳量下获得高硬度,耐磨性还与其微观组织结构有关。 20CrMnTiH3渗碳淬火和45钢感应淬火制成标准的磨损试样,硬度均为62~62.5HRC,在M-200磨损试验机上试验,对磨件为T10淬火。经过160万次磨损,渗碳试样失重4.0mg,感应淬火试样失重2.1mg。是什么机理使感应淬火试样具有更高的耐磨性,非常值得研究。 2.强度 通常认为强度与硬度相关,相同的硬度就可以相同的强度。对于具体零件而言,还与哪些参数有联系呢?我们对20CrMnTiH3渗碳淬火和45钢、40CrH、40MnBH感应淬火制成的标准哑铃状拉伸试样进行试验,试样有效部位直径为20mm,测得的抗拉强度分别为819MPa、1184MPa、1364MPa、1369MPa,几种中碳钢试样感应淬火后的强度明显高于渗碳件。 两种工艺结果相比。渗碳淬火试样表面为高碳马氏体,渗层1.25mm,硬度62~63HRC,心部为低碳马氏体,硬度32HRC。感应淬火试样表面为中碳马氏体,硬化层深度3.6mm,硬度62HRC,心部为回火索氏体,硬度26HRC。可以发现两种处理方式的表面硬化层深度有较大差异,感应淬火较深的硬化层,从而更大的零件强度。所以,讨论哪种强化工艺更好时,不仅要从微观角度分析,更要从宏观方面考虑。 3.疲劳强度 渗碳淬火和感应淬火后零件表面有效强化,并形成较大的残余压应力,都具有较高的疲劳强度。 选用模数2.5的齿轮零件进行研究,分别采用20CrMnTiH3渗碳淬火,渗碳深度1.2mm;45钢、42CrMo感应淬火,齿根淬火深度2.0mm。硬度均为61~63HRC,热处理后经过磨齿加工。按照图1所示的加载方式在疲劳试验机上试验。3种不同材料和热处理的齿轮轮齿弯曲中值疲劳极限压载荷分别为18.50kN、20.30kN和28.88kN。42CrMo感应淬火齿轮的疲劳强度高于20CrMnTiH3渗碳淬火56,具有显著优势。分析其机理,需要从硬化层组织、表面压应力水平、心部组织和硬度等方面入手。 轮齿脉动弯曲疲劳试验双齿加载方式 4.接触疲劳强度 对于齿轮类零件,齿面的接触疲劳失效也是主要的失效形式。轻载齿轮对接触疲劳要求相对较低,而感应淬火能否在具体的重载齿轮上取代渗碳淬火,该指标是考核的内容。我们在此方面的研究还不够深入。 5.淬火变形 渗碳工艺温度高,时间长,淬火变形大。后续的磨削工序会将强度、压应力的表层磨薄,造成零件强度的降低。齿轮渗碳淬火越来越多的采用压淬技术,目的就是减小淬火变形。感应淬火的变形比较小,且由于淬火层厚,磨削对硬化深度影响相对较小。 感应淬火的局限性 感应淬火工艺有其特殊的应用局限,这和磁场分布的客观规律有关,针对具体零件具体分析。 1.复杂截面零件 如某变速箱齿轮轴,包含多个齿轮、多个台阶及轴承位,采用感应淬火工序多,难度大,成本角度考虑是不合适的。还有一些硬化区域包含尖角的零件,感应淬火难度很大,应采用渗碳或其它化学热处理。 2.薄壁件 渗碳淬火可以很薄一层硬化层,心部硬度较低保证韧性。感应淬火则可能由于淬透脆裂。 3.小零件 感应淬火每个零件都需要上下料、加热、等步骤,对于很小的零件不具有经济性。渗碳淬火可以批量装炉,产量高,成本低。 4.单件生产 感应淬火需要针对不同零件制作不同的感应器,对于批量较小的生产不具备经济性优势。 感应淬火替代渗碳的一些建议 综合而言,重载齿轮感应淬火替代渗碳淬火的研究还需要做很多工作,需要提高耐磨性和强度的零件则可以选用适当的材料结合感应淬火工艺替代。 感应热处理选材。渗碳处理后材料表面为高碳层,碳化物含量高,对耐磨性有利。感应热处理用材多为中碳钢和中碳合金钢,在耐磨件替代渗碳选材时可以选择含碳量高的材料,如某凸轮轴采用80#钢制造,以获得所需的性能。 感应淬火零件的用材要求比渗碳淬火低,往往不被重视。选材过程不仅要考虑是否能够淬到需要的硬度和淬火深度,还要对材料的化学成分、晶粒度、杂质等指标加以重视,这些因素对零件的性能也有很大的影响,用对待渗碳钢的高度对待感应淬火钢。 重视预备热处理。感应淬火的加热时间短,合金成分来不及均匀化,需要做好预备热处理。感应淬火通常是表面淬火,心部的组织和其它指标要在预备热处理工序保证