CN104498680A - 植物油在淬火工艺中降低工件变形量的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及植物油在淬火工艺中降低工件变形量的应用，尤其是降低变截面环状零件变形量的应用。本发明能减少淬火变形量，降低后续校形和精加工的成本；有效控制变形散差，提升装配精度及服役寿命；改善生产现场的操作环境，减少对环境的污染和危害。

Description

植物油在淬火工艺中降低工件变形量的应用

技术领域

本发明属于热处理技术领域，尤其涉及机械零件淬火工艺中淬火油。

背景技术

热处理变形控制一直是困扰热处理工作者的难题，也是制约我国高端装备制造业发展的瓶颈，热处理控形控性的综合技术同国外工业发达国家相比仍有巨大差距，如汽车变速箱齿轮、轴承等关键构件的变形控制。变形的影响因素有很多，如原材料、锻造工艺、预处理、机加工、热处理设备、工装、热处理工艺、淬火冷却方式等都是决定淬火变形的因素，它是一个系统性的畸变工程，有专家称其为世界性的难题。但其实就是如何有效控制“均匀性”的问题，如原材料淬透性带、锻造流线对称性、原始组织均匀性、加热及冷却均匀性等等。从淬火冷却的角度出发，淬火介质选型是否恰当是热处理变形的重要因素之一。

淬火是热处理工艺中的一道重要工序，通过淬火处理可以使金属材料的各项性能指标都能有很大的改善，充分发挥金属材料的潜力，以满足各种产品零件对金属材料的要求。工件在淬火过程中，由于处理不当，往往会发生金相组织或机械性能指标达不到要求，也可能会出现软点、变形、开裂等缺陷，这些缺陷与淬火冷却时所选用的淬火介质及冷却方法也有密切的关系。因而，在淬火冷却过程中合理的选择和正确的使用淬火介质，是保证工件淬火质量的一个重要因素。

变截面工件的淬火变形问题，相对于对称结构来说，这种复杂结构引起的变形更为突出，如半轴齿轮内花键喇叭口、后桥从动齿轮平面度变形、轴承套圈的锥度变形问题等。由于结构复杂，在加热及冷却过程中组织转变的“不同时性”更为突出，导致更为复杂的应力分布。其中选择合适的淬火介质及冷却方式，对于控制变形尤为关键。

目前关键构件绝大多数采用淬火油进行淬火冷却，相对于气淬和盐浴，油淬的变形大，同时规律性很差，导致产品的控制难度较大。因此，控制淬火变形需要充分了解油品的冷却性能，实现精确的淬火冷却控制。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种植物油在淬火工艺中降低工件变形量的应用，减少淬火变形量，降低后续矫形和精加工的成本。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：植物油在淬火工艺中降低工件变形量的应用。

作为优选，所述植物油为菜籽油、大豆油、花生油或玉米油。

作为优选，植物油在淬火工艺中降低变截面环状零件变形量的应用。

作为优选，所述工件材质为碳素钢、中低碳合金钢、渗碳钢或轴承钢。

根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点：减少淬火变形量，降低后续校形和精加工的成本；有效控制变形散差，提升装配精度及服役寿命；改善生产现场的操作环境，减少对环境的污染和危害。

附图说明

图1为本发明实施例1所述主减速齿轮的结构示意图；

图2为本发明实施例1所述植物油和矿物油在淬火处理时的冷却特性曲线对比图；

图3为本发明实施例1所述植物油和矿物油在淬火处理时主减速齿轮平面度变形量曲线对比图；

图4为本发明实施例2所述轴承套圈的结构示意图；

图5为本发明实施例2所述植物油和矿物油在淬火处理时轴承套圈椭圆度变形量曲线对比图；

图6为本发明实施例2所述植物油和矿物油在淬火处理时轴承套圈锥度变形量曲线对比图；

图7为本发明实施例2所述植物油和矿物油在淬火处理时的冷却特性曲线对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

油在淬火过程中存在物态变化， 通常其冷却过程可分为三个阶段:蒸汽膜冷却阶段、沸腾冷却阶段、对流冷却阶段。当红热的工件浸入油中，工件表面的淬火油迅速气化，并立即在工件表面形成一层蒸汽膜，工件的热量主要通过蒸汽膜的辐射和传导来传递，此时工件冷却速度缓慢，直到工件表面所提供的热量不能足以维持蒸汽膜所需要的热量时，蒸汽膜破裂，开始进入沸腾冷却阶段。蒸汽膜阶段向沸腾阶段转变的温度，称为淬火油的特性温度。进入沸腾冷却阶段后，工件直接与淬火油接触，淬火油在工件表面产生强烈沸腾，工件的热量被油气化吸收，散热速度加快，冷却速度达到最大值。工件表面的温度迅速降低，当工件表面温度低于油的沸点时，开始进入对流冷却阶段。对流冷却阶段主要通过对流传导的方式进行，该阶段冷却速度明显下降。

工件在淬火冷却时，为了避免奥氏体在较高的温度区域内产生珠光体类型的转变，故必须在过冷奥氏体最不稳定区域，以大于临界冷却速度（Vc）进行冷却，才能获得马氏体组织，但也不是介质的冷却速度越快越好，如果采用较快的冷却速度一直冷却到室温，将使工件在高温区域产生很大的热应力，在工件处于塑性状态时影响不大，当工件冷至马氏体开始转变点Ms以下，还会由于发生组织转变时产生组织应力，这将导致工件产生很大的变形，甚至开裂。因此，在马氏体转变区域需要缓冷。因而理想的冷却曲线应该是在工件的奥氏体不稳定区域（临界冷却区域）应具有快的冷却速度（大于临界冷却速度），在马氏体转变区域（Ms点以下）冷却速度应缓慢冷却，从而保证淬火后的工件既可以获得淬火组织，又可以减少内应力，具有这样的冷却速度称为理想冷却速度。

以下通过2个实施例比较植物油和矿物油淬火油在对齿轮以及变截面环状零件淬火热处理时零件的变形量。

实例1

对于汽车变速器齿轮，噪音和疲劳寿命是衡量其综合性能的指标。其中齿轮的热处理变形是关键，变形越大意味着装配精度越低。齿轮在后续的精加工过程多进行磨齿，一是大幅增加制造成本，再者会导致渗层磨削不均，致使最终齿轮的疲劳寿命不足。

以微车的主减速齿轮为例，分别采用植物油和矿物油品生产，产品如图1所示。齿轮材料为20CrMnTi，采用多用炉生产线，双侧搅拌，装炉量600Kg左右。齿轮技术要求：表面HRC60~64，心部硬度HRC30~45，碳化物级别≤4级，马氏体级别≤4级，心部铁素体≤3级，非马≤0.02mm，平面度变形≤0.05mm，齿形热前热后变形≤0.005mm，齿向热前热后变形≤0.015mm。现在以原矿物油和植物油分别作为淬火油进行淬火处理后，比较两者的优缺点：

渗碳工艺：880℃强渗120min（碳势1.05），880℃扩散50min（碳势0.95）,820℃保温30min油淬。更换新油后保持原工艺不变，矿物油使用油温120℃，植物油使用油温160℃。

经过比较，原采用矿物油，非马氏体0.02-0.03mm，平面度变形0.08-0.12mm，不能满足技术要求，严重影响齿面的疲劳性能和装配精度。从图2可知，植物油无蒸气膜冷却阶段，最大冷速比原矿油要高很多，意味着植物油的中高温冷却能力要强，工件的淬硬层相对要深，渗层过度区的淬火冷却效果更好，提高了接触疲劳强度。同时因高温冷却能力强，有效抑制了渗层表面的非马氏体。

现在再测量平面度变形：每组试验产品在料筐的不同部位各放20个产品，分别测量平面度变形及试块的非马氏体组织，平面度试验状况如图2所示。

从图3可以看出：采用植物油基淬火油，齿轮的非马氏体组织改善明显，由原来的0.02-0.03mm降低至0.02mm以内，满足了技术要求。原矿物油的变形及散差较大，导致报废率偏高；更换植物油后使用效果较好，既具有较小的变形，同时变形的散差也很小，能够有效的满足原产品的变形要求。

通过上述对比分析可以发现，植物油具有更快和更均匀的高温冷却能力，可以有效改善非马组织；同时具有更低的低温冷速，有效减少组织应力，大幅降低齿轮的平面度变形。

实例2

轴承套圈作为薄壁环类零件，热处理变形的控制难度极大，热处理变形大会导致后续的磨削量大，装配精度不够，接触疲劳寿命大幅下降等问题，常见的热处理变形主要以锥度、椭圆度、平面度和胀大等变形为主。以锥度变形为例，其主要原因是冷却不均匀导致。从本质上讲是由于在淬火冷却过程中套圈两端的冷却速度相差太大，导致两端收缩量不同和到达Ms点的时间不同，结果在两端产生很大的热应力和组织应力。当某一时刻热应力或组织应力在某一端达到材料的屈服强度时，该端必然产生相应的塑性变形，其中热应力产生压缩塑性变形沿径向缩小，而组织应力产生拉伸塑性变形沿径向胀大。实际生产中，网带炉生产套圈时，往往靠近网带的套圈径向尺寸小的状况，即上端大下端小的锥度变形。现在以下例具体说明本发明：

以GCr15的23024套圈（外圈）为例（图4），分别采用植物油和矿物油品（快速等温分级淬火油）对其进行淬火处理。轴承技术要求：屈氏体组织1-2级（工作面3mm内），锥度变形≤0.20mm，椭圆度变形≤0.20mm。

加热工艺：加热温度835℃，最后一区淬火温度820℃（碳势0.6）。更换新油后保持原工艺不变，矿物油和植物油使用油温均为80℃。

从图4可知，植物油无蒸气膜冷却阶段，最大冷速比原快速等温分级淬火油要快，植物油的高温冷却能力要强，工件的淬硬层相对要深，可以有效抑制屈氏体的产生，提高了接触疲劳强度，防止点蚀和剥落等失效缺陷。同时植物油的TA点和TC点都比原快速等温分级淬火油高的多，一是大幅改善了冷却的均匀性，保证套圈上部和下部冷却的同时性，二是大幅减少组织应力，保证了Ms点以下组织转变时的同时性。

以下进行屈氏体组织状况比较，每组试验产品在网带炉中各放50个产品，分别测量椭圆度、锥度及屈氏体组织。屈氏体组织结果如表1所示，椭圆度、锥度结果如图5和6所示。

表1

淬火油类型	矿物油	植物油
			屈氏体组织	2-3级	1级

从图5可知，，采用原快速等温分级淬火油，椭圆度平均变形量为0.1365mm，变形合格率为92%；而采用植物油锥度平均变形量为0.0988mm，变形合格率100%。通过图6对比分析，采用原快速等温分级淬火油，锥度平均变形量为0.149mm，变形合格率为84%；而采用植物油锥度平均变形量为0.0806mm，变形合格率100%。

通过上述对比可以发现，植物油具有更快的高温冷却能力，可以有效改善屈氏体组织；同时具有更均匀的冷却性能，有效减少淬火应力，大幅降低套圈的椭圆度和锥度变形，其控制变形的技术优势非常明显。

Claims (4)

1.植物油在淬火工艺中降低工件变形量的应用。

2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述植物油为菜籽油、大豆油、花生油或玉米油。

3.根据权利要求2所述的用途，其特征在于：植物油在淬火工艺中降低变截面环状零件变形量的应用。

4.根据权利要求2所述的用途，其特征在于：所述工件材质为碳素钢、中低碳合金钢、渗碳钢或轴承钢。