训练1 观察压铸铝合金模具的各种失效形式,分析原因,为改进热处理工艺提供依据正常的压铸铝合金模具的使用寿命应大于数千件的水平(视模具工作条件和材料、热处理工艺的不同而有所变化),当模具的使用寿命远低于此水平时,就应分析影响压铸模具使用寿命的有关因素,从失效形式可以直接了解到模具损坏的原因。
1. 影响压铸模使用寿命之一:耐热疲劳性能
热疲劳是由于许多次冷热循环,产生热应力,从而在模具表层产生应变,逐渐导致热疲劳裂纹。其典型的失效形式是热疲劳裂纹呈现出网状分布,故又称为热龟裂。早期裂纹是因热胀冷缩多次循环,从而在模具表面产生塑性应变,同时模具在高温下工作,如其屈服强度不够而产生早期裂纹。
早期裂纹的影响因素主要有:
1)热强度不足。
2)使用温度高于回火温度。
3)蠕变强度不足。
4)模具材料的热胀系数及热导系数低。
5)模具的设计中有应力集中。
6)模具的使用不当,其中最重要的是生产率,即模具在使用过程中实际工作时加热、冷却的频率和温差变动情况、预热方法、冷却降温方式等。
热疲劳裂纹是由拉应力和塑性应变等多种因素组合而成,塑性应变使裂纹出现,而拉应力使裂纹扩展。
2. 影响压铸模使用寿命之二:断裂(整体开裂)
其典型的失效形式是模具发生整体断裂,影响因素主要有:
1)设计模具时,尽量避免应力集中点,否则极易发生断裂现象。
2)模具材料和热处理,包括模具材料的冶金质量、化学成分和热处理的强韧化等与韧性有直接的关系。
3)使用过程中定期进行去应力处理。
4)使用方式的影响,主要有模具受力的大小、压力的大小和冲压强度。
3. 影响压铸模使用寿命之三:冲蚀(浸蚀)
压铸时,熔融金属高速注入模腔,在一定条件下熔融金属与模腔表面产生化学反应而引起模具表面腐蚀现象,腐蚀物质再经高速注入的熔融金属的冲刷而产生蚀坑—冲蚀。
主要影响因素有:
1)熔融金属的温度。
2)熔融金属的化学成分。
3)模具设计(特别是流道的设计)。
4)热处理及表面处理(如氧化或氮化)。
4. 影响压铸模使用寿命之四:凹陷
凹陷主要是因模具表面高温强度不足而产生的。
1)热强度不足。
2)使用温度高于回火温度。
3)蠕变强度不足。
训练2 淬火油的检测和维护1. 典型的淬火油有三种类型:快速淬火油、中速或常规淬火油、等温淬火油或热油。
快速淬火油通常是矿物油基的,并含有组合添加剂以增加淬火冷却速度,中速或常规淬火油一般也是矿物油基的。这些淬火油都含有抗氧化剂,以减少油渣的产生及发生热裂解。
中速或常规淬火油,油的闪点和粘度对淬火冷却过程是极其重要的,油的粘度越低,就越容易将淬火工件的热量带走。所谓的“热力学虹吸效应”,使得低粘度的油热对流越显著,易于分散热,这样使红热金属和空气交界处的油不至于超过其闪点。高粘度的油无法快速发散热量,它和热金属接触时形成的粘稠油膜流动很慢,所以油液上升时温度更高些,油到达液面和空气接触时,其温度可能超过闪点而引起着火。因此,希望油的闪点高而粘度低,高粘度的油通过加热,粘度就会降低,粘度降低也减少了着火的危险。
对于淬火油,油温低,油的粘度高,流动困难,冷却能力较低。油温过高,油与工件之间的温度差减小,冷却能力也要下降。此外,油温高,油容易氧化变质而使寿命缩短。所以,淬火油使用的最高温度加上80℃应等于油的闪点,过高或过低的使用温度都降低淬火油的冷却性能。
等温淬火油一般用在90~200℃的高温下。典型的等温淬火油都是选用经溶剂萃取精练的矿物油。这类淬火油多具有很高的石蜡成分,因而实实在在地降低了氧化和油渣的形成。抗氧化复合添加剂的加入同样增加了其稳定性。
淬火油的使用应根据各厂的生产量和油槽的大小进行定期检查,以决定淬火油是继续使用,还是需要进行必要的维护后才可继续使用,以尽量避免费用昂贵的淬火油更换。
油中的杂质对很多热处理厂家而言总是一个问题,因为这会直接影响热处理零件的淬火质量。最常见的杂质水分、炭黑和油渣等杂质。
1)水分是最常见的污染物,根据经验有问题的淬火油至少有半数以上是油中有水,它的存在会显著降低淬火工件的光亮性,造成淬火软点、零件变形、开裂、斑点等,低至体积分数为0.1%的水含量就会使油槽产生大量的泡沫,严重增加火灾的危险,特别容易造成安全事故。油中的水通常使冷却的蒸汽膜阶段延长,使工件在高温阶段得不到快速冷却。当淬火油的使用温度在100℃以上时进入水,进入的水会沸腾汽化产生大量气体,随同水蒸气喷出时带出的油雾容易被点燃成为很长的火焰,甚至发生爆炸事故。水的来源包括轴承冷却水、风扇冷却水、水一油热交换器,以及在潮湿环境中的冷凝水等。
凭声音定性测定油中的水:即将试管中装入1/3的油样,然后加热,若在油冒烟之前能听到爆裂声,则油中一定含有水。
定量测定淬火油中的水:可采用二甲苯回流法,即将油样和二甲苯用同样的比例加入有回流装置和收集管的烧瓶中,然后加热蒸馏,水的含量可以用体积或重量计算出来。
如果油的其他参数良好,则除去水分后仍能继续使用。去除淬火油中水分的传统方法是采用沉降法和加热蒸发法。沉降法是利用水的密度大于油的密度的特性,在容器不搅拌时,水会沉到下层,采用抽除底部沉降的水的方法分离。此方法适合含水量较多和抗乳化能力强的淬火油。加热蒸发法是将含水的油加热到120℃并进行搅拌,直到液面的泡沫消失,水分就被除去了,也就是利用水达到沸点以上将水除去。
2)炭黑一般来自于炉内的气氛,特别是在高碳势或者气氛无法控制的时候。炭黑特别的细,并且很难过滤,除非是采用目数非常细的过滤网(2~3μm)来过滤。当这些细的炭黑聚集时,一开始会造成油品初期的淬火冷却速度增加,但最终却降低淬火油的冷却速度。这是因为炭黑量的增多而改变了油的热量传递性能,同时会造成淬火油更快地氧化;另外,热处理炉中的炭黑随着工件进入油槽成为强有力的吸附剂,吸附油中的各种添加剂,加快添加剂的损失以至失效,从而加速了淬火油性能的恶化。
为了减少工件淬火时炭黑的带入量,对于连续式气体渗碳炉、多用炉等应做到每月烧一次炭黑并定期停炉打扫炉内炭黑;对于井式气体渗碳炉应做到每月停一次炉掏净炉内炭黑,这样可以减少炭黑对淬火油的污染。另外,也要定期清除淬火油中的炭黑。
3)油渣是淬火油在使用过程中发生氧化或聚合作用而引起的。它因基础油的组成、添加剂的种类不同而异,有粉状和泥状之分,一般认为其主要成分是:过氧化物、树脂、沥青烯、碳质沥青、碳化物和焦炭。油渣在淬火中引起热处理质量问题的数量仅次于水。淬火油油渣的含量越多,表明淬火油的老化程度越严重。
新淬火油是没有油渣的,尽管在油中常加有添加剂来阻止或延缓油渣的形成,但如果淬火油不稳定,则形成油渣的趋势就会明显。
油渣会粘住冷凝器,降低淬火系统的效能,在淬火油尚没完全老化时,油渣可以被过滤。这里所说的老化是指试验可察觉的粘度的增加、皂化值和中和值的提高。含有质量分数为0.2%油渣的淬火油,如果其他指标可满足要求的话尚可使用。油渣必须定期清除,否则会使局部淬火油温上升,导致淬火不完全或硬度不均匀。
油渣在不稳定的淬火油中产生时,往往伴随着油的裂解,使油的闪点变低,导致淬火冷却能力的下降。
4)淬火油在长期使用过程中会老化变质,发生老化的原因主要有:与炽热的钢材接触而热分解并引起聚合;加热的油与空气接触而引起氧化、脱水、分解和聚合;与锈蚀物或钢的表面接触生成铁的皂化物等,促进了油的氧化、脱水、分解和聚合;因淬火油被加热,油中轻的组分挥发;作为氧化聚合及热聚合的老化产物形成油渣等。老化会造成淬火油的冷却能力及零件光亮性能下降。
由于以上这些中的任何一种或全部的杂质均可能存在于淬火操作的整个过程中,因此作为一个热处理技师,应当对此有所了解,并需要掌握评估这些杂质在对淬火油,特别是对淬火冷却曲线的影响。建立使用淬火油的检测维护规程,经常对淬火油进行测试,除去水分和油渣,加入复合剂,以恢复和改进淬火油的冷却性能、光亮性能和抗氧化性能,这样才可以大大提高淬火油的使用寿命和性能。
训练3 盘状零件的淬火裂纹分析1. 图4-21所示为某盘状零件,材料为35钢,淬火、回火处理,硬度为28~32HRC。生产工艺路线为:下料→锻造→机械加工→调质→成品。热处理工艺路线为840~860℃×10~12min盐浴炉中加热,在淬火介质为三硝水中冷却,然后转入空气中冷却;最后进行500~550℃×25min回火。该零件曾一度出现批量淬火裂纹。
1.裂纹分析
裂纹起源于零件内孔(φ25mm)的棱角处,呈放射状向四周伸展,裂纹起始端一般呈直线,向外伸展稍带弧形。经金相分析,裂纹两壁无脱碳现象。裂纹尾端呈尖状,裂纹伸展有力。基体组织正常,纵向中心部位取样分析未发现夹杂物异常和超标现象。
2.原材料检查
在淬裂的盘状零件上取样做化学成分分析,碳的质量分数为0.38%,符合GB/T699-1999标准中35钢的化学成分规定,表明裂纹的产生与材质无关。
3.工艺过程检查
现场取三硝水进行密度分析为1.105~1.107g/mL,工艺文件规定三硝水密度为1.45~1.50g/mL,表明三硝水已不符合工艺要求。同时,现场操作调查还发现零件在三硝水中冷透后才转入空气中冷却,违背了三硝水淬—空气冷却的工艺操作要求。
4.验证及结论
(1)调整三硝水密度 为了证实三硝水密度的作用,将三硝水密度调整到规定的范围(1.45~1.50 g/mL)再进行淬火,产生裂纹的现象大大减少,但因在三硝水中停留时间掌握不当,产生裂纹现象仍不能杜绝。
(2)调整该件在三硝水中停留时间 该件在三硝水中停留时间按每3~5mm厚度停留1s计算,仅需在三硝水中冷却2~3s,经生产验证后杜绝了裂纹的产生。
(3)结论该件淬火裂纹的产生,是因淬火冷却介质三硝水密度过低及在三硝水中停留时间过长两个综合原因所致。
5.改进措施
1)缩短三硝水的检测周期,严格控制其密度在1.45~1.50g/mL以内,并严肃工艺纪律,加强专职工艺员监督。
2)将35钢改为40Cr钢并在油中淬火,从而从根本上杜绝了裂纹的产生。
训练4 汽车后桥从动锥齿轮的淬火变形分析1. 零件外形及热处理技术要求
图4-22所示为汽车后桥从动锥齿轮,材料为20CrMnTi钢,渗碳、淬火、回火处理,表面硬度为58~63HRC,心部硬度为33~45HRC,渗碳层深度为1.5~1.9mm,热处理后齿轮内缘平面度误差不大于0.20mm,外缘平面度误差不大于0.12mm,内径变化范围误差不大于±0.16mm。
2.生产工艺路线
下料→锻造→正火→机械加工→渗碳、淬火、回火处理→抛丸、入库。
3.热处理工艺过程
井式气体渗碳炉渗碳,渗剂为甲醇+煤油,930℃×7h渗碳,随炉降温至860℃×0.5h后直接淬火,180~200℃×3h回火。生产中曾出现齿轮内、外缘翘曲和内孔涨大,合格率很低。
热处理工艺过程检查
(1)原材料化学成分分析 从锻坯上取样进行化学成分分析其结果是:w
C=0.19%,w
Si=0.30%,w
Mn=0.99%,w
Cr=1.22%,w
Ti=0.053%。符合GB/T 3077-1999标准中的20CrMnTi钢化学成分的规定。
(2)锻坯正火试验 锻坯经过模锻,950~970℃×2h加热保温,单件分散空冷和风冷。正火件经机械加工后,进行最终热处理。试验表明:正火质量对齿轮内孔变形影响较大,硬度偏低或偏高,金相组织有非平衡组织或带状组织严重,都会影响齿轮内孔涨大变形量及规律性。因此,必须控制正火质量。
(3)热处理工艺参数试验将930℃渗碳改为880℃碳氮共渗,适当降低淬火温度(830~840℃),淬火油温控制在140~160℃,有利于减小从动锥齿轮的变形量。
(4)挂具设计齿轮的挂装方式应根据其形状大小和变形量要求来选择。从动锥齿轮属于扁薄件,平面度误差要求严格,采用垂直挂装对减少平面度翘曲变形是有利的。
挂具设计应考虑齿轮内、外缘的蓄热量之比与齿轮内、外缘的单位表面积散热量之比,以此来调整控制齿轮内、外缘的淬火介质的流量。图4-23所示从动锥齿轮挂具。垫板是一个与产品同型号的废齿轮,经磨平齿顶面后使用。其作用相当于给齿轮增加一块“盾牌”,以躲避齿轮在淬火时受淬火介质的冲击。由于在挂具中的齿轮重叠关系,因此在底板外层增加12个d
3小孔,以调整淬火油量的热平衡流量。
(5)验证与结论按上述试验方案进行生产验证,渗碳层深度、硬度均合格,内孔尺寸精度、内孔不圆度合格率为100%,内、外缘平面度合格率大于或等于90%。因此,严格控制正火质量,降低渗碳温度和淬火温度,采用分级淬火油和相应的挂具,可使从动锥齿轮的变形合格率大幅提高。