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雙面銑主軸套筒滲碳開裂原因分析

2018-07-30

賈嘯天
（齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司）

　　我公司生產(chǎn)的XS2010主軸套筒如附圖所示，在滲碳后空冷過程中產(chǎn)生多處開裂，裂紋位于滲碳表面，多數(shù)裂紋長(zhǎng)且直，與零件的軸線平行；少數(shù)裂紋連接后呈不等邊U形，經(jīng)機(jī)械加工磨削至零件公稱尺寸后探傷，仍可見明顯裂紋，致使零件報(bào)廢。

主軸套筒示意

　　一、設(shè)計(jì)要求及初始工藝流程
　　材料：20CrMnTi，熱處理：外圓、φ230J7孔及φ240J7孔S0.9-C58，工藝流程：鍛造→正火→機(jī)加→時(shí)效→機(jī)加（外圓留1.5mm，各配合孔均留1.8mm)→滲碳→機(jī)加(粗磨外圓留0.9mm，各配合孔留1.5mm)→淬火精加工完成。

　　由于主軸套筒Z大有效壁厚46.5mm，套筒長(zhǎng)度792mm，淬火時(shí)孔的冷卻速度遠(yuǎn)小于外表面的冷卻速度，而20CrMnTi的淬透性又較低，設(shè)計(jì)要求的硬度值高達(dá)C58，鑒于零件的有效厚度大，機(jī)油淬火達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因此，工藝選用鹽水-油的雙液淬火方法，以期達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　二、滲碳開裂原因分析
　　鑒于雙面銑主軸套筒是我廠龍門銑同類件的典型結(jié)構(gòu)，工藝也屬于典型工藝，我們對(duì)滲碳裂紋進(jìn)行了分析：認(rèn)為這種裂紋產(chǎn)生的位置、分布、形態(tài)及深度大于0.8mm的特征，是屬于常發(fā)生在某些滲碳鋼中的。如12CrNi3、20CrMnMo等，經(jīng)初步分析確定為材料錯(cuò)。因此對(duì)零件取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析（見表1），結(jié)果表明，雖然C、Mn、Cr、Ti的含量符合20CrMnTi成分范圍，但含有0.15%Mo、Ni量也超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由此，確定主軸套筒開裂原因是材料問題。

　　由于Mo、Ni的同時(shí)存在致使?jié)B碳的冷卻性能急劇變壞，在滲碳冷卻過程中，表面首先轉(zhuǎn)變形成托氏體+碳化物，次表面因過冷奧氏體穩(wěn)定而未完成轉(zhuǎn)變，在繼續(xù)冷卻的過程中轉(zhuǎn)變形成馬氏體，從而導(dǎo)致該層的體積膨脹，使表面的拉應(yīng)力急劇增加。當(dāng)拉應(yīng)力超過零件的強(qiáng)度極限時(shí)，表面滲碳層開裂。而裂紋的深度由馬氏體層的位置決定，這類裂紋的特點(diǎn)是呈網(wǎng)狀及沿零件的縱向分布。

表1 化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

　　三、改進(jìn)后的工藝設(shè)計(jì)及結(jié)果
　　首先對(duì)補(bǔ)料的主軸套筒的化學(xué)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明：主軸套筒的材料與批主軸套筒成份相似。因此，工藝決定參照20CrMnMo制定熱處理工藝。確定采用滲碳后直接淬火＋高溫回火，以解決滲碳后空冷開裂問題。但因增加一次淬火，而且淬火變形遠(yuǎn)大于滲碳空冷的變形，我們?cè)跐B碳前各配合孔的加工余量增加至240J7、230J7的范圍內(nèi)。

　　1.滲碳操作過程
　?。?）爐溫升至滲碳溫度后裝入工件，裝爐后立即滴入煤油排氣，在排氣期間，試樣孔始終打開，當(dāng)爐溫到達(dá)滲碳溫度時(shí)開始計(jì)時(shí)，30min后排氣階段結(jié)束。

　?。?）放入試樣，關(guān)閉試樣孔，調(diào)整煤油滴量工藝要求后，開始強(qiáng)滲，90min后，強(qiáng)滲完畢。

　?。?）降低煤油滴量至工藝要求，保溫450min，取枚試樣，檢測(cè)層深至工藝層深2.0mm時(shí)（60min為擴(kuò)散至工藝層深的時(shí)間調(diào)整范圍）進(jìn)一步調(diào)整降低煤油滴量至工藝要求并保溫60min（工藝進(jìn)行二次擴(kuò)散的目地：是為了獲得合理的表面碳濃度及濃度梯度）。

　　2.滲碳后冷卻
　　對(duì)于滲碳后空冷易于開裂的鋼種，通常采用以下三種方法：

　?。?）滲碳后隨爐冷或在冷卻罐中緩慢冷卻，以保證整個(gè)滲層深度內(nèi)獲得均勻的珠光體組織。

　?。?）滲碳后快速冷卻，使?jié)B碳層得到馬氏體+殘余奧氏體的組織，也能防止開裂。

　?。?）滲碳后較快地冷卻至150～200℃或450～500℃，將工件轉(zhuǎn)移至650℃爐中進(jìn)行高溫回火，使之形成珠光體組織亦可防止開裂。

　　我們實(shí)際采用第二種方法，即滲碳后快速冷卻。

　　3.結(jié)果
　　主軸套筒淬火、回火的加熱設(shè)備根據(jù)其重量、輪廓尺寸及幾何形狀分別確定為滲碳爐、回火爐。淬火冷卻介質(zhì)由于Mo、Ni的同時(shí)存在，提高了鋼的淬透性。所以，淬火冷卻介質(zhì)改為鹽水-油的雙液淬火方法效果明顯。至此，主軸套筒滲碳全部工序完成后，我們對(duì)其裂紋、硬度及變形情況進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果如下：

　　（1）主軸套筒滲碳的工藝結(jié)論
　　主軸套筒是由外協(xié)廠家鍛造完成，這是一種非標(biāo)準(zhǔn)滲碳鋼，雖然C、Cr、Mn、Ti的含量為20CrMnTi，因含有0.15%Mo、0.30%Ni致使?jié)B碳后冷卻的工藝性能急劇變壞，采用滲碳后淬火+高溫回火可保證零件的質(zhì)量。

　　（2）主軸套筒淬火的工藝結(jié)論
　　外協(xié)廠家鍛制的非標(biāo)準(zhǔn)滲碳鋼，熱處理的工藝關(guān)鍵是滲碳及滲碳后的冷卻方法。而淬火工藝的順利實(shí)現(xiàn)，則表示這類鋼具有較好的淬火工藝性能。

　　（3）關(guān)于淬硬性及淬火變形的工藝結(jié)論
　　其一，淬硬性，外協(xié)廠家鍛制的非標(biāo)準(zhǔn)滲碳鋼具有較好的淬硬性，200℃回火后硬度可達(dá)55～60HRC。達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足套筒的工作條件，可以直接使用。

　　其二，淬火變形。淬火變形是在主軸套筒回火后的平衡狀態(tài)下，使用內(nèi)孔千分表及游標(biāo)卡尺測(cè)量完成的。滲碳后直接淬火各配合孔膨脹量約0.6mm，第二次淬火各配合孔膨脹量約0.4mm，外徑膨脹量度0.3mm。

　　其三，機(jī)械加工外徑、內(nèi)孔所需的加工余量。主軸套筒機(jī)械加工至設(shè)計(jì)精度要求的加工余量，應(yīng)由以下三部分，即二次淬火的變形、二次檢測(cè)誤差、二次磨削內(nèi)孔及外徑的精度要求所組成。數(shù)值如下：

　　內(nèi)孔＝0.6mm+0.4mm(淬火變形)+2×0.1mm(測(cè)量誤差)+2×0.4mm(工藝磨量)=2.0mm

　　外徑＝0.3mm+0.3mm(淬火變形)+2×0.1mm(測(cè)量誤差)+2×0.3mm(工藝磨量)=1.4mm

　　因此，確定套筒機(jī)械加工內(nèi)孔的加工留量應(yīng)為2.0mm，外徑的加工留量應(yīng)為0.6mm，二次淬火膨脹量約為0.8mm，所以外徑的真實(shí)磨量約為1.2mm以上，足以保證機(jī)械加工至設(shè)計(jì)要求的精度。

　　其四，合理的工藝滲碳層深度。主軸套筒設(shè)計(jì)要求層深為0.9mm，深度偏差為0.4mm，機(jī)械加工外徑、內(nèi)孔的加工余量是直徑的留量，為滲層深度的一半，所以，熱處理的滲碳層深為1.0mm+0.9mm+0.4mm=1.9+0.4mm。

　　四、結(jié)語
　　以上的工藝改進(jìn)成功完成了主軸套筒的熱處理工序，保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行，同時(shí)也填補(bǔ)了我公司大型滲碳件熱處理工藝的空白。

來源：《金屬加工（熱加工）》2017年7期