9310钢薄壁件渗碳淬火回火变形控制

9310钢薄壁件渗碳淬火回火变形控制

周动林

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江哈尔滨 150066

摘要：本文通过对9310钢薄壁衬套制件进行了渗碳淬火回火工艺的研究，并对试验数据进行积累统计，建立了计算零件变形量的数学模型，对前期的工艺路线的确定有着重要的意义，同时提出了有效地解决衬套零件变形的措施，使零件符合技术要求。

关键字：9310钢 薄壁衬套 变形量

1. 前言

9310钢材料属于低合金高强度渗碳钢，是当前国外各主流机种普遍采用的渗碳钢，它具有渗碳温度高（927℃），渗碳层淬硬性好，淬火后表面硬度高的特点。这种材料与常规渗碳材料有所不同，同时重新定义有效渗层深度（即HRC50深度）和HRC60硬度的深度，存在较多复杂的工艺难点。一是要求零件渗碳淬火后HRC60深度至少占有效渗层深度的45%，且渗层中的碳浓度梯度不大于0.9%，残余奥氏体含量不大于10%，这些技术要求是以前其它机型所没有的。9310钢^[1]是一种优良的渗碳钢。该钢具有较高的淬透性，经渗碳-淬火-低温回火，不但表面可以获得较高的硬度，而且心部强度和韧、塑性配合也很好，同时此钢的切削性能很好，常用于制造各种齿轮、轴等零件，是目前我厂各机种常用渗碳钢材料之一。

一类薄壁衬套类零件需进行渗碳淬火回火工序其壁厚尺寸为5.5mm～10.5mm, 外径尺寸φ101～130mm，在以往的热处理生产过程中没有对9310材料小直径薄壁件零件生产的经验。衬套零件的加工工艺流程^[2]为：下料～粗加工～调质～精加工～渗碳淬火回火～精磨～消除应力～精磨，对于薄壁件零件受力容易变形，所以在磨削加工过程中由于受到夹持力和自身重力的作用很容易产生磨削的不均匀，即卸下装夹后产生零件内径椭圆超差的现象，造成产品的报废。对于热处理过程必须保证零件的椭圆度在0.2mm范围内，才能使磨削工序零件尺寸在可控范围内。本文通过对零件渗碳淬火回火各工序间尺寸的把握，以及采用工装限制零件淬火变形等措施能够有效的控制零件的变形，达到合格范围。

二、试验准备

试验材料：9310钢，化学成分见表1

表1 9310钢化学成分^[3]（wt%）

技术要求：内径椭圆度≤0.15，渗层深度要求0.6～0.8（按STA84-100-20检查），剥层浓度≤0.9%C，表面硬度HRA≥78.5，心部硬度HRC33～41。

本次试验准备对三种零件热处理后的尺寸进行对比，其热处理之前的尺寸要求如下：

表2 各零件要求尺寸及心轴尺寸

三 试验

3.1分析产生零件变形的因素：

（1）、渗碳加热温度 以往生产中9310钢材料的渗碳温度定为927℃，强渗阶段碳势为0.98%C，但是对于浅渗层的零件来说，927℃渗碳零件的渗碳速度太快，渗层深度容易超差，同时由于加热温度较高渗碳过程中产生的热应力较大，对控制零件变形不利，适当的降低渗碳温度一方面使渗碳速度降低，也减少了零件加热过程中的变形。

（2）、零件的淬火变形 由于该零件结构上的特点（内径渗碳），使得在淬火过程中不加限制的自由变形将很难控制，而因其结构相对单一（回转体零件），在淬火过程中制作工装是可行的，在减小零件的变形同时也能够起到很好的校正椭圆度的效果。

3.2 试验参数

3.2.1渗碳工序

渗碳选用设备为爱协林渗碳炉，保温温度为（900±6）℃；

碳势为（0.3～0.4）% 保温（30～40）min;

(0.98) % 保温3h40min;

渗碳结束后保温温度为（815±6）℃，碳势（0.90～0.95）%，保温（30～40）min,保护气氛冷却。

高温回火：设备为真空炉，保温温度为（621±14）℃。保温时间为3h～3.5h，冷却方式为充氮气冷。

3.2.2淬火回火工序

实验方案一

淬火：设备为少氧化炉，保温温度为（815±10）℃。保温时间为40min～60min。

冰冷处理：设备为冷冻机，保温温度为（-70～-80）℃。保温时间为4h～4.5h，冷却介质为空气。

低温回火：设备为空气循环炉，保温温度为（150±10）℃。保温时间为4h～4.5h，冷却介质为空气。

实验方案二

零件淬火前整体镀铜，铜层厚度0.015～0.03mm

淬火：设备为箱式炉，保温温度为（815±10）℃。保温时间为40min～60min，使用心轴工装进行淬火。

冰冷处理：设备为冷冻机，保温温度为（-70～-80）℃。保温时间为4h～4.5h，冷却介质为空气。

低温回火：设备为空气循环炉，保温温度为（150±10）℃。保温时间为4h～4.5h，冷却介质为空气。

四、试验结果及分析

4.1渗碳的试验结果

渗碳热处理后对试验件进行金相组织检测。其金相组织按STA100-84-20^[4]进行评级碳化物为4级，残余奥氏体为3级，心部组织为3级，渗层显微组织要求为碳化物1级～6级，残余奥氏体级1级～3级，心部组织1级～4级，表面硬度检查为HRC60～61。渗层深度按STA100-84-20进行检查为0.75 mm，剥层浓度0.70/0.69/0.64/0.63/0.59。

4.2零件各方案尺寸

表3 a零件各工序尺寸

表4 b零件各工序尺寸

表5 c零件各工序尺寸

4.3原因分析及理论计算

零件热处理后产生变形的诱因是应力，而热处理过程中产生的应力分为热应力和组织应力。在渗碳过程中，有CH4→{C}+2H2,2CO→{C}+H2O^[5]化学反应，即当渗碳剂滴入渗碳炉中，分解成活性碳原子并溶入奥氏体中，形成间隙固溶体，从而改变了晶格常数，可以使其体积增加，当然这种增加的量是微小的，但是由于{C}原子的不断渗入并扩散，在工件表面形成了一定范围内的高碳区（相对心部组织）并随着与表面距离的增加碳浓度呈现递减的梯度趋势，在零件淬火过程中会形成相当于过共析区（板条马氏体+渗碳体）、共析区以及亚共析区（低碳马氏体+铁素体），由于马氏体的体积模量相对于奥氏体大，淬火后就会产生变形^[6]。由于衬套类零件的内径渗碳而外径不进行渗碳，造成了内外径组织的差异，形成直径方向尺寸变大的趋势，这是自由态淬火变形的诱因之一。除了组织应力的作用以外零件在加热冷却过程中会产生热应力，由于衬套零件结构上的差异，即一个端面有加强，限制了其淬火冷却的收缩变形，而另一个端面悬空，所以造成了淬火过程中零件呈喇叭口状，直径方向变小，但是热应力的作用效果大于组织应力。在热应力和组织应力的联合作用下，零件淬火后直径方向变小。

从表3表4表5中我们不难看出bc零件渗碳高温回火后的变形量大致相当，而a零件变形量相对较大，这是因为a零件壁厚较bc两种零件薄，致使零件在渗碳加热，高温回火加热过程中热应力作用效果较大。虽然相对于最终零件的变形程度较小，但是高温回火后的尺寸是淬火回火时再次变形的基础。按方案一进行淬火回火之后，a零件的变形量约为0.4mm，b零件变形量约为0.2mm，而c零件的变形量约为0.3mm。b c之间变形存在差异的c零件外径尺寸相对于b零件大，同时零件的高度相对较大，这就使“收口”部位在淬火变形过程中的限制作用减小，从而增大了零件的变形。

我们设想零件的变形量△是与壁厚t呈反比，与零件的外径尺寸D呈正比，与高度H呈正比，与零件的形状因子K1呈正比（K1因零件形状不同而不同，当零件收缩变形时K1为负数，膨胀变形时为正数），同时我们设想在同种热处理条件下的相关系数为K2。

就可以有 △=K1·K2·D·H／t

那么△a=379.9 K1·K2；△b=190 K1·K2；△c=309 K1·K2；△a：△b：△c=379.9：190：309，大致相当于4:2:3与我们以上统计的数据相符。

变形量公式中的各个常数值可以通过试验得出，当然这只是一个近似的零件变形推理公式，可以在实践中不断验证，并加以修改。变形量的可计算性能够便利的估算出零件淬火的变形，其大小在机械加工允许范围内的时我们就省去了制作工装的时间和成本，当然自由状态淬火是最方便的。但是如果其变形量超出了我们能够接受的范围我们必须想办法减少或者甚至避免，这就是这个变形量公式的意义。

在以上三个统计数据表格中我们可以发现通过使用工装我们能够有效的防止零件淬火变形，值得一提的是在加工工装时我们必须考虑到零件淬火时的实际状态（整体镀铜），所以制作的工装应该比零件的要求内径尺寸小0.05mm左右，同时零件从工装上卸下会有一定量的收缩，这也时我们必须考虑的问题。

五、结论

1、通过试验得出了9310钢按照相关标准0.6～0.8mm的渗层及金相组织要求所用参数：{保温温度（900±6）℃；

碳势为（0.3～0.4）% 保温（30～40）min;

(0.98) % 保温3h40min;

渗碳结束后保温温度为（815±6）℃，碳势（0.90～0.95）%，保温（30～40）min,保护气氛冷却，

高温回火：设备为真空炉，保温温度为（621±14）℃。保温时间为3h～3.5h，冷却方式为充氮气冷。}

2、对三种零件渗碳淬火回火过程尺寸的变化进行统计计算，建立了数学模型公式△=K1·K2·D·H／t

（变形量△；壁厚t；外径尺寸D；高度H；形状因子K1 ；热处理相关系数K2）能够模拟计算出零件的变形量和变形规律。

3、根据变形量的理论计算，在产品研制阶段提出零件的淬火方案，率先识别零件的淬火方式，以及为工装的设计提供有效合理的数据。

参考文献

[1]汪志良.《中国航空材料手册》.中国标准出版社，1988.

[2] 王可勇 金属热处理[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3] 王广生 热处理手册 第一卷 工艺基础[M].北京：机械工业出版社，2001.

[4] 曾西军.《结构钢可控气氛渗碳热处理工艺规范》.2008.

[5] 徐跃明等.《热处理工程师手册》.机械工业出版社,2005.

[6] 胡明娟等.《钢的化学处理原理》.北京.中国铁道出版社,1980.

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