化学热处理工件的变形-渗碳工件的变形

化学热处理工件的表面和心部成分和组织不同,具有不同的比体积和不同的奥氏体等温转变曲线,因此,其热处理变形的特点和规律不同于一般工件。化学热处理的目的是为了强化零件的表面或改善工件表面的物理性能和化学性能,例如,提高工件的表面硬度、耐磨性和疲劳强度等,改善工件表面的抗氧化性、耐腐蚀性等。化学热处理层深有限,为了发挥渗层的有利作用,工件经过化学热处理后,只允许进行加工余量不大的磨削加工或不再进行机械加工,相对于一般工件,化学热处理工件的变形要求比较严格,研究和掌握化学热处理工件的变形规律和预防方法是热处理实践中的重要内容。

钢铁材料的化学热处理可以分为两类:一类在高温奥氏体状态下进行,热处理过程中有相变发生,工件变形较大,最常用的高温化学热处理工艺是渗碳;另一类在低温铁素体状态下进行,热处理过程中除因素渗入元素进入渗层形成新相外,不发生相变,工件变形较小,渗氮是最常用的低温化学热处理工艺。

渗碳工件通常用低碳钢和低碳合金钢制造,其原始组织为铁素体和少量珠光体,根据工件的服役要求,工件经过渗碳后需要进行直接淬火、缓冷重新加热淬火或二次淬火。渗碳工件在渗碳后缓冷和渗碳淬火过程中由于组织应力和热应力的作用而发生变形,其变形的大小和变形规律取决于渗碳钢的化学成分、渗碳层深度、工件的几何形状和尺寸以及渗碳和渗碳后的热处理工艺参数等因素。

工件按其长度、宽度、高度(厚度)的相对尺寸可以分为细长件、平面件和立方体件。细长件的长度远大于其横截面尺寸,平面件的长度和宽度远大于其高度(厚度),立方体件三个方向的尺寸相差不大。最大热处理内应力一般总是产生在最大尺寸方向上。若将该方向称为主导应力方向,则低碳钢和低碳合金钢制造的工件,渗碳后缓冷或空冷心部形成铁素体和珠光体时,一般沿主导应力方向表现为收缩变形,收缩变形率约为0.08%~0.14%。钢的合金元素含量增加、工件的截面尺寸减小时,变形率也随之减小,甚至出现胀大变形。图3-13a为20钢制造的量规,经过气体渗碳后(渗碳层浓度1.0㎜),长度方向收缩0.26㎜;图3-13b为20CrMo钢制造的辅具,经过920~940℃固体渗碳缓冷后(渗碳层深度约1.0㎜),孔距252㎜收缩变形量为0.12~0.14㎜。

截面厚度差别较大形状不对称的细长杆件,渗碳空冷后易产生弯曲变形。弯曲变形的方向取决于材料。低碳钢渗碳工件冷却快的薄鞭面一侧多为凹面;而12CrN3A、18CrMnTi等合金元素较高的低碳合金钢渗碳工件,冷却快的薄截面一侧往往为凸面。例:渗碳的导磨镶条,用15钢制造,经过渗碳空冷后,工件向冷却快的两条薄筋面一侧弯曲,用12CrNi3A钢制造时,则向相反一侧弯曲。

低碳钢和低碳合金钢制造的工件经过920~940℃温度下渗碳后,渗碳层碳的质量分数增加至0.6%~1.0%,渗碳层的高碳奥氏体在空冷或缓冷时要过冷至Ar1以下温度(600℃左右)才开始向珠光体转变,而心部的低碳奥氏体在900℃左右即开始向珠光体转变,而心部的低碳奥氏体过冷至Ar1温度以下也发生共析成分的渗碳层未发生相变,高碳奥氏体只随着温度的降低而发生热收缩,与此同时,心部低碳奥氏体却因铁素体的析出比体积增大而发生膨胀,结果心部受压缩应力,渗碳层则受拉伸应力。由于心部发生γ→α转变时,相变应力的作用使其屈服强度降低,导致心部发生压缩塑性变形。低碳合金钢强度较高,相同条件下心部的压缩塑性变形量较小。形状不对称的渗碳工件空冷时,冷却快的一侧奥氏体线长度收缩量大于冷却慢的一侧,因而产生弯曲应力,当弯曲内应力,当弯曲内应力大于冷却慢的一侧的屈服强度时,则工件向冷却快的一侧弯曲。对于合金元素含量较高的低碳合金钢,渗碳后表层具有较高、组织比体积较大的新相,而另一侧因冷却较慢形成的新相硬度较低,故出现相反的弯曲变形。

渗碳工件的淬火变形规律可以用相同的方法分析。渗碳件的淬火温度通常为800~820℃,淬火时渗碳层的高碳奥氏体从淬火温度冷却至Ms点温度区间内将发生明显的热收缩;而同时心部低碳奥氏体转变为铁素体和珠光体、低碳贝氏体或低碳马氏体。不论转变为何种组织,心部都因组织比体积的增大而发生体积膨胀,结果在渗碳层与心部产生较大的内应力。一般来说,未淬透的情况下,由于心部的相变产物为屈服强度较低的铁素体和珠光体,因而心部在渗碳层热收缩的压缩应力作用下,沿主导应力方向产生收缩变形;当心部的相变产物为强度较高的低碳贝氏体和低碳马氏体时,表层高碳奥氏体则在心部胀应力作用下产生塑性变形,结果沿主导应力方向而胀大。

随着渗碳钢碳含量和合金元素含量的增加,渗碳件淬火后心部硬度升高,主导应力方向胀大倾向增大。根据渗碳工件主导应力方向的变形率随心部硬度的变化曲线可知,当心部硬度为28~32HRC时,渗碳工件的淬火变形很小。随着心部硬度的升高,胀大变形倾向增大。很明显,提高淬火加热温度,选用剧烈的淬火冷却介质,提高渗碳钢的淬透性等凡导致渗碳工件心部硬度升高的因素,都会增大渗碳工件沿主导应力方向的胀大倾向。

殷汉奇研究了20CrMnTi钢和20CrMo钢制造的七种花键孔齿轮经过碳氮共渗淬火回火后的变形规律,发现花键孔产生了收缩变形,收缩的大小与心部硬度和钢的碳含量有关,碳含量偏下限的收缩变形量较小,心部硬度超过40HRC时,变形量显著增大。

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