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嘉峪檢測網(wǎng) 2018-09-17 11:05
隨著柴油發(fā)動機的更新?lián)Q代,大馬力的動力驅(qū)動挺桿需求量增加,鋼制挺桿應(yīng)運而生,它是發(fā)動機上的關(guān)鍵部件,在工作過程中與凸輪反復(fù)進行高應(yīng)力的面接觸,彼此之間的摩擦力較大,挺桿與凸輪相接觸的端面為內(nèi)球面,與凸輪相對滑動為點接觸,故要承受較大的接觸應(yīng)力作用。因此對挺桿的技術(shù)要求為表面有高的硬度、高的耐磨性,基體組織具有良好的綜合力學(xué)性能。
分析氣門挺桿的工作條件可知,挺桿應(yīng)具有力學(xué)性能為:
①具有一定的強度和韌性。
②表面有高的硬度和良好的耐磨性。
③高的抗擦傷能力。
Cr12W屬于高耐磨鉻鋼,高碳和高鉻萊氏體鋼,具有較高的淬透性、淬硬性、強韌性、耐磨性和淬火體積變形小等特點,為滿足鋼制氣門挺桿的服役要求,故選用Cr12W、Cr12等材料制作鋼制挺桿。某類鋼制挺桿毛坯外圓為φ38.450-0.05mm,氮碳共滲前外圓φ38.150-0.03mm,成品外圓φ38-0.025-0.050mm。其熱處理后的基體硬度不小于43HRC,內(nèi)孔橢圓變形量在0.05mm以內(nèi)。在液體氮碳介質(zhì)中進行表面處理后,滲層深度不小于0.033mm,表面硬度不小于850HV0.2,脆性小于2級。
鋼制挺桿的熱處理缺陷特征與產(chǎn)生原因
鋼制挺桿采用Cr12W鋼制造,其壁厚為2mm,為薄壁零件,其工藝流程為:下料→加熱→熱擠壓→球化退火→車加工→磨加工→鉆孔→淬火→高溫回火→空冷→磨削加工→磁粉探傷→液體氮碳共滲→清洗→拋丸→防銹→磨外圓→研磨球窩→檢驗→刻字→包裝等。
1.挺桿的孔變形(橢圓)
該鋼制挺桿熱處理流程為淬火→高溫回火→拋丸→防銹。其熱處理工藝為960~980℃×35min油冷+570~590℃×180min空冷,挺桿躺在網(wǎng)帶爐上進行加熱,硬度為不小于43HRC。移入加工車間進行磨桿部外圓時,出現(xiàn)部分桿部有沒有磨起來的現(xiàn)象,經(jīng)對未磨削的桿部直徑檢查,發(fā)現(xiàn)桿部存在橢圓的現(xiàn)狀。分析造成鋼制挺桿桿部為橢圓的原因,主要包括兩點:一是該薄壁筒狀挺桿沒有進行預(yù)備熱處理,機械加工應(yīng)力沒有釋放與消除,而直接加熱淬火,故出現(xiàn)應(yīng)力變形;二是其躺在網(wǎng)帶上進行加熱,造成上下薄壁加熱的不均勻,加上重力的作用,造成挺桿的橢圓的產(chǎn)生。
2.鋼制挺桿氮碳共滲缺陷
鋼制挺桿氮碳共滲缺陷有表面腐蝕、開裂與端面起皮、端面花斑等。鋼制挺桿液體氮碳共滲的普通工藝流程為:浸泡→漂洗→噴淋→預(yù)熱→氮碳共滲→氧化→冷卻→清洗→光飾或拋丸→煮油。在對某一批鋼制挺桿過程與成品檢驗均發(fā)現(xiàn)有部分挺桿出現(xiàn)表面腐蝕(見圖1),開裂如圖2與圖3所示,其中圖2端面裂紋甚至為通裂,沿著出油孔開裂,圖4為端面起皮(剝落),圖5為端面花斑等,成為影響該挺桿質(zhì)量的重要缺陷,圖6為氮碳共滲采用的工裝。
(1)鋼制挺桿端面腐蝕產(chǎn)生原因
在調(diào)整鹽浴成分過程中,氮碳共滲中反應(yīng)產(chǎn)生的中間產(chǎn)物為M2CO3,與再生鹽Z-1(化學(xué)結(jié)構(gòu)類似一種有機物C-H-N的聚合物)反應(yīng),使原來生成的碳酸鹽又重新形成活性的氰酸鹽。產(chǎn)生氰酸鹽、一氧化碳后,恢復(fù)了基鹽的活性,反應(yīng)過程中需要不間斷的向鹽浴中通入空氣以得到活性的氮碳原子,此時氰酸根較高,同時空氣中氧氣與挺桿在鹽浴中反應(yīng),造成表面的氧化腐蝕。另外,氮碳共滲后未及時氧化,中間挺桿在較高溫度下與空氣接觸而氧化腐蝕。
(2)鋼制挺桿開裂與端面起皮(剝落)產(chǎn)生原因
對于開裂的挺桿進行檢查,化學(xué)成分見附表。
Cr12W氣門挺桿的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) %)

可見該材料的化學(xué)成分符合要求。硬度檢驗結(jié)果:基體硬度為45.5HRC,表面硬度為900HV0.2,符合技術(shù)要求。其液體氮碳共滲工藝曲線具體如圖7所示,無異常,氮碳共滲與基體組織具體如圖8所示,可以看到化合物層致密,滲層深度為0.0425mm,白亮層深度為0.0065mm,脆性1級,內(nèi)部有個別大的碳化物,金相組織無異常。

圖7 氣門鋼制挺桿液體氮碳共滲工藝曲線

圖8 氣門鋼制挺桿液體氮碳共滲化合物層分布 400×
從挺桿裂紋的形態(tài)分析,其在氮碳共滲前有磁粉探傷,由于Cr12W鋼為高合金鋼,回火后采用空冷,故排除了熱處理過程中出現(xiàn)裂紋的可能性,氮碳共滲采用的液體軟氮化處理,其流程為串筐→清洗→預(yù)熱→氮碳共滲→氧化處理→清洗→拋丸→防銹。而氮碳共滲后進行氧化處理,有效減少了內(nèi)外溫差,經(jīng)過化驗得知,圖2中裂紋處的白色物質(zhì)為泛出的氮碳基鹽與氧化鹽的成分,進行金相分析沒發(fā)現(xiàn)裂紋處有氧化脫碳現(xiàn)象,也沒有氮碳共滲層存在。
大部分挺桿開裂是通過出油孔的,表明此處流動性強,冷卻十分激烈,而工作面底部的厚度比壁厚的多,故內(nèi)外熱應(yīng)力大。挺桿氧化后的清洗水溫為40~80℃,采用的氮碳共滲工裝見圖6,挺桿是口向下緊密排列在一起,考慮到高合金鋼的導(dǎo)熱性差,從氧化爐提出后的挺桿表面溫度約為350℃,在停留一段時間后進行清洗,由于筐邊緣的挺桿散熱快,而筐心部(中間)部分的挺桿仍會有較高的溫度,故在清洗時溫差較大而產(chǎn)生大的熱應(yīng)力而開裂。通過對端面起皮的挺桿進行檢測,發(fā)現(xiàn)其起皮(剝落)的厚度為氮碳共滲層的深度,表明是氮化層與挺桿基體分離了,這發(fā)生在中間的氣門挺桿上,仍為冷卻過早造成。
(3)鋼制挺桿端面花斑產(chǎn)生原因
對氮碳共滲后的挺桿進行拋丸處理后,發(fā)現(xiàn)端面有時出現(xiàn)批量的花斑,其原因在于氮碳共滲前后清洗不干凈造成的,氮化前表面粘附臟物(包括磨削液、油污、防銹劑等)未清理干凈,端面存在水跡;氮化后表面與型腔內(nèi)水及臟物未洗干凈,拋丸過程中落入挺桿表面形成花斑。另外在進行挺桿拋丸裝架時,挺桿端面留有手印或戴沾油的工作手套放置挺桿等,同樣會出現(xiàn)花斑等缺陷。
鋼制挺桿缺陷的預(yù)防措施
1.對于變形的控制與預(yù)防
淬火前要消除機械加工應(yīng)力,將挺桿在圓筐中孔向上擺放整齊,在井式爐中進行去應(yīng)力600℃×4h的去應(yīng)力退火處理;同時將躺在網(wǎng)帶上進行加熱,改為孔向上擺放加熱,確保筒狀薄壁挺桿均勻加熱。事實證明措施有效,再沒有出現(xiàn)變形缺陷的發(fā)生。
2.對于氮碳共滲后鋼制挺桿缺陷的預(yù)防
(1)端面腐蝕
鹽浴調(diào)整成分過程中,嚴(yán)禁放入需要氮碳共滲的挺桿;挺桿在在氮碳共滲后立即進行氧化處理,待停留20min,取出空冷到100℃左右用80℃的熱水清洗;徹底撈渣,防止鹽渣過多。
(2)端面裂紋與剝落
針對此缺陷,可采取的措施為:
①將氮碳共滲與氧化后的整架挺桿放置到室溫后清洗。
②為有效提高生產(chǎn)效率,改進氮碳共滲工裝,即可抽拉式的,將氧化后的挺桿網(wǎng)板取出空冷,可完全避免因挺桿冷卻不當(dāng)而發(fā)生裂紋與剝落缺陷。
(3)端面花斑
加強挺桿預(yù)熱前的清洗,采用的金屬清洗劑應(yīng)能將挺桿在車削、磨削加工過程中使用的切削液、磨削液以及乳化油等浸泡干凈。鹽浴的撈渣要徹底,避免渣多粘附在端面上。另外挺桿在拋丸前應(yīng)清洗干凈內(nèi)孔臟物,防止滴落的臟水落在下一層的挺桿端面上形成花斑。同時擺放拋丸挺桿時,禁止徒手或戴沾油的手套操作。
結(jié)語
(1)采取正確的熱處理方式,高合金鋼制挺桿淬火變形是可以控制的。
(2)挺桿氮碳共滲過程中,只要規(guī)范操作要點與要求,則可防止端面腐蝕的產(chǎn)生。
(3)挺桿氮碳共滲后的清洗過程中,要采用氧化后在空氣緩慢冷卻后清洗方法,可有效避免開裂與起皮缺陷的發(fā)生。
(4)確保挺桿前后的清潔,即可消除端面花斑的出現(xiàn)。

來源:熱處理生態(tài)圈