文/朱國軍，楊冠南，黃波，蔣林濤·湖北三環(huán)車橋有限公司

汽車前軸熱處理變形分析

文/朱國軍，楊冠南，黃波，蔣林濤·湖北三環(huán)車橋有限公司

汽車前軸屬于大型長桿類鍛件，其鍛造熱處理之后經(jīng)常存在不規(guī)則的扭曲變形，影響產(chǎn)品的機加工，需要通過人工校正來消除，而有些部位需要預(yù)留更多的加工余量才能保證尺寸大小，造成材料浪費嚴(yán)重。本文通過探討熱處理變形過程中遇到的問題，分析如何有效的控制熱處理過程來控制前軸的熱變形量，達到節(jié)省材料和提高熱處理質(zhì)量的目的。

變形量的來源及分析

前軸的變形量主要來自兩個方面，一個是應(yīng)力引起的變形，另一個是馬氏體相變引起的變形。應(yīng)力又包括熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。產(chǎn)生熱應(yīng)力的最主要的原因是零件溫度不均勻，這個問題在淬火過程中最明顯，表面先遇冷的部位體積收縮，受到拉應(yīng)力，因此容易發(fā)生淬裂。馬氏體相變零件體積增大，也會產(chǎn)生應(yīng)力和變形。淬火零件由于馬氏體相變不均勻，取向不規(guī)則，通常都具有很大的內(nèi)應(yīng)力。這些應(yīng)力使得零件內(nèi)部晶格畸變，產(chǎn)生裂紋等缺陷，也會使得前軸的最終形貌與圖紙不一樣。

用數(shù)學(xué)方法計算并定量分析復(fù)雜零件的淬火變形量是個世界難題。國內(nèi)外很多專家都想攻克這個難題，因為這個過程中影響因素和不確 定因素太多。針對本公司生產(chǎn)的前軸，在熱處理過程中影響其變形的因素總結(jié)為以下7點：

⑴鍛件本身的特性。例如，圓鋼鍛造成前軸時，若圓鋼成分不均勻，產(chǎn)生偏析，內(nèi)部有缺陷，容易使得鍛造變形不均勻。通過對不同位置的成分檢測、硬度金相檢測，可以看出存在淬透層深度金相轉(zhuǎn)變的差異性，對鍛件變形有一定影響。

⑵鍛造后擺放方式。鍛件終鍛溫度依然有將近800℃的高溫，高于再結(jié)晶溫度。在該溫度下鍛件受到持續(xù)應(yīng)力作用將發(fā)生蠕變。若擺放方式不對，冷卻速度不夠快，會產(chǎn)生一定變形。

⑶加熱時爐溫精確程度與加熱爐溫的均勻性。

⑷淬火入水方式。目前有鏈?zhǔn)竭B續(xù)爐水平入水和懸掛式落水兩種方式，如圖1所示。

⑸冷卻均勻性。最好的方式是工件在冷卻池中對稱懸掛，任何部位不接觸池底。各部位冷卻液流速均勻，對流換熱系數(shù)相近。兩側(cè)受到不均勻冷卻時，會產(chǎn)生不均勻變形。

圖1 鏈?zhǔn)竭B續(xù)爐水平入水和懸掛式落水

⑹冷卻速度。冷卻速度太快或太慢均不利于控制變形量。原因會在控制變形的方法中分析。冷速越慢熱應(yīng)力越小，變形量越小，但不利于發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，所以選取合適冷速是一個關(guān)鍵問題?？赏ㄟ^控制PAG淬火液濃度與溫度來調(diào)節(jié)冷卻速度。

⑺冷卻時間。工件冷卻太短或太久均不利于控制變形量。原因會在控制變形的方法中分析。確定了冷卻速度，冷卻時間就跟著確定了。

控制變形的方法

控制變形的方法可以圍繞以上7點，控制過程參數(shù)的一致性，相信變形量會有明顯減小。影響變形的因素雖然很多，但其中最重要的兩點為冷卻速度與冷卻的均勻性。一般來說，冷卻速度越慢，變形量越小。所以油淬比水淬變形量小，空冷比油冷變形量小。PAG濃度越大變形量越小。冷卻速度大應(yīng)力就大，更容易產(chǎn)生變形甚至產(chǎn)生裂紋等缺陷。冷卻速度小唯一的缺點是不容易發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。所以應(yīng)該選用可以形成馬氏體轉(zhuǎn)變比較小的冷卻速度。另外，對于淬透性較好的材料，成分對淬透性的影響比冷卻速度更大，可以適當(dāng)降低冷卻速度，從而減少變形量。

可以通過調(diào)節(jié)介質(zhì)濃度、溫度與攪拌速度來調(diào)節(jié)冷卻速度。工件淬火溫度對淬透層深度與變形量的影響很微妙，是個比較復(fù)雜的問題，這里不展開討論。不過針對各種材料都有公認(rèn)的淬火最佳溫度。我公司的熱處理工藝通常也是使用那些經(jīng)典參數(shù)。

冷卻均勻性是容易忽略的一點。然而這應(yīng)該是一個很需要被重視的因素。再次推薦這種冷卻方式：工件在冷卻池中對稱懸掛，任何部位不接觸池底。各部位冷卻液流速均勻，對流換熱系數(shù)相近。如果企業(yè)的條件不能達到這種冷卻方式，也希望盡量保證每個零件在冷卻液中有一個端正的姿態(tài)，盡量獲得均勻的冷卻。

相變的判定

發(fā)生相變的條件是把鋼加熱至完全奧氏體化（圖2），然后迅速冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms以下（圖3）。

圖2 鋼加熱至完全奧氏體化

圖3 迅速冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms以下

42CrMo臨界點溫度(近似值)為Ac1=730℃、Ac3=800℃、Ms=310℃。Ac1為奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度，Ac3為奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度，Ms為馬氏體轉(zhuǎn)變溫度。奧氏體轉(zhuǎn)變需要一定過程，所以淬火前要有一定保溫時間，保溫時間太長，奧氏體晶粒粗大，對性能不利。（晶粒越細性能越好是材料的普遍規(guī)律）保溫時間太短，奧氏體化不完全，不利于馬氏體轉(zhuǎn)變。結(jié)合C曲線與冷卻曲線，可以判斷鋼材發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的程度。

對熱處理線的爐體溫度、溫度均勻性、介質(zhì)溫度、介質(zhì)流速等變量最好均有監(jiān)控。只有通過大量的試驗數(shù)據(jù)采集分析每一個變量，才能準(zhǔn)確的把握每一個變量的改變對固定產(chǎn)品的影響，通過產(chǎn)品實際檢測出來的性能結(jié)果調(diào)整熱處理變量以達到產(chǎn)品的性能要求。