雨刮軸熱處理工藝探析范文

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摘要：對比幾種不同的熱處理工藝，通過選擇合適的感應(yīng)線圈，選用PAG水溶性淬火劑并匹配PAG水溶性淬火劑濃度，同時改進最終高頻淬火工藝，使軸的相關(guān)性能滿足產(chǎn)品要求。

關(guān)鍵詞：高頻淬火工藝；PAG水溶性淬火劑；PAG水溶性淬火劑濃度；感應(yīng)線圈

雨刮軸主要用于傳遞刮水器電機輸出力矩給雨刮機構(gòu)直至雨刮臂，軸材料一般為SAE1144或40Cr，但軸螺紋處抗扭力矩設(shè)計要求大于30N．m且無損傷。在不經(jīng)過任何處理方式的情況下，軸螺紋抗扭力矩是不能滿足設(shè)計要求的。

1選擇熱處理工藝

熱處理工藝就是將材料在固態(tài)下通過加熱、保溫和冷卻，使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以獲得預(yù)期的性能。但是，熱處理工藝有很多種，如退火及正火、淬火、回火及失效、表面淬火、化學(xué)熱處理、形變熱處理，采取何種熱處理方式更經(jīng)濟更適用，且又能滿足產(chǎn)品要求呢？為此，采取了三種方案加工雨刮擺軸：①采用SAE1144經(jīng)過高頻淬火；②采用SAE1144經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理；③采用40Cr材料經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。三種方案存在的問題：第一種方案經(jīng)濟實惠，就現(xiàn)有的設(shè)備及加工工藝，采取目前的相關(guān)設(shè)備儀器及工藝方法加工的零件螺紋處力矩沒有到達要求就脆斷，滾花處經(jīng)過鉚接后，淬火層掉塊，扭矩不滿足設(shè)計要求；第二種方案加工工藝流程冗長，調(diào)質(zhì)處理需要外委，加工周期長，半成品堆積時間長，而且扭矩達不到設(shè)計要求，零件還有脆斷的風險；第三種方案扭矩雖然能滿足設(shè)計要求，但是零件還有脆斷的風險，而且調(diào)質(zhì)處理需要外委，加工周期長，產(chǎn)品產(chǎn)量大，半成品堆積時間長。分析三種方案存在的問題，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)狀，為了減少物流環(huán)節(jié)，降低生產(chǎn)成本，合理使用高效設(shè)備和啟用閑置設(shè)備即高頻淬火爐，必須采用第一種方案。

2熱處理高頻淬火工藝可行性的分析及工藝存在問題

2．1高頻淬火工藝可行性的分析

（1）高頻淬火的原理是將工件放在感應(yīng)器中，當感應(yīng)器中通過交變電流時，在感應(yīng)器周圍產(chǎn)生與電流頻率相同的交變磁場，在工件中相應(yīng)地產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，在工件表面形成感應(yīng)電流，即渦流。這種渦流在工件的電阻作用下，電能轉(zhuǎn)化為熱能，使工件表面溫度達到淬火加熱溫度，可實現(xiàn)表面淬火。采用高頻淬火有如下優(yōu)點：①熱源在工件表層，加熱速度快，熱效率高。②工件因不是整體加熱，變形小，可以用在零件精加工后進行。③工件加熱時間短，表面氧化脫碳量少。④工件表面硬度高，缺口敏感性小，沖擊韌性、疲勞強度以及耐磨性等均有很大提高。有利于發(fā)揮材料的潛力，節(jié)約材料消耗，提高零件使用壽命。

（2）對材料成分適用于高頻淬火可行性進行分析，通過對SAE11144材料成本的分析，該材料含碳量為0．37％－0．45％之間，還有Mn、P、S、Si等，屬于中碳易切削鋼，完全可以采用高頻淬火。該材料高頻淬火后的最終熱處理分析，高頻處理將材料零件加熱到臨界點以上某一溫度（相當于45號鋼淬火溫度為840－860℃，），保持一定的時間，得到奧氏體，然后以適當?shù)睦鋮s速度獲得馬氏體組織。馬氏體組織是鋼經(jīng)淬火后獲得的不平衡組織，它的硬度高，但塑性、韌性差，因此必須經(jīng)過回火處理，為了不降低鋼的硬度，以及廠內(nèi)現(xiàn)有回火設(shè)備，采用低溫回火主要是消除內(nèi)應(yīng)力，降低鋼的脆性。回火溫度初選擇165℃～178℃，在這個溫度回火可以得到回火馬氏體。

2．2工藝中存在問題

（1）確定高頻淬火的有效區(qū)域。作為高頻淬火的有效區(qū)域的依據(jù)是：根據(jù)產(chǎn)品使用情況，螺紋及滾花處是需要承受抗扭力矩的，需要進行高頻處理為高頻有效區(qū)域外，其余部分不需要進行高頻淬火，原材料就能滿足產(chǎn)品性能要求。

（2）高頻淬火硬化層深度分析，一般硬化層深度δ＝（10～20）％D，D為工件的有效直徑，因此取硬化層深度δ＝（10～20）％D＝（0．1～0．2）×6＝0．6～1．2，取中間值0．9，經(jīng)過對高頻設(shè)備參數(shù)的摸索及加工經(jīng)濟性，采用功率1、功率3都不滿足硬化層深度要求，只有功率2，刻度對8滿足要求。

（3）初步實施高頻淬火，采用目前使用的感應(yīng)線圈，淬火劑為水淬，回火設(shè)備，調(diào)試程序參數(shù)：采用功率2，刻度對8，走刀速度600～800，加熱停頓時間1s，高頻有效區(qū)按圖示進行，回火溫度165℃～178℃，保溫2～2．5小時，雖說硬化層深度約0．8mm，高頻有效區(qū)域硬度分布為HRC37～57，雖然軸螺紋處力矩有所提高，但有10％脆斷的風險，硬度分布范圍大，還是不滿足圖紙要求。

（4）通過上述驗證和查閱相關(guān)高頻淬火技術(shù)資料；1、軸螺紋經(jīng)過高頻淬火后脆斷原因：①采用高頻感應(yīng)電流快速對材料進行加熱，使零件表層瞬間形成奧氏體，由于加熱后還要通過感應(yīng)線圈才能冷卻，因此在保溫這段時間，奧氏體晶粒繼續(xù)長大，過了感應(yīng)線圈卻又用水快速冷卻，奧氏體晶粒越大，冷卻后的組織越粗大，使材料的力學(xué)性能尤其是沖擊韌性變壞。冷卻速度快，會使鋼中內(nèi)應(yīng)力增大，引起鋼件的變形，甚至開裂。2、硬度不均勻原因：沒有配備穩(wěn)壓電源，同時啟用多臺機床，電壓不穩(wěn)定造成。感應(yīng)線圈與工件之間的間隙越大，熱效率越低，還參雜空氣氣流，會導(dǎo)致加熱擴散。

3高頻淬火技術(shù)問題的改進及效果驗證

3．1改進方案

（1）采購與雨刮擺軸匹配的感應(yīng)線圈，理論要求間隙為1～3（不大于5），實際采購內(nèi)徑感應(yīng)線圈與零件外徑配合間隙在2．5－2．75之間。

（2）采購與SAE1144材料匹配的淬火劑（PAG水溶性淬火劑）。

（3）采購檢測PAG水溶性淬火劑濃度的折光儀，用來控制劑濃度。

（4）配備穩(wěn)壓電源。

3．2實施方案

（1）控制程序：采用功率2，刻度對8，走刀速度600～700，螺紋處加熱停頓時間1s，滾花加熱處停頓時間2s，高頻有效區(qū)按圖示加工。

（2）配制淬火濟濃度8％。

（3）回火溫度：使用溫度均勻的烘箱，零件放置于烘箱，隨爐升問溫至165℃～178℃，保溫2～2．5h，取出零件，自然冷卻。

（4）配備穩(wěn)壓電源。

3．3方案效果驗證

硬度高頻表面局部淬火后再經(jīng)低溫回火后，零件組織為淬硬層加心部組織，其中淬硬層又分為：表面層及過渡層，用金相顯微鏡測量淬硬層深度0．916mm，零件經(jīng)過表面處理后，其各層的硬度是不同的，從表面、過渡層到心部，硬度逐漸降低。隱針狀馬氏體，一般中碳鋼快速加熱時，會得到極細的奧氏體晶粒，淬火之后得到極細的條狀和片狀馬氏體的混合組織，在顯微鏡下看不出馬氏體的形態(tài)特征，是一種隱針狀馬氏體，該馬氏體具有優(yōu)良的強韌性能，既有較高的強度，又有良好的塑性和韌性，其αk值和KIC值均比較高，冷脆性轉(zhuǎn)變溫度較低，在生產(chǎn)中是廣為應(yīng)用的理想淬火組織，是一種強韌化組織。對軸的螺紋力矩及滾花處力矩進行3個不同批次并每批次測試20件，軸螺紋抗扭力矩都能達到30N．m以上，滾花處力矩滿足設(shè)計要求，且較為穩(wěn)定。通過更改加熱的感應(yīng)線圈內(nèi)徑，增加適量的PAG水溶性淬火劑，以及更改回火參數(shù)，得到極細的條狀和片狀馬氏體的混合組織，在顯微鏡下看不出馬氏體的形態(tài)特征，是一種隱針狀馬氏體，該馬氏體具有優(yōu)良的強韌性能，既有較高的強度，又有良好的塑性和韌性，能使軸螺紋的抗扭力矩達到30N．m以上，滿足設(shè)計要求，且較為穩(wěn)定。

作者：楊治英 單位：貴陽萬江航空機電有限公司