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可锻铸铁高频感应热处理及金相组织分析
上海工业大学 翁韶蓉
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摘要:介绍了某轿车变速器零件A型齿轮的材料及热处理工艺。通过对可锻铸铁高频感应热处理前后的显微组织分析,认为用于高频感应热处理的零件材料应是珠光体型可锻铸铁;或者在高频感应热处理前经调质处理即采用铸造→调质→机加工→高频感应淬火的工艺。
关键词:可锻铸铁;高频感应热处理;调质处理;珠光体;石墨
1引言
高频感应热处理工艺因具有加热速度快,生产效率高、节省能源、易于机械化和自动化等特点,在汽车零部件生产等方面得到了广泛的应用。汽车高频感应热处理零件常选用优质碳素结构钢(如35钢、40钢等)、合金结构钢(如35Cr钢等)和铸钢(如ZG35和ZG45等)等。而某国外牌号轿车变速器零件———A型齿轮材料为QS11MS55,是珠光体型可锻铸铁,要求对其进行高频感应热处理,这是一个比较新的课题。
2高频感应淬火对材料的要求
根据德国欧宝公司的《工程材料规范》规定,QS11MS55(国内牌号KTZ550204)淬火前的组织应为层状珠光体或粒状Fe3C和呈均匀分布的石墨,允许存在少量铁素体,无游离渗碳体;并规定用于感应淬火的零件其珠光体应呈粒状结构,铁素体每单位面积最大含量为20%。
用于高频感应淬火的铸铁件要求为珠光体型可锻铸铁,这是因为淬火后容易得到马氏体。若是铁素体为主的可锻铸铁,则在高频瞬时加热中,铁素体来不及转变为奥氏体,碳也来不及在奥氏体中充分扩散,因此在淬火得到马氏体的同时,组织中还存在铁素体,影响了铸件的硬度和耐磨性。
3高频感应淬火试验
A型齿轮及尺寸见图1。外齿轮高频淬火表面硬度要求为46～56HRC;硬化层深度要求≥110mm,硬化特性曲线应基本符合要求。
3.1零件原材料的调质处理
试验用进口零件材料为两种组织形态,一种是符合欧宝公司要求的珠光体型可锻铸铁,其原始组织为粒状珠光体+呈较细团絮状且均匀分布的石墨,无游离渗碳体(图2)。另一种为铸造后调质状态,原始组织为回火索氏体+呈较细团絮状且均匀分布的石墨,基体硬度为22～24HRC(图3)。两种材料均符合高频感应淬火工艺对其组织的要求。

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图1 A 型齿轮及其尺寸(mm)

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图2原始组织为粒状珠光体+呈团絮状分布的石墨
4%HNO3溶液侵蚀400×

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图3原始组织为回火索氏体+呈团絮状分布的石墨
4%HNO3溶液侵蚀400×

在生产中未经调质的可锻铸铁的原始组织为珠光体+铁素体(珠光体含量为50%～80%),经过高频瞬时加热后容易造成有效硬化层深度分布不均匀,导致表面硬度值高低不均,若要达到高硬度,采取提高淬火温度往往会使铸件产生裂纹。因此,要求对铸件毛坯进行调质处理,得到均匀的回火索氏体,再经高频感应淬火后便能得到均匀的马氏体组织和均匀的表面硬度及硬化层深度。
3.2高频感应淬火工艺
与钢相比,要达到同样的硬化层深度,可锻铸铁感应加热时间要长些,以使珠光体型可锻铸铁中存在的少量铁素体充分溶解。若材料的硬度高低不均则加热速度不能太快,否则会使铁素体向奥氏体转变点显著提高,造成部分铁素体因未能转变成奥氏体而残留在淬火层组织中,使淬火后表面硬度下降。冷却时为避免产生裂纹,一般不直接冷却到室温,而冷却到一定温度(150℃)后即喷水溶性介质。经表面淬火后的零件应及时回火。
由于可锻铸铁导热性比钢差得多,因此选择合适的频率就显得尤其重要。对于A型齿轮,其齿数为12,模数为8.4118,齿高为5mm,较一般渐开线齿轮的齿高低得多,在全齿加热时,其轮齿对齿沟的屏蔽作用就相对小许多,因此可以选用比普通渐开线齿轮全齿加热最佳频率稍高一些的频率。经工艺试验,采用90kHZ的超音频电源,加热效果良好,完全达到了技术要求。
原材料为调质态零件经高频感应淬火后的实物见图4,高频淬火组织为均匀的淬火马氏体+团絮状石墨,见图5。

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图4零件经淬火后的实物1∶3
4%HNO3溶液侵蚀

（图片）

图5高频淬火组织280×
4%HNO3溶液侵蚀

4结论
(1)用于高频感应热处理的可锻铸件要求原始组织为珠光体基体。
(2)根据对进口零件材料分析的结果及生产经验,对可锻铸铁零件,首先对毛坯件进行调质处理,然后进行机加工,再进行高频淬火,其工艺路线为铸造→调质→机加工→高频淬火,得到的硬化层深度均匀,且不易出现淬火裂纹。
(3)珠光体型可锻铸件的加热时间不宜过短,加热速度不宜过快,以使铁素体充分溶解。为避免产生裂纹,一般不冷却到室温,而冷却到一定温度(150℃)后即喷水溶性介质,淬火后应及时回火。
(4)选用适当的频率(90kHZ)才能在齿轮全齿淬火时获得近似沿齿廓分布的硬化层。 5/21/2010

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