20CrMnTi輸出軸熱處理形變超差原因分析

■ 闞亞威

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我公司擺線液壓馬達(dá)輸出軸材料主要為20CrMnTi，熱處理工藝為滲碳直接淬火+低溫回火，工藝如圖1所示。近期公司生產(chǎn)的BM4輸出軸熱處理變形超差，外圓磨削余量不夠，導(dǎo)致批量報(bào)廢，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，現(xiàn)對(duì)該批次材料輸出軸變形原因進(jìn)行分析。該型輸出軸工藝路線為：下料→冷擠壓→車削→銑削→熱處理→清洗→磨削→成檢。

1.試驗(yàn)過程與結(jié)果

（1）尺寸檢查 輸出軸外形如圖2所示，熱處理前外圓相對(duì)兩頂尖圓跳動(dòng)要求≤0.05mm，熱處理后外圓相對(duì)兩頂尖圓跳動(dòng)要求≤0.20mm。取20根A批次BM4輸出軸，編號(hào)A1-A20與20根B批次BM4輸出軸，編號(hào)B1-B20分散裝入同爐中，熱處理前及熱處理后通過偏擺儀分別測(cè)量輸出軸外圓相對(duì)兩頂尖圓跳動(dòng)，結(jié)果如表1、表2所示。A批次輸出軸變形量較大且不穩(wěn)定，有11根軸的變形量超過0.15mm；B批次輸出軸變形量較小且穩(wěn)定，變形量均小于0.15mm。

（2）化學(xué)成分分析 分別對(duì)A批次輸出軸和B批次輸出軸原材料化學(xué)成分進(jìn)行分析。檢測(cè)結(jié)果如表3所示，化學(xué)成分符合要求，且兩批次化學(xué)成分差別不大。

（3）硬度檢測(cè) 該零件技術(shù)要求：表面硬度55～63HRC，心部硬度：32～47HRC，有效硬化層深度為0.6～0.9mm。A批次輸出軸：表面硬度59～60HRC，心部硬度：35～41HRC，有效硬化層深度為0.81mm；B批次輸出軸：表面硬度59～60.5HRC，心部硬度：40～41HRC，有效硬化層深度為0.82mm；均符合技術(shù)要求。

（4）金相檢測(cè) 該零件熱處理金相組織要求：表層回火馬氏體≤5級(jí)，殘留奧氏體≤3級(jí)，碳化物≤3級(jí)；經(jīng)檢測(cè)A、B兩批次輸出軸金相組織均為：回火馬氏體4級(jí)，殘留奧氏體2級(jí)，碳化物1級(jí)，均符合技術(shù)要求。

圖1 熱處理工藝路線

圖2 輸出軸外形示意

表1 A批次輸出軸尺寸檢查

表2 B批次輸出軸尺寸檢查

表3 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢測(cè)結(jié)果 （%）

原材料金相組織檢查，從圖3可以看出，A批次輸出軸帶狀組織4級(jí)，屬于嚴(yán)重的帶狀偏析；從圖4可以看出，B批次輸出軸帶狀組織2級(jí)，帶狀組織輕微。

圖3 A批次輸出軸顯微組織（100×）

圖4 B批次輸出軸顯微組織（100×）

2.分析與討論

根據(jù)以上檢驗(yàn)結(jié)果，該20CrMnTi材料BM4輸出軸A、B批次熱處理后金相組織基本一致，原材料化學(xué)成分差距不大，均符合技術(shù)要求，但是熱處理后變形量差別較大，通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)原材料帶狀組織級(jí)別不同，嚴(yán)重的帶狀組織會(huì)導(dǎo)致熱處理形變過大且心部硬度不均勻，出現(xiàn)低點(diǎn)，這是由于該種帶狀組織本質(zhì)是一種成分偏析，局部含碳量及合金元素分布不均勻，造成淬火硬度分布不均勻，并使鋼在淬火過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，加劇了熱處理過程中的變形，最終導(dǎo)致產(chǎn)品零件因熱處理形變而批量報(bào)廢。成分偏析引起的帶狀組織很難用熱處理的方法加以消除，一般只能進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火后正火并高溫回火來(lái)減輕，因此需對(duì)20CrMnTi原材料的帶狀組織級(jí)別做出要求，帶狀組織≤2級(jí)作為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

3.結(jié)論和建議

（1）該BM4輸出軸熱處理形變超差的主要原因是由于原材料帶狀組織級(jí)別過高導(dǎo)致的，在后續(xù)熱處理過程中由于原材料的不均勻性導(dǎo)致滲碳淬火產(chǎn)生嚴(yán)重的變形。

（2）加強(qiáng)原材料顯微組織的檢測(cè)，對(duì)20CrMnTi原材料的帶狀組織級(jí)別提出要求，以帶狀組織≤2級(jí)作為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過上述措施有效地解決了擺線液壓馬達(dá)輸出軸熱處理形變超差的問題。