薄壁零件碳氮共滲淬火質量控制研究

盧銳，柯文敏，張朝銘，吳超，湯俊禮

中國航發南方工業有限公司 湖南株洲 412002

1 序言

彈性軸承座內環（以下簡稱“內環”）是某飛機發動機上的零部件，在工作過程中，存在不斷滑動、滾動等相對運動過程，并與其他零件之間有摩擦，同時還承受了一定的交變彎曲應力和接觸疲勞應力，有時還會有一定的沖擊力，工作條件非常惡劣[1]。與服役條件相對應，該零件常見的失效形式有過量磨損、表面剝落、斷裂等。因此，對該零件的技術要求是表面具有高硬度、高耐磨性、高接觸疲勞抗力。因為碳氮共滲層比滲碳層有更高的硬度、耐磨性、耐蝕性、彎曲強度和疲勞接觸強度[2]，但一般碳氮共滲層比滲碳層淺，所以一般用于承受載荷較輕、要求高耐磨性的零件。因此，對內環采用碳氮共滲淬火，以獲得高的表面硬度，以及較高的尺寸精度。

內環采用的材料是12Cr2Ni4A鋼，具有高的淬透性，經碳氮共滲淬火加低溫回火后，不但表面有很高的硬度，且心部強度和韌性、塑性匹配很好[3]。這種材料可廣泛用于制造各種發動機重要受力耐磨零件，如分氣雙齒輪、彈性傳動齒輪、主動齒輪、從動齒輪，以及各種軸、銷子、活塞和滾動軸等。該零件在碳氮共滲淬火時，對變形控制有嚴格要求，但由于零件本身特點（壁薄）以及壓力機淬火操作有一定難度等原因，使零件容易產生變形[4]。

本文主要針對內環碳氮共滲淬火后的變形以及導致的硬度偏低問題，通過采取淬火前試套芯模，改變零件裝爐方式，以及加工完后校正的方法，來改善內環的碳氮共滲淬火質量。

2 熱處理工藝及存在問題

2.1 熱處理工藝過程及技術要求

內環的整體加工路線：下料→粗加工、切試料→機械精加工→碳氮共滲淬火→機械精加工→最終檢驗。內環零件結構如圖1所示。

圖1 軸承座內環零件結構

內環熱處理主要工藝參數如下。

1）碳氮共滲：830℃±10℃，保溫6~8h，丙酮50~100滴/m i n，氨氣2.0~3.0L/m i n，碳勢0.85%±0.05%（在滴注式井式滲碳爐中進行）。

2）淬火：零件綁扎好裝進固體滲碳劑保護箱中加熱至810℃±10℃，保溫70~100min（在箱式爐內進行），然后套入芯模，采用壓力機淬火。

3）冷處理：－60℃保持2.5~3h，空冷（在低溫箱內進行）。

4）回火：回火溫度為160℃±10℃，保溫2.5~3h，空冷（在井式回火爐中進行）。

內環熱處理后的技術要求： 表面硬度≥90 HR 15 N，心部硬度32~45.5 HRC，平面度≤0.15mm。

2.2 存在的問題

目前，內環經過碳氮共滲、淬火后，通常會發生以下的質量問題：

1）內環碳氮共滲后產生嚴重變形，以至于熱處理后內環內徑尺寸由變 形 為超過要求范圍。

2）彈性軸承座進行壓力機淬火時，零件難以套入芯模，影響淬火質量，使零件硬度不合格。

由于以上兩種不合格現象會經常性發生，不符合生產要求，造成零件返修，甚至報廢，嚴重影響科研生產進度，因此很有必要對此零件的熱處理缺陷產生的原因進行分析研究，以求找到合理的解決措施。

3 原因分析

3.1 變形的原因分析

變形的實質是零件內應力釋放，如果釋放的應力大于材料的屈服強度，就會發生永久性變形[5]。零件的熱處理變形主要是熱處理應力造成的，熱加工應力主要體現在以下幾個方面[6]。

1）加熱冷卻速度不同，形成的溫度梯度造成了熱應力。

2）表面與心部及不同截面區域之間的相變先后不等時造成的組織應力。

3）不同相的組織比容不同引起的相變應力。但零件的結構形狀、原材料質量、熱處理前的加工狀態、零件的自重以及零件在爐中加熱和冷卻時的支承或夾持不當等因素也會導致變形。

3.2 內環變形的原因分析

內環在碳氮共滲過程中引起的變形原因如下。

1）在碳氮共滲裝爐時，是直接將內環放在平板上，沒有采取任何固定措施。

2）碳氮共滲設備為滴注式井式滲碳爐，在碳氮共滲過程中，電動機帶動風扇旋轉，使滲劑在爐內均勻分布，便于零件吸收，但同時也會引起坩堝的振動，使零件之間難免有輕微的碰撞和相互擠壓的現象，從而導致零件變形。

3）內環進行碳氮共滲時，產生的熱應力和組織應力，也會使零件產生一定的變形。

3.3 導致內環硬度偏低的原因分析

內環在淬火過程中引起的硬度偏低原因如下。

1）由于在碳氮共滲時零件已產生變形，導致淬火時零件難以套進芯模（要求零件端面2個耳環狀的截面必須對正芯模的兩個寬面），如圖2所示。

2）零件厚度較薄，只有2mm，易冷卻收縮，如果淬火轉移速度慢或不能快速開啟壓力機的油冷卻系統，會影響淬火速度，從而最終影響零件的硬度，造成零件硬度偏低。

圖2 零件壓力機淬火

4 改進方法

4.1 零件變形的控制

1）校正碳氮共滲平板，使零件能平穩地放在平板上，并且零件放在平板上后，采取固定措施，即用一根小鐵絲將彈性軸承座內環兩端固定，且兩零件之間保持一定間距，使之在共滲過程中，避免由于電動機的振動造成零件之間互相碰撞或擠壓，從而減少變形。

2）對于彈性軸承座在碳氮共滲時因為熱應力、組織應力不可避免產生的變形，我們采取碳氮共滲后立即對其進行校正的方法，以確保零件尺寸合格。

4.2 零件硬度的控制

1）根據零件碳氮共滲后容易產生變形，導致零件淬火時套不進芯模的情況，采取在淬火前先將零件進行校正，然后試套淬火芯模，確保校正效果，以便零件在淬火時能快速套進芯模，從而在保證零件尺寸合格的同時硬度也符合要求。

2）該零件淬火時，不僅要求轉移速度快（由于該零件批量小，零件也比較小，為保證零件淬火質量，常采用手工轉移，正常情況下5s以內就能完成轉移），而且零件的2個耳環必須套進芯模的兩寬面。以前裝爐時，零件在保護箱中隨意擺放，導致淬火時夾出零件還得調整耳環位置，延緩了淬火時間，現在采取裝爐時零件2個耳環朝同一方向固定擺放，而芯模兩寬面也根據零件擺放方向擺放好，這樣大大加快了淬火時的轉移速度，確保了零件的硬度。

5 結果與討論

通過碳氮共滲淬火質量改進措施的實施和控制，統計了三批碳氮共滲淬火零件，對零件的硬度、平面度和內徑尺寸進行了檢測，結果見表1。

由表1可知，三批零件的表面硬度、心部硬度以及平面度和變形量完全符合技術要求，徹底解決了原來零件碳氮共滲淬火后硬度偏低及內孔變形超差的問題，消除了零件經常返修甚至報廢等嚴重質量問題。

表1 改進后內環檢測結果

6 結束語

通過對某機型軸承座內環熱處理后內徑尺寸超差和硬度偏低的問題進行分析，提出了改進碳氮共滲淬火的工藝方法，從而改善了熱處理加工質量，使產品符合工藝要求，同時也為同類零件的碳氮共滲淬火質量控制提供了重要的參考。因此，可得出以下結論。

1）對于薄壁零件，在碳氮共滲淬火過程中，零件的裝爐方式、淬火轉移速度對變形的控制起主要作用，在碳氮共滲過程中將零件擺放平穩后保持一定間隔，可以減少零件相互碰撞導致的變形。

2）淬火前裝爐時，使零件擺放方向保持一致至適合位置，可以方便快速地套進芯模進行淬火，充分保證零件淬火的生產效率和硬度性能合格。

3）已發生變形的零件，在進行淬火前先進行校正，減小變形量至能套入淬火芯模，從而保證了后續快速淬火效率和硬度指標。