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精彩案例
钢的球化退火新工艺之9SiCr 、W18Cr4V
9SiCr 、W18Cr4V 钢是工业生产中广泛使用的合金工具钢,其原始组织中碳化物的形态、尺寸和分布,对使用寿命的提高至关重要。在工业生产中,一般通过常规的等温球化退火处理,使9SiCr 、W18Cr4V 钢组织中的碳化物以细小颗粒状弥散分布在基体中。由于加热温度高、保温时间长或工艺复杂,退火效率低下。因此我们寻找了一种加快碳化物球化速度,提高等温球化退水工艺效率的新方法———在脉冲电场作用下对9SiCr 、W18Cr4V 合金工具钢进行球化退火。
1、 试验方法
实验采用自己改进的脉冲电场发生器,将金属导线按顺序分别连接在尺寸为<20 mm ×30 mm 的9SiCr 、W18Cr4V 钢试样两端。首先把9SiCr 试样装入箱式加热炉内加热到785 ℃保温40 min ,冷却到710℃进入保温阶段,5 min 后施加800 V、15 Hz 的脉冲电流3 min ,计时2 h30 min 后出炉空冷。然后再把锻造后的W18Cr4V 钢试样按同样方法装入箱式加热炉内将W18Cr4V 试样加热到850 ℃保温40 min ,冷到740 ℃进入保温阶段,5 min 后施加800 V、15Hz 的脉冲电流3 min ,计时1 h50 min 后出炉空冷。图1 所示为脉冲电场球化退火热处理试验示意图。
在工件内球面的加工过程中,刀具切削刃的磨损、回转半径的误差、回转中心位置的误差、刀具高度的误差等都直接影响工件内球面的加工质量。需采取如下方法进行控制:
①采用粗、精车分开,选择合理切削用量、合理刃磨刀具的办法,减小由于刀具磨损而产生的加工面的误差。
②用卡尺或千分尺校准刀尖回转中心的距离,减少由于回转半径误差而产生的加工面的尺寸误差。
③采用试切的办法,找准回转中心位置,避免加工面为椭球面形。
④减小刀尖高度误差。刀尖高度误差对加工面尺寸的影响,可用下式计算:如图4 所示,Δh 为刀尖高度相对主轴中心线偏差, R 为刀具回转半径, R′为加工后球面半径。误差= 2 ×( R2 +Δh2 - R)= 2 ×R ( 1 + (Δh/ R) 2 - 1)在本例中,如刀尖高度误差控制在+ 1 mm ,则产生的球面误差为
2 ×352 ( 1 + (1/ 352) 2 - 1) = 0. 002 8 (mm)
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2、综合误差估计
设精车时,刀具磨损忽略不计,刀尖回转半径的测量误差为0102 mm(卡尺精度) 。由于刀具回转中心是通过试切的办法来获得的,所以回转中心位置偏差引起的加工误差实际上是测量误差,其值为0101 mm。刀尖高度引起的加工面尺寸误差为01002 8 mm。其综合误差为2 ×0. 02 + 0. 01 + 0. 002 8 = 0. 052 8 (mm)该值远小于工作球面直径允许误差01125 mm。
综上所述,在C6031 落地车床上加工转炉轴承座的装置结构合理,其加工方法可行,质量可控。
3 、试验结果与分析
普通等温球化退火处理和脉冲电场球化退火的工艺参数见表1 。未经脉冲电场处理的试样在高倍和低倍下的组织中,化合物呈现明显球化不足的形态。在高倍组织中存在着杆状或链状碳化物,由低倍组织可看到碳化物大小、分布不均匀(如图2 所示) 。
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这是由于脉冲电场球化退火工艺参数与普通球化退火工艺参数相比加热温度低、保温时间短。因此,没加脉冲电场的原始试样球化退火时,其碳化物在原片层基础上钝化,形成短片状或短杆状,但还没有完全球化。经脉冲电场球化退火处理后,在同样加热温度和保温时间下,9SiCr 、W18Cr4V 这两种钢球化退火组织中碳化物的球化程度、大小、形状和分布均得到不同程度的改善。加入800 V、15 Hz 的脉冲电场,两种钢球化退火组织中碳化物效果明显提高且分布均匀、细小,碳化物形状钝化,硬度分别为228 HBS 和239 HBS ,是理想的球化退火组织(如图3 所示) 。一般碳化物的等温球化由两个环节构成,即片状碳化物溶解,溶解碳化物的析出。而且两个环节均受Fe 、C 原子扩散过程控制。等温球化前,碳化物的形态是层片状。当等温球化退火加热温度、时间适宜,则使钢中的Fe 、C 原子有足够的动力学条件溶解并均匀化,得到碳均匀分布的奥氏体组织,从而碳化物能以均匀颗粒状或球状形态分布于基体。如果加热温度不足、保温时间不够,则碳化物仍有可能以链状或杆状的形态分布于基体中。在加热温度、时间明显不足的情况下,在等温球化过程中施加脉冲电场,其球化效果得到了改善,与普通球化退火热处理相比球化组织基本相同。这说明脉冲电场的介入对球化过程中C 原子的扩散、基体中C 原子的均匀化起到了促进作用。
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实验结果表明,对9SiCr 、W18Cr4V 钢在球化退火过程中施加脉冲电场,可以明显改善等温球化退火效果。在保证得到良好球状珠光体组织的前提下,9SiCr钢等温球化退火的加热温度可以从790～810 ℃降低到785 ℃;W18Cr4V 钢等温球化退火的加热温度可以从860～880 ℃降低到850 ℃。9SiCr 钢的保温时间从6 h 减少到2 h40 min ;W18Cr4V 钢的保温时间从4 h减少到2 h 。可见,脉冲电场等温球化退火工艺大大提高了等温球化退火的效率,缩短了生产周期,降低了成本,是一种值得深入研究、并具有应用价值和广阔前景的合金工具钢等温球化退火新工艺。
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1、 试验方法
实验采用自己改进的脉冲电场发生器,将金属导线按顺序分别连接在尺寸为<20 mm ×30 mm 的9SiCr 、W18Cr4V 钢试样两端。首先把9SiCr 试样装入箱式加热炉内加热到785 ℃保温40 min ,冷却到710℃进入保温阶段,5 min 后施加800 V、15 Hz 的脉冲电流3 min ,计时2 h30 min 后出炉空冷。然后再把锻造后的W18Cr4V 钢试样按同样方法装入箱式加热炉内将W18Cr4V 试样加热到850 ℃保温40 min ,冷到740 ℃进入保温阶段,5 min 后施加800 V、15Hz 的脉冲电流3 min ,计时1 h50 min 后出炉空冷。图1 所示为脉冲电场球化退火热处理试验示意图。
在工件内球面的加工过程中,刀具切削刃的磨损、回转半径的误差、回转中心位置的误差、刀具高度的误差等都直接影响工件内球面的加工质量。需采取如下方法进行控制:
①采用粗、精车分开,选择合理切削用量、合理刃磨刀具的办法,减小由于刀具磨损而产生的加工面的误差。
②用卡尺或千分尺校准刀尖回转中心的距离,减少由于回转半径误差而产生的加工面的尺寸误差。
③采用试切的办法,找准回转中心位置,避免加工面为椭球面形。
④减小刀尖高度误差。刀尖高度误差对加工面尺寸的影响,可用下式计算:如图4 所示,Δh 为刀尖高度相对主轴中心线偏差, R 为刀具回转半径, R′为加工后球面半径。误差= 2 ×( R2 +Δh2 - R)= 2 ×R ( 1 + (Δh/ R) 2 - 1)在本例中,如刀尖高度误差控制在+ 1 mm ,则产生的球面误差为
2 ×352 ( 1 + (1/ 352) 2 - 1) = 0. 002 8 (mm)
2、综合误差估计
设精车时,刀具磨损忽略不计,刀尖回转半径的测量误差为0102 mm(卡尺精度) 。由于刀具回转中心是通过试切的办法来获得的,所以回转中心位置偏差引起的加工误差实际上是测量误差,其值为0101 mm。刀尖高度引起的加工面尺寸误差为01002 8 mm。其综合误差为2 ×0. 02 + 0. 01 + 0. 002 8 = 0. 052 8 (mm)该值远小于工作球面直径允许误差01125 mm。
综上所述,在C6031 落地车床上加工转炉轴承座的装置结构合理,其加工方法可行,质量可控。
3 、试验结果与分析
普通等温球化退火处理和脉冲电场球化退火的工艺参数见表1 。未经脉冲电场处理的试样在高倍和低倍下的组织中,化合物呈现明显球化不足的形态。在高倍组织中存在着杆状或链状碳化物,由低倍组织可看到碳化物大小、分布不均匀(如图2 所示) 。
这是由于脉冲电场球化退火工艺参数与普通球化退火工艺参数相比加热温度低、保温时间短。因此,没加脉冲电场的原始试样球化退火时,其碳化物在原片层基础上钝化,形成短片状或短杆状,但还没有完全球化。经脉冲电场球化退火处理后,在同样加热温度和保温时间下,9SiCr 、W18Cr4V 这两种钢球化退火组织中碳化物的球化程度、大小、形状和分布均得到不同程度的改善。加入800 V、15 Hz 的脉冲电场,两种钢球化退火组织中碳化物效果明显提高且分布均匀、细小,碳化物形状钝化,硬度分别为228 HBS 和239 HBS ,是理想的球化退火组织(如图3 所示) 。一般碳化物的等温球化由两个环节构成,即片状碳化物溶解,溶解碳化物的析出。而且两个环节均受Fe 、C 原子扩散过程控制。等温球化前,碳化物的形态是层片状。当等温球化退火加热温度、时间适宜,则使钢中的Fe 、C 原子有足够的动力学条件溶解并均匀化,得到碳均匀分布的奥氏体组织,从而碳化物能以均匀颗粒状或球状形态分布于基体。如果加热温度不足、保温时间不够,则碳化物仍有可能以链状或杆状的形态分布于基体中。在加热温度、时间明显不足的情况下,在等温球化过程中施加脉冲电场,其球化效果得到了改善,与普通球化退火热处理相比球化组织基本相同。这说明脉冲电场的介入对球化过程中C 原子的扩散、基体中C 原子的均匀化起到了促进作用。
实验结果表明,对9SiCr 、W18Cr4V 钢在球化退火过程中施加脉冲电场,可以明显改善等温球化退火效果。在保证得到良好球状珠光体组织的前提下,9SiCr钢等温球化退火的加热温度可以从790～810 ℃降低到785 ℃;W18Cr4V 钢等温球化退火的加热温度可以从860～880 ℃降低到850 ℃。9SiCr 钢的保温时间从6 h 减少到2 h40 min ;W18Cr4V 钢的保温时间从4 h减少到2 h 。可见,脉冲电场等温球化退火工艺大大提高了等温球化退火的效率,缩短了生产周期,降低了成本,是一种值得深入研究、并具有应用价值和广阔前景的合金工具钢等温球化退火新工艺。
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