植物油在淬火工艺中降低工件变形量的应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及植物油在淬火工艺中降低工件变形量的应用，尤其是降低变截面环状零件变形量的应用。本发明能减少淬火变形量，降低后续校形和精加工的成本；有效控制变形散差，提升装配精度及服役寿命；改善生产现场的操作环境，减少对环境的污染和危害。
【专利说明】植物油在淬火工艺中降低工件变形量的应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于热处理【技术领域】，尤其涉及机械零件淬火工艺中淬火油。
【背景技术】
[0002] 热处理变形控制一直是困扰热处理工作者的难题，也是制约我国高端装备制造业 发展的瓶颈，热处理控形控性的综合技术同国外工业发达国家相比仍有巨大差距，如汽车 变速箱齿轮、轴承等关键构件的变形控制。变形的影响因素有很多，如原材料、锻造工艺、预 处理、机加工、热处理设备、工装、热处理工艺、淬火冷却方式等都是决定淬火变形的因素， 它是一个系统性的畸变工程，有专家称其为世界性的难题。但其实就是如何有效控制"均 匀性"的问题，如原材料淬透性带、锻造流线对称性、原始组织均匀性、加热及冷却均匀性等 等。从淬火冷却的角度出发，淬火介质选型是否恰当是热处理变形的重要因素之一。
[0003] 淬火是热处理工艺中的一道重要工序，通过淬火处理可以使金属材料的各项性能 指标都能有很大的改善，充分发挥金属材料的潜力，以满足各种产品零件对金属材料的要 求。工件在淬火过程中，由于处理不当，往往会发生金相组织或机械性能指标达不到要求， 也可能会出现软点、变形、开裂等缺陷，这些缺陷与淬火冷却时所选用的淬火介质及冷却方 法也有密切的关系。因而，在淬火冷却过程中合理的选择和正确的使用淬火介质，是保证工 件淬火质量的一个重要因素。
[0004] 变截面工件的淬火变形问题，相对于对称结构来说，这种复杂结构引起的变形更 为突出，如半轴齿轮内花键喇叭口、后桥从动齿轮平面度变形、轴承套圈的锥度变形问题 等。由于结构复杂，在加热及冷却过程中组织转变的"不同时性"更为突出，导致更为复杂 的应力分布。其中选择合适的淬火介质及冷却方式，对于控制变形尤为关键。
[0005] 目前关键构件绝大多数采用淬火油进行淬火冷却，相对于气淬和盐浴，油淬的变 形大，同时规律性很差，导致产品的控制难度较大。因此，控制淬火变形需要充分了解油品 的冷却性能，实现精确的淬火冷却控制。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有技术的不足，提供一种植物油在淬火工艺中降低工件变形量的应 用，减少淬火变形量，降低后续矫形和精加工的成本。
[0007] 为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：植物油在淬火工艺中降 低工件变形量的应用。
[0008] 作为优选，所述植物油为菜籽油、大豆油、花生油或玉米油。
[0009] 作为优选，植物油在淬火工艺中降低变截面环状零件变形量的应用。
[0010] 作为优选，所述工件材质为碳素钢、中低碳合金钢、渗碳钢或轴承钢。
[0011] 根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点：减少淬火变形 量，降低后续校形和精加工的成本；有效控制变形散差，提升装配精度及服役寿命；改善生 产现场的操作环境，减少对环境的污染和危害。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明实施例1所述主减速齿轮的结构示意图； 图2为本发明实施例1所述植物油和矿物油在淬火处理时的冷却特性曲线对比图； 图3为本发明实施例1所述植物油和矿物油在淬火处理时主减速齿轮平面度变形量曲 线对比图； 图4为本发明实施例2所述轴承套圈的结构示意图； 图5为本发明实施例2所述植物油和矿物油在淬火处理时轴承套圈椭圆度变形量曲线 对比图； 图6为本发明实施例2所述植物油和矿物油在淬火处理时轴承套圈锥度变形量曲线对 比图； 图7为本发明实施例2所述植物油和矿物油在淬火处理时的冷却特性曲线对比图。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0014] 油在淬火过程中存在物态变化，通常其冷却过程可分为三个阶段：蒸汽膜冷却 阶段、沸腾冷却阶段、对流冷却阶段。当红热的工件浸入油中，工件表面的淬火油迅速气化， 并立即在工件表面形成一层蒸汽膜，工件的热量主要通过蒸汽膜的辐射和传导来传递，此 时工件冷却速度缓慢，直到工件表面所提供的热量不能足以维持蒸汽膜所需要的热量时， 蒸汽膜破裂，开始进入沸腾冷却阶段。蒸汽膜阶段向沸腾阶段转变的温度，称为淬火油的特 性温度。进入沸腾冷却阶段后，工件直接与淬火油接触，淬火油在工件表面产生强烈沸腾， 工件的热量被油气化吸收，散热速度加快，冷却速度达到最大值。工件表面的温度迅速降 低，当工件表面温度低于油的沸点时，开始进入对流冷却阶段。对流冷却阶段主要通过对流 传导的方式进行，该阶段冷却速度明显下降。
[0015] 工件在淬火冷却时，为了避免奥氏体在较高的温度区域内产生珠光体类型的转 变，故必须在过冷奥氏体最不稳定区域，以大于临界冷却速度（Vc)进行冷却，才能获得马氏 体组织，但也不是介质的冷却速度越快越好，如果采用较快的冷却速度一直冷却到室温，将 使工件在高温区域产生很大的热应力，在工件处于塑性状态时影响不大，当工件冷至马氏 体开始转变点Ms以下，还会由于发生组织转变时产生组织应力，这将导致工件产生很大的 变形，甚至开裂。因此，在马氏体转变区域需要缓冷。因而理想的冷却曲线应该是在工件的 奥氏体不稳定区域(临界冷却区域）应具有快的冷却速度(大于临界冷却速度)，在马氏体转 变区域（Ms点以下）冷却速度应缓慢冷却，从而保证淬火后的工件既可以获得淬火组织，又 可以减少内应力，具有这样的冷却速度称为理想冷却速度。
[0016] 以下通过2个实施例比较植物油和矿物油淬火油在对齿轮以及变截面环状零件 淬火热处理时零件的变形量。
[0017] 实例 1 对于汽车变速器齿轮，噪音和疲劳寿命是衡量其综合性能的指标。其中齿轮的热处理 变形是关键，变形越大意味着装配精度越低。齿轮在后续的精加工过程多进行磨齿，一是大 幅增加制造成本，再者会导致渗层磨削不均，致使最终齿轮的疲劳寿命不足。
[0018] 以微车的主减速齿轮为例，分别采用植物油和矿物油品生产，产品如图1所示。齿 轮材料为20CrMnTi，采用多用炉生产线，双侧搅拌，装炉量600Kg左右。齿轮技术要求：表 面HRC60~64,心部硬度HRC30~45,碳化物级别彡4级，马氏体级别彡4级，心部铁素体彡3 级，非马< 〇. 〇2mm，平面度变形< 0. 05mm，齿形热前热后变形< 0. 005mm，齿向热前热后变 形<0. 015mm。现在以原矿物油和植物油分别作为淬火油进行淬火处理后，比较两者的优缺 占. 渗碳工艺：880°C强渗120min (碳势I. 05)，880°C扩散50min (碳势0. 95)，820°C保温 30min油淬。更换新油后保持原工艺不变，矿物油使用油温120°C，植物油使用油温160°C。
[0019] 经过比较，原采用矿物油，非马氏体0.02-0. 03mm，平面度变形0.08-0. 12mm，不能 满足技术要求，严重影响齿面的疲劳性能和装配精度。从图2可知，植物油无蒸气膜冷却阶 段，最大冷速比原矿油要高很多，意味着植物油的中高温冷却能力要强，工件的淬硬层相对 要深，渗层过度区的淬火冷却效果更好，提高了接触疲劳强度。同时因高温冷却能力强，有 效抑制了渗层表面的非马氏体。
[0020] 现在再测量平面度变形：每组试验产品在料筐的不同部位各放20个产品，分别测 量平面度变形及试块的非马氏体组织，平面度试验状况如图2所示。
[0021] 从图3可以看出：采用植物油基淬火油，齿轮的非马氏体组织改善明显，由原来的 0. 02-0. 03mm降低至0. 02mm以内，满足了技术要求。原矿物油的变形及散差较大，导致报废 率偏高；更换植物油后使用效果较好，既具有较小的变形，同时变形的散差也很小，能够有 效的满足原产品的变形要求。
[0022] 通过上述对比分析可以发现，植物油具有更快和更均匀的高温冷却能力，可以有 效改善非马组织；同时具有更低的低温冷速，有效减少组织应力，大幅降低齿轮的平面度变 形。
[0023] 实例 2 轴承套圈作为薄壁环类零件，热处理变形的控制难度极大，热处理变形大会导致后续 的磨削量大，装配精度不够，接触疲劳寿命大幅下降等问题，常见的热处理变形主要以锥 度、椭圆度、平面度和胀大等变形为主。以锥度变形为例，其主要原因是冷却不均匀导致。从 本质上讲是由于在淬火冷却过程中套圈两端的冷却速度相差太大，导致两端收缩量不同和 到达Ms点的时间不同，结果在两端产生很大的热应力和组织应力。当某一时刻热应力或组 织应力在某一端达到材料的屈服强度时，该端必然产生相应的塑性变形，其中热应力产生 压缩塑性变形沿径向缩小，而组织应力产生拉伸塑性变形沿径向胀大。实际生产中，网带炉 生产套圈时，往往靠近网带的套圈径向尺寸小的状况，即上端大下端小的锥度变形。现在以 下例具体说明本发明： 以GCrl5的23024套圈(外圈)为例（图4)，分别采用植物油和矿物油品(快速等温分级 淬火油）对其进行淬火处理。轴承技术要求：屈氏体组织1-2级(工作面3_内），锥度变形 < 0· 2Ctam，椭圆度变形< 0· 2Ctam。
[0024] 加热工艺：加热温度835°C，最后一区淬火温度820°C (碳势0.6)。更换新油后保 持原工艺不变，矿物油和植物油使用油温均为80°C。
[0025] 从图4可知，植物油无蒸气膜冷却阶段，最大冷速比原快速等温分级淬火油要快， 植物油的高温冷却能力要强，工件的淬硬层相对要深，可以有效抑制屈氏体的产生，提高了 接触疲劳强度，防止点蚀和剥落等失效缺陷。同时植物油的TA点和TC点都比原快速等温 分级淬火油高的多，一是大幅改善了冷却的均匀性，保证套圈上部和下部冷却的同时性，二 是大幅减少组织应力，保证了 Ms点以下组织转变时的同时性。
[0026] 以下进行屈氏体组织状况比较，每组试验产品在网带炉中各放50个产品，分别测 量椭圆度、锥度及屈氏体组织。屈氏体组织结果如表1所示，椭圆度、锥度结果如图5和6 所示。
[0027]表 1
【权利要求】
1. 植物油在淬火工艺中降低工件变形量的应用。
2. 根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述植物油为菜籽油、大豆油、花生油或 玉米油。
3. 根据权利要求2所述的用途，其特征在于：植物油在淬火工艺中降低变截面环状零 件变形量的应用。
4. 根据权利要求2所述的用途，其特征在于：所述工件材质为碳素钢、中低碳合金钢、 渗碳钢或轴承钢。
【文档编号】C21D1/58GK104498680SQ201410786976
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】聂晓霖, 左永平, 刘昊, 王涛 申请人:南京科润工业介质股份有限公司