9SiCr 、W18Cr4V 鋼是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的合金工具鋼,其原始組織中碳化物的形態(tài)、尺寸和分布,對(duì)使用壽命的提高至關(guān)重要。在工業(yè)生產(chǎn)中,一般通過常規(guī)的等溫球化退火處理,使9SiCr 、W18Cr4V 鋼組織中的碳化物以細(xì)小顆粒狀彌散分布在基體中。由于加熱溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)或工藝復(fù)雜,退火效率低下。因此我們尋找了一種加快碳化物球化速度,提高等溫球化退水工藝效率的新方法———在脈沖電場(chǎng)作用下對(duì)9SiCr 、W18Cr4V 合金工具鋼進(jìn)行球化退火。
1、 試驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)采用自己改進(jìn)的脈沖電場(chǎng)發(fā)生器,將金屬導(dǎo)線按順序分別連接在尺寸為<20 mm ×30 mm 的9SiCr 、W18Cr4V 鋼試樣兩端。首先把9SiCr 試樣裝入箱式加熱爐內(nèi)加熱到785 ℃保溫40 min ,冷卻到710℃進(jìn)入保溫階段,5 min 后施加800 V、15 Hz 的脈沖電流3 min ,計(jì)時(shí)2 h30 min 后出爐空冷。然后再把鍛造后的W18Cr4V 鋼試樣按同樣方法裝入箱式加熱爐內(nèi)將W18Cr4V 試樣加熱到850 ℃保溫40 min ,冷到740 ℃進(jìn)入保溫階段,5 min 后施加800 V、15Hz 的脈沖電流3 min ,計(jì)時(shí)1 h50 min 后出爐空冷。圖1 所示為脈沖電場(chǎng)球化退火熱處理試驗(yàn)示意圖。
在工件內(nèi)球面的加工過程中,刀具切削刃的磨損、回轉(zhuǎn)半徑的誤差、回轉(zhuǎn)中心位置的誤差、刀具高度的誤差等都直接影響工件內(nèi)球面的加工質(zhì)量。需采取如下方法進(jìn)行控制:
①采用粗、精車分開,選擇合理切削用量、合理刃磨刀具的辦法,減小由于刀具磨損而產(chǎn)生的加工面的誤差。
②用卡尺或千分尺校準(zhǔn)刀尖回轉(zhuǎn)中心的距離,減少由于回轉(zhuǎn)半徑誤差而產(chǎn)生的加工面的尺寸誤差。
③采用試切的辦法,找準(zhǔn)回轉(zhuǎn)中心位置,避免加工面為橢球面形。
④減小刀尖高度誤差。刀尖高度誤差對(duì)加工面尺寸的影響,可用下式計(jì)算:如圖4 所示,Δh 為刀尖高度相對(duì)主軸中心線偏差, R 為刀具回轉(zhuǎn)半徑, R′為加工后球面半徑。誤差= 2 ×( R2 +Δh2 - R)= 2 ×R ( 1 + (Δh/ R) 2 - 1)在本例中,如刀尖高度誤差控制在+ 1 mm ,則產(chǎn)生的球面誤差為
2 ×352 ( 1 + (1/ 352) 2 - 1) = 0. 002 8 (mm)
2、綜合誤差估計(jì)
設(shè)精車時(shí),刀具磨損忽略不計(jì),刀尖回轉(zhuǎn)半徑的測(cè)量誤差為0102 mm(卡尺精度) 。由于刀具回轉(zhuǎn)中心是通過試切的辦法來獲得的,所以回轉(zhuǎn)中心位置偏差引起的加工誤差實(shí)際上是測(cè)量誤差,其值為0101 mm。刀尖高度引起的加工面尺寸誤差為01002 8 mm。其綜合誤差為2 ×0. 02 + 0. 01 + 0. 002 8 = 0. 052 8 (mm)該值遠(yuǎn)小于工作球面直徑允許誤差01125 mm。
綜上所述,在C6031 落地車床上加工轉(zhuǎn)爐軸承座的裝置結(jié)構(gòu)合理,其加工方法可行,質(zhì)量可控。
3 、試驗(yàn)結(jié)果與分析
普通等溫球化退火處理和脈沖電場(chǎng)球化退火的工藝參數(shù)見表1 。未經(jīng)脈沖電場(chǎng)處理的試樣在高倍和低倍下的組織中,化合物呈現(xiàn)明顯球化不足的形態(tài)。在高倍組織中存在著桿狀或鏈狀碳化物,由低倍組織可看到碳化物大小、分布不均勻(如圖2 所示) 。
這是由于脈沖電場(chǎng)球化退火工藝參數(shù)與普通球化退火工藝參數(shù)相比加熱溫度低、保溫時(shí)間短。因此,沒加脈沖電場(chǎng)的原始試樣球化退火時(shí),其碳化物在原片層基礎(chǔ)上鈍化,形成短片狀或短桿狀,但還沒有完全球化。經(jīng)脈沖電場(chǎng)球化退火處理后,在同樣加熱溫度和保溫時(shí)間下,9SiCr 、W18Cr4V 這兩種鋼球化退火組織中碳化物的球化程度、大小、形狀和分布均得到不同程度的改善。加入800 V、15 Hz 的脈沖電場(chǎng),兩種鋼球化退火組織中碳化物效果明顯提高且分布均勻、細(xì)小,碳化物形狀鈍化,硬度分別為228 HBS 和239 HBS ,是理想的球化退火組織(如圖3 所示) 。一般碳化物的等溫球化由兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成,即片狀碳化物溶解,溶解碳化物的析出。而且兩個(gè)環(huán)節(jié)均受Fe 、C 原子擴(kuò)散過程控制。等溫球化前,碳化物的形態(tài)是層片狀。當(dāng)?shù)葴厍蚧嘶鸺訜釡囟?、時(shí)間適宜,則使鋼中的Fe 、C 原子有足夠的動(dòng)力學(xué)條件溶解并均勻化,得到碳均勻分布的奧氏體組織,從而碳化物能以均勻顆粒狀或球狀形態(tài)分布于基體。如果加熱溫度不足、保溫時(shí)間不夠,則碳化物仍有可能以鏈狀或桿狀的形態(tài)分布于基體中。在加熱溫度、時(shí)間明顯不足的情況下,在等溫球化過程中施加脈沖電場(chǎng),其球化效果得到了改善,與普通球化退火熱處理相比球化組織基本相同。這說明脈沖電場(chǎng)的介入對(duì)球化過程中C 原子的擴(kuò)散、基體中C 原子的均勻化起到了促進(jìn)作用。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)9SiCr 、W18Cr4V 鋼在球化退火過程中施加脈沖電場(chǎng),可以明顯改善等溫球化退火效果。在保證得到良好球狀珠光體組織的前提下,9SiCr鋼等溫球化退火的加熱溫度可以從790～810 ℃降低到785 ℃;W18Cr4V 鋼等溫球化退火的加熱溫度可以從860～880 ℃降低到850 ℃。9SiCr 鋼的保溫時(shí)間從6 h 減少到2 h40 min ;W18Cr4V 鋼的保溫時(shí)間從4 h減少到2 h 。可見,脈沖電場(chǎng)等溫球化退火工藝大大提高了等溫球化退火的效率,縮短了生產(chǎn)周期,降低了成本,是一種值得深入研究、并具有應(yīng)用價(jià)值和廣闊前景的合金工具鋼等溫球化退火新工藝。
1、 試驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)采用自己改進(jìn)的脈沖電場(chǎng)發(fā)生器,將金屬導(dǎo)線按順序分別連接在尺寸為<20 mm ×30 mm 的9SiCr 、W18Cr4V 鋼試樣兩端。首先把9SiCr 試樣裝入箱式加熱爐內(nèi)加熱到785 ℃保溫40 min ,冷卻到710℃進(jìn)入保溫階段,5 min 后施加800 V、15 Hz 的脈沖電流3 min ,計(jì)時(shí)2 h30 min 后出爐空冷。然后再把鍛造后的W18Cr4V 鋼試樣按同樣方法裝入箱式加熱爐內(nèi)將W18Cr4V 試樣加熱到850 ℃保溫40 min ,冷到740 ℃進(jìn)入保溫階段,5 min 后施加800 V、15Hz 的脈沖電流3 min ,計(jì)時(shí)1 h50 min 后出爐空冷。圖1 所示為脈沖電場(chǎng)球化退火熱處理試驗(yàn)示意圖。
在工件內(nèi)球面的加工過程中,刀具切削刃的磨損、回轉(zhuǎn)半徑的誤差、回轉(zhuǎn)中心位置的誤差、刀具高度的誤差等都直接影響工件內(nèi)球面的加工質(zhì)量。需采取如下方法進(jìn)行控制:
①采用粗、精車分開,選擇合理切削用量、合理刃磨刀具的辦法,減小由于刀具磨損而產(chǎn)生的加工面的誤差。
②用卡尺或千分尺校準(zhǔn)刀尖回轉(zhuǎn)中心的距離,減少由于回轉(zhuǎn)半徑誤差而產(chǎn)生的加工面的尺寸誤差。
③采用試切的辦法,找準(zhǔn)回轉(zhuǎn)中心位置,避免加工面為橢球面形。
④減小刀尖高度誤差。刀尖高度誤差對(duì)加工面尺寸的影響,可用下式計(jì)算:如圖4 所示,Δh 為刀尖高度相對(duì)主軸中心線偏差, R 為刀具回轉(zhuǎn)半徑, R′為加工后球面半徑。誤差= 2 ×( R2 +Δh2 - R)= 2 ×R ( 1 + (Δh/ R) 2 - 1)在本例中,如刀尖高度誤差控制在+ 1 mm ,則產(chǎn)生的球面誤差為
2 ×352 ( 1 + (1/ 352) 2 - 1) = 0. 002 8 (mm)
2、綜合誤差估計(jì)
設(shè)精車時(shí),刀具磨損忽略不計(jì),刀尖回轉(zhuǎn)半徑的測(cè)量誤差為0102 mm(卡尺精度) 。由于刀具回轉(zhuǎn)中心是通過試切的辦法來獲得的,所以回轉(zhuǎn)中心位置偏差引起的加工誤差實(shí)際上是測(cè)量誤差,其值為0101 mm。刀尖高度引起的加工面尺寸誤差為01002 8 mm。其綜合誤差為2 ×0. 02 + 0. 01 + 0. 002 8 = 0. 052 8 (mm)該值遠(yuǎn)小于工作球面直徑允許誤差01125 mm。
綜上所述,在C6031 落地車床上加工轉(zhuǎn)爐軸承座的裝置結(jié)構(gòu)合理,其加工方法可行,質(zhì)量可控。
3 、試驗(yàn)結(jié)果與分析
普通等溫球化退火處理和脈沖電場(chǎng)球化退火的工藝參數(shù)見表1 。未經(jīng)脈沖電場(chǎng)處理的試樣在高倍和低倍下的組織中,化合物呈現(xiàn)明顯球化不足的形態(tài)。在高倍組織中存在著桿狀或鏈狀碳化物,由低倍組織可看到碳化物大小、分布不均勻(如圖2 所示) 。
這是由于脈沖電場(chǎng)球化退火工藝參數(shù)與普通球化退火工藝參數(shù)相比加熱溫度低、保溫時(shí)間短。因此,沒加脈沖電場(chǎng)的原始試樣球化退火時(shí),其碳化物在原片層基礎(chǔ)上鈍化,形成短片狀或短桿狀,但還沒有完全球化。經(jīng)脈沖電場(chǎng)球化退火處理后,在同樣加熱溫度和保溫時(shí)間下,9SiCr 、W18Cr4V 這兩種鋼球化退火組織中碳化物的球化程度、大小、形狀和分布均得到不同程度的改善。加入800 V、15 Hz 的脈沖電場(chǎng),兩種鋼球化退火組織中碳化物效果明顯提高且分布均勻、細(xì)小,碳化物形狀鈍化,硬度分別為228 HBS 和239 HBS ,是理想的球化退火組織(如圖3 所示) 。一般碳化物的等溫球化由兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成,即片狀碳化物溶解,溶解碳化物的析出。而且兩個(gè)環(huán)節(jié)均受Fe 、C 原子擴(kuò)散過程控制。等溫球化前,碳化物的形態(tài)是層片狀。當(dāng)?shù)葴厍蚧嘶鸺訜釡囟?、時(shí)間適宜,則使鋼中的Fe 、C 原子有足夠的動(dòng)力學(xué)條件溶解并均勻化,得到碳均勻分布的奧氏體組織,從而碳化物能以均勻顆粒狀或球狀形態(tài)分布于基體。如果加熱溫度不足、保溫時(shí)間不夠,則碳化物仍有可能以鏈狀或桿狀的形態(tài)分布于基體中。在加熱溫度、時(shí)間明顯不足的情況下,在等溫球化過程中施加脈沖電場(chǎng),其球化效果得到了改善,與普通球化退火熱處理相比球化組織基本相同。這說明脈沖電場(chǎng)的介入對(duì)球化過程中C 原子的擴(kuò)散、基體中C 原子的均勻化起到了促進(jìn)作用。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)9SiCr 、W18Cr4V 鋼在球化退火過程中施加脈沖電場(chǎng),可以明顯改善等溫球化退火效果。在保證得到良好球狀珠光體組織的前提下,9SiCr鋼等溫球化退火的加熱溫度可以從790～810 ℃降低到785 ℃;W18Cr4V 鋼等溫球化退火的加熱溫度可以從860～880 ℃降低到850 ℃。9SiCr 鋼的保溫時(shí)間從6 h 減少到2 h40 min ;W18Cr4V 鋼的保溫時(shí)間從4 h減少到2 h 。可見,脈沖電場(chǎng)等溫球化退火工藝大大提高了等溫球化退火的效率,縮短了生產(chǎn)周期,降低了成本,是一種值得深入研究、并具有應(yīng)用價(jià)值和廣闊前景的合金工具鋼等溫球化退火新工藝。
