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汽车齿轮真空高压气淬试验
编辑:中山市天元真空设备技术有限公司   发布时间:2018-08-11

摘要: 结合汽车齿轮真空高压气淬,分析讨论了淬火温度和淬火过程工艺参数的变化对高压气淬均匀性的影响。通过半载装炉方式的温度测试,表明控制真空渗碳-高压气淬转移时间的重要性。通过改变淬火过程中的风向控制、压力、流速等淬火参数,分析了这些工艺参数对汽车齿轮心部硬度均匀性的影响。结果表明,合理优化这些工艺参数可以有效提高汽车齿轮高压气淬后的硬度均匀性。


关键词: 真空高压气淬; 风向转换时间; 淬火压力; 气体流速; 硬度均匀性


温度控制


1.1 淬火前工件的温度控制

真空渗碳和高压气淬是汽车齿轮真空热处理应用更多的技术,工件在淬火前的温度均匀性是保证工件淬火均匀性的前提条件。由于高压气淬对设备的高压承载和气密性要求,目前真空渗碳和高压气淬功能设备一般是分开的,即在加热渗碳炉完成真空渗碳后转移到高压气淬设备里完成淬火过程。因此,不可避免地存在一个真空渗碳-高压淬火转移时间。


目前国内外的真空高压气淬炉主要存在两种转移方式: 一种是真空渗碳罐体通过轨道转移直接对接高压气淬罐体,完成工件的转移; 另一种是工件在完成真空渗碳后通过一个带有轨道的低压保护舱转移到高压气淬室,低压的主要目的是防止零件的氧化。无论哪一种方式,都存在开门、关门和抽真空的过程,由于高压气淬设备在设计上一般没有加热保温功能,因此这个过程的转移时间直接影响到淬火前工件的温度均匀性。本文对低压舱体转移方式进行了相关的试验,测试记录转移过程温度变化情况。图1(a)为实际的装料方式; 由于要放置温度记录仪器,采用半载装炉量方式,试验方案的示意图如图1(b)所示。图中①②③④分别为装载料架图示位置上齿轮心部温度,⑤⑥⑦⑧为相对应位置的齿轮的表面温度。


图2是温度传感器记录下标记工件在转移过程中的温度变化曲线,从图2中可以看出,经过20s后,处于料架顶部位置的齿轮表面温度已经降到850℃,此时其对应的芯部温度则为860℃。经过50s后,⑦号温度更是降到800℃ ,而此时处于工装中心位置的②和⑥温度仍在920℃以上,齿轮心部及其表面温度差为10℃。需要指出的是,本试验位于表面温度的温度传感器仅为贴近于齿轮表面,因此存在一定的误差,但是该试验得到记录曲线基本上反映出了料架在传输过程中,不同位置的齿轮温度随时间的变化,以及同一位置的齿轮心部温度和表面温度也会随时间存在更大的差异。尽管这种温度差异,特别是料架上、下与中心位置的工件温度差异也会随冷却过程的“先外后内”有一定的“抵消”,但是这种温度的差异必须控制在一定范围内,否则严重影响工件的淬火均匀性,甚至直接影响到零件质量是否合格问题。


1.2 冷却介质的温度控制

传统油淬过程中,淬火油需要通过热交换系统及时把油温降下来,并控制在一定范围内。高压气淬时冷却气体与高温工装和工件热交换过程中,也需要外置的热交换系统将气体、冷却工件和淬火室迅速有效地冷却下来,甚至以更高的要求来控制温度的范围和精度。真空高压气淬炉配置的热交换系统好坏是决定设备的一个重要性能指标,从实际使用经验来看,推荐热交换系统的水温控制在±15℃以内。


冷却过程的工艺参数

高压气淬属于纯对流热传导过程,区别于液态介质淬火存在蒸汽膜阶段,沸腾阶段和对流阶段。传统油淬过程主要控制油温和淬火油搅拌速度,高压气淬的研究主要侧重于压力和流速等方面。下面的试验从风向控制及其转换时间、淬火压力和流速几个工艺参数方面,对高压气淬在汽车齿轮上的实际应用进行分析讨论。材料为27MnCr5 钢的汽车变速器五档主动齿轮(齿轮模数1.496mm,外圆直径φ85.10mm),装炉方式


如图1(a)所示。采用工业用高纯液氮为冷却介质,以齿轮的心部硬度为参考指标,分析讨论这些工艺参数变化对高压气淬均匀性的影响。


2.1 风向控制及其转换时间

高压气淬时冷却介质的风向方式,从早期的多喷嘴式到后来的单向风扇模式,目前风扇双向转换模式已在现代先进的真空高压气淬炉推广应用。通过风向转换带来“从上到下”和“从下到上”可切换的控制方式,保证了不同层数位置的工件冷却过程的一致性,更好地保证了整副料架的工件淬火均匀性。图3(a) 是不同换向时间下,五层装料的主动五档齿轮心部硬度变化曲线。如图3所示,随风向转换时间的增加,五层装料的齿轮心部硬度极差值呈现先减小后增加的趋势。在交换时间17s时,五层装料的齿轮心部硬度均匀性达到好效果。


图3(b) 图是不同转换时间下,八层装料的五档主动齿轮心部硬度变化曲线,可以看出,八层装料的齿轮的心部硬度均匀性则在20s时达到更好。从两种不同装料层数的试验数据对比可以看出,不同的装料层数随风向控制转换时间的变化有不同的合适时间。根据这个试验结果可以看出,在零件质量可控制和接受范围内,淬火风向可切换控制方式也为提高生产效率提供了可行性。


2.2 气淬压力

研究表明,提高压力可以有效提高冷却性能。图4是在淬火压力改变下的齿轮心部硬度的变化曲线。从图4可以看出,随淬火压力的提高,主动五档齿轮心部硬度整体有所提高,且在小于16bar(1bar=100kPa,下同)时心部硬度的提高比较显著。16bar至19bar阶段,整体心部硬度有一定程度的提高,这个阶段在 17 bar 时心部硬度的均匀性达到更好,18bar后心部硬度提高则不明显。其原因是,随压力增加到一定程度,相对应的风阻变大,动能损耗会逐渐增大,抵消压力提高对冷却性能的影响。所以,在一定客观条件下,压力并不是越高越好,特别是对淬火均匀性。


2.3 淬火流速

提高冷却气体的速率是提高气淬冷却能力另一途径,但是提高冷却气体的速率则需相应地提高设备性能,特别是在较高的压力状态下,对设备的风机等机械要求会非常高,造成设备制造和维护成本费用的提升。图5是在17bar压力下,不同风机转速下五档主动齿轮的心部硬度变化曲线。从图5中可以看出,一定压力下,随风机转速的提高,齿轮心部硬度也有一定的改变。在1500r/min时(风扇电机转速)五档主动齿轮的心部硬度均匀性达到更好,但是随着转速继续提高,不仅心部硬度的均匀性变差,而且心部硬度的低值变化很不明显,甚至出现波动。之所以出现这种情况,主要原因是风速的增加会增加气体湍流的不稳定性,导致料架个别区域位置的工件冷却曲线出现波动。


结  论

本文研究了不同高压气淬工艺参数对淬火均匀性的影响。通过对真空渗碳-高压气淬转移过程中的温度测试试验,表明真空渗碳-高压气淬转移时间对淬火前不同位置的零件温度均匀性有重要的影响。并以汽车变速箱五档主动齿轮为试验对象,通过改变风向转换时间、淬火压力和淬火流速工艺参数,得到齿轮心部硬度的变化规律和均匀性的更好工艺参数。结果表明:


1)在真空渗碳-高压淬火转移过程中,不可避免地存在温度下降的过程,且随着转移时间的增加,整副料架的工件温度差异不断增加。试验结果表明,控制转移时间的长短和一致性是保证淬火均匀性的前提和保证。


2)风向转换的方式可以有效提高淬火均匀性。对于不同的装料层数,合理的转换时间可以得到更好的心部硬度均匀性,这也为有效提高规模化生产效率提供了很好的技术支持。


3)淬火压力的提高可以有效提高齿轮的心部硬度,特别是在“低压”阶段,当压力提高到一定程度,受限于其他客观因素如淬火室的机械结构和工件材料的淬透性,心部硬度的提高不再明显。试验结果表明,齿轮心部硬度均匀性在一定的淬火压力下达到更好效果,并不是压力越高均匀性越好。


4)淬火气体速率的提高在一定程度可以提高齿轮心部硬度的均匀性,但是当速率达到一定程度后,气体湍流不稳定性程度增加,会导致均匀性明显下降。淬火前工件温度、淬火介质温度控制、淬火介质风向转换时间、淬火压力和淬火流速构成了高压气淬过程中重要的工艺参数,有效控制以及优化这些工艺参数,可以得到良好的齿轮心部硬度均匀性,也就是高压气淬的均匀性。

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