零件名稱:不銹鋼平衡套,見圖8-4.
材質(zhì):3Cr13不銹鋼
熱處理要求。
a. 調(diào)質(zhì)硬度:241~285HB.
b. Φ105內(nèi)孔離子滲氨。硬度≥650HV;深度≥0.3mm.
c. A面高頻感應(yīng)加熱淬火硬度,50~56HRC;深度1~1.5mm.
1. 零件常見的失效形式及應(yīng)具備的性能
平衡套是用以平衡軸向力的重要功能件,長期在180℃左右具有一定腐蝕性能的水介質(zhì)中工作,內(nèi)孔與軸套有0.3mm的左右間隙,A面與平衡盤正常時有0.06~0.07mm的間隙。在設(shè)備啟動、停轉(zhuǎn)時,內(nèi)孔及A面有可能與對應(yīng)件接觸而磨損,又有高溫高速水流動沖刷,可能被沖蝕。一旦出現(xiàn)被磨損或沖蝕,將對設(shè)備的性能產(chǎn)生很大的影響。
因此,除要求平衡套有一定的耐腐蝕性,一定的基體強度外,尤其要求內(nèi)孔及A面具有較高的耐磨損、耐沖刷性能,即應(yīng)具有較高的硬度。
2. 材料選用原則及熱處理方法選擇
平衡套采用3Cr13馬氏體不銹鋼鍛件。3Cr13 鋼具有一定的耐腐蝕性,可勝任在高溫水中的工作。3Cr13鋼可以通過調(diào)質(zhì)處理提高整體強度,又可通過高頻表面感應(yīng)淬火、離子滲氮等表面熱處理方法提高表面硬度和耐磨性。Φ105mm內(nèi)孔高頻表面淬火難度大,采用離子滲氮,硬化層雖然較薄,但可滿足要求。而A面需要有較厚的硬化層,且用高頻表面淬火方便可行,比離子滲氮硬層厚,故采用高頻表面淬火。通過上述熱處理手段,完全可以滿足工件的使用功能要求。
3. 零件主要加工工序
鍛造-退火(A)-粗加工-調(diào)質(zhì)(B)-機加工-高溫時效(C)-加工(離子滲氮的內(nèi)孔加工到尺寸,A表面留 0.2mm磨量)-離子滲氮(D)-A面表面淬火、回火(E)-磨A面-清理-檢查。
4. 熱處理工藝分析及注意問題
a. 退火
見軸套退火
b. 調(diào)質(zhì)
見軸套調(diào)質(zhì)
c. 高溫時效
高溫時效的目的是為了較徹底地消除或減少以前各加工工序產(chǎn)生的應(yīng)力,即保證零件滲氮前不存在較大的應(yīng)力,防止零件滲氮時產(chǎn)生變形,實質(zhì)上,高溫時效是作為離子滲氮前的預(yù)處理工序。
高溫時效工藝見圖8-5.
高溫時效溫度的選定原則是,低于調(diào)質(zhì)回火溫度以下20~40℃,高于離子滲氨溫度。根據(jù)平衡套零件的調(diào)質(zhì)工藝和離子滲氮工藝,確定高溫時效溫度為580~600℃,這樣,既可保持調(diào)質(zhì)硬度和強度基本不變,還可使零件具有保證離子滲氨時無殘余應(yīng)力的基本要求。
高溫時效采用爐冷至400℃以下出爐,以盡量減少零件產(chǎn)生新的應(yīng)力。
d. 離子滲氮
該平衡套用100kV離子滲氮爐處理,爐的有效空間約為ф600x1200(mm).
滲氮溫度選定為540~560℃,這個溫度是3Cr13馬氏體不銹鋼可滲氮的中下限溫度,主要考慮了平衡套根據(jù)調(diào)質(zhì)回火溫度確定的高溫時效溫度為580~560℃,離子滲氮溫度應(yīng)低于高溫時效溫度。具體工藝見圖8-6。
3Cr13不銹鋼屬于高合金元素材料,滲氮速度偏慢,所以,應(yīng)采用較長的保溫時間。
平衡套屬薄壁易變形件,應(yīng)適當(dāng)控制升溫、降溫速度和出爐溫度,以保證零件具有較小的應(yīng)力和滲氨時的較小變形度。低于100℃出爐,還可保證零件表面不出現(xiàn)氧化而呈銀白色。
在實際操作中,控制為較小的電流和電壓,實現(xiàn)較慢的升溫速度。
根據(jù)使用設(shè)備的容積及實際裝爐量、工件有效表面積等因素,采用0.3m/h的氨氣供給量。
該平衡套滲氮內(nèi)孔為Φ105mm,高度為115mm,如此徑高比的內(nèi)孔滲氮不必在孔內(nèi)施加輔助陽極,也可獲得滿意的滲氮效果。
該零件的設(shè)計條件只要求內(nèi)孔離子滲氮,但只內(nèi)孔滲氮時,大量非滲氮面需屏蔽或采取其他防滲氮措施,不僅增加了操作的復(fù)雜性,還增加了處理成本。而其他面離子滲氮對使用并無不利影響,只是在冷加工工藝上適當(dāng)考慮即可。經(jīng)設(shè)計人員同意,實際滲氮時是全部滲氮。
設(shè)計要求高頻表面感應(yīng)淬火的A面,經(jīng)離子滲氮后再進行高頻表面加熱淬火,不但對高頻處理效果和質(zhì)量無不利影響,反而有積極的作用,因為工件表面滲氮后,表面富集了高濃度的氮元素,經(jīng)高頻加熱淬火后,獲得富氮的馬氏體組織,使馬氏體更均勻、更細,具有更高的硬度,對提高使用功能更有利。先離子滲氮再高頻表面加熱淬火,這是常采用的所謂“表面復(fù)合熱處理”的方法之一。
平衡套離子滲氮后的硬度檢查可以在工件可檢面上進行,也可用同材質(zhì)、同狀態(tài)、同爐處理的試塊進行。如果檢查滲氮深度或金相組織,則必須在同爐試塊上進行。
離子滲氮滲層較淺,進行硬度檢驗時應(yīng)采用負荷不大于9.8N的硬度檢測設(shè)備。
e. 高頻表面淬火
平衡套高頻表面淬火部位是內(nèi)徑為180mm、外徑為220mm的圓環(huán)表面,即圖中的A面。采用連續(xù)加熱淬火方式,工件旋轉(zhuǎn),感應(yīng)器加熱并同時噴水冷卻。
感應(yīng)器選擇:選用指型連續(xù)加熱淬火感應(yīng)器,感應(yīng)器有效加熱冷卻長度與A面寬度(即圓環(huán)面寬度)相同,應(yīng)為20mm,感應(yīng)器加熱部分的寬度為7mm。
加熱溫度:1080~1100℃。
工件總加熱時間約為135s(即工件旋轉(zhuǎn)一周時間約為135s)
淬火冷卻:噴水冷卻。
回火:200~240℃,保溫1~1.5h.
如果設(shè)備功率足夠大,也可同時加熱淬火,采用圓環(huán)形平面感應(yīng)器加熱,浸水冷卻。
采用同時加熱淬火方法可防止采用連續(xù)加熱淬火方法時在淬火面頭尾銜接處的軟帶,但對感應(yīng)器平行度的要求更嚴(yán)格。平面感應(yīng)加熱時,應(yīng)注意防止邊緣部分的過熱和裂紋,需要在選用和制造感應(yīng)器時予以考慮。
平衡套也是3Cr13馬氏體不銹鋼,所以,有關(guān)高頻表面淬火的注意事項參照軸套高頻表面淬火的有關(guān)說明。