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热处理工程师如何保证钢丝杆、蜗杆滚丝模的使用寿命?

发布时间:2020-02-24 10:40:40  南京万普建设工程有限公司

Cr12Mov钢制丝杆、蜗杆滚丝模是常见的非标滚丝模具,鉴于该滚丝模齿槽深,工作环境恶劣,既要耐磨,又要不崩齿,要有较好的强韧性。因此,对原材料及热处理都有较高的要求,同时对该模具的制作方法也要有一定的要求。本文通过实际提出一些方法供同行们研讨。

1.选材

这类滚丝模、外径较大(≥φ180㎜),钢厂提供的长园棒料锻造比达不到,锻造变形小,温度又不易掌握。有锻造过热、尖角、网状碳化物缺陷,如图1所示(过热3级,网状碳化物2.5级,后面的金相图片为同一块试片做的)。碳化物不均匀度难达到3级以下,一般在3.5~4级,工厂为免其难,通过自己的工艺制成模具。

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图1  400X

2.毛坯的预处理

滚丝模使用失效形式,主要是不耐磨。有的滚几佰件牙尖就磨损了,真正崩口的还是少,因此我们还是从提高滚丝模耐磨性入手,考虑整个加工工艺(包括热处理工艺)。在解剖使用寿命长的滚丝模与使用寿命短的滚丝模金相组织发现:使用寿命长的滚丝模的金相组织中二次碳化物颗粒细小、弥散的占多,而且较均匀分布;使用寿命短的滚丝模二次碳化物颗粒少、且较粗呈堆积状分布在粗大共晶碳化物周围。产生原因主要是原材料锻造过程中共晶碳化物没有打开、打散,碳化物不均匀度没达到国标3级以下,而且有锻造过热(﹥1.5级)网状碳化物存在。

上述组织缺陷、锻造后的球化退火无法解决,只有对滚丝模毛坯施行高温固溶处理来改善二次碳化物的细化与分布和对共晶碳化物的依附。使共晶碳化物钝化,二次碳化物在高温固溶+球化退火后弥散化。图2为高温固溶后的晶粒度为9.5级,图3为球化退火后的金相组织。从图3中可看到二次碳化物颗粒细且弥散匀布、碳化物颗粒在显微镜镜头1.7mm2 视场内为1000~1080粒。同时消除了过热,网状碳化物,为最终热处理做好了组织准备。

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图2   400×

3.滚丝模制造中的滚制与磨制

这类滚丝模的螺纹有的采用精密螺纹机床磨削而成称“磨制”,有的用滚针冷挤滚加工成形称“滚制”。“磨制”滚丝模精度高,但问题是磨出的螺纹齿没有改变金属纤维方向,还是沿原材料呈轴向分布,如图4所示。

而“滚制”的滚丝模的螺纹齿,它在滚加工过程中,齿部金属在挤压力作用下,随滚针齿形塑变流动而成形,因此,“滚制”滚丝模齿部金属更致密,没有微气孔。而且滚出的螺纹齿的纤维流向再不是沿原材料轴向分布,具有与轴向成一定弧度排列分布,如图5所示。

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图5  100×



钢材(特别是高碳高合金钢)在轧制、锻造时会随加工移动方向使碳化物呈带状分布,从而造成钢材截面力学性能有横向与纵向的差异,这些说明“滚制”的力学性能比“磨制”的好。实际也证明我们把一根料(没有高温固溶予处理)分别用“滚制”和“磨制”加工成φ15-1.5m/4左,50mm高、75mm孔模,在其他工艺(包括热处理)一样,“磨制”的滚丝模一付平均只能滚200~500支蜗杆,而“滚制”的滚丝模滚同规格蜗杆一付平均寿命为1800~2000支。“滚制”的滚丝模比“磨制”的寿命高很多。在滚丝模制造中,也可采用磨、滚相结合,磨多少、再滚又能保持全滚制的纤维流线,是个值得探讨的课题。

4.滚丝模的最终热处理

最终热处理有几个值得注意的问题:奥氏体化温度;冷处理;模具硬度要求。

(1)奥氏体化温度

在实际中,发现滚丝模的耐磨性除与组织中二次碳化物颗粒细化、弥散、匀布有关外,还与基体硬度关系很大。采用较高的奥氏体化温度有两个优点:

①碳、合金元素扩散速度快,在一定的保温时间里成分易均匀,使淬火后得到较多的合金马氏体,达到Cr12Mov钢最高硬度值,回火后在合金马氏体基体上析出小颗粒碳化物数量多,如图6所示,碳化物由原球化退火的碳化物1000~1080粒到最终热处理回火后稳定980粒。

②奥氏体化温度高,淬火后,整个外圆丝口硬度均匀,减少了硬度偏低(<58HRC)的微区,使整个外圆丝口耐磨损。因此,淬火加热奥氏体化温度选取Cr12Mov钢中温淬火上限温度为宜。经过高温固溶+球化退火的滚丝模因有较多的细小碳化物,在奥氏体化过程中形成较多的奥氏体核心,它的起始晶粒细,一定保温时间内淬火,晶粒不会粗,一般在10.5级,如图7所示(我们发现滚制的滚丝模的丝口处晶粒可达11级)。

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图7   400×


(2)冷处理

冷处理主要是控制淬火后模具内残留奥氏体量。模具淬回火后如残留奥氏体量多,它不可能全呈薄膜状包裹马氏体,有的会沿奥氏体晶界呈块状分布,这会造成模具在使用时高应力作用下使部分残留奥氏体会转变成淬火马氏体,从而产生拉应力,破坏了模具内应力平衡,使模具产生崩口或降低耐磨性,缩短使用寿命。但如没有残留奥氏体这层“软”组织,滚丝模在使用中的应力得不到缓冲松驰,显得脆,丝口也易崩。因此,要通过冷处理的温度、时间来调节马氏体与残留奥氏体量的配比,延长滚丝模的使用寿命。

(3)滚丝模的硬度要求

做丝杆,蜗杆的原材料,一般都是经正火或调质热处理,即所谓“软料”。丝杆,蜗杆的螺纹齿槽深,滚丝模在使用中接触应力大,模具的硬度不宜太高。但硬度是耐磨的基础,如硬度太低,有的加工几佰件就磨损失效。因此,没经高温固溶预处理的滚丝模取58~59HRC不易崩口,而经高温固溶处理的细小弥散二次碳化物较多,而且韧性也得到改善,硬度可在59~61HRC。如最终热处理为等温淬火,韧性又进一步得到提高,硬度取61~62HRC,使用寿命会更长。

上述措施实施后,丝杆,蜗杆滚丝模的使用寿命,由过去的几佰件至千余件,提高稳定在万件以上。

5.结语

Cr12MOV钢采用高温固溶+球化退火预处理,可细化二次碳化物,改善了它的分布状态。在滚丝模制造中采用“滚制”加工比“磨制”加工的滚丝模使用寿命长。滚丝模选取中温淬火上限温度奥氏体化是适宜的。适当冷处理稳定了内部组织,使残留奥氏体与马氏体量配比更合理。

 

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