轉向節熱處理過程分析與優化試驗

文/朱舸，張凱，周琳琳·中國重汽集團濟南鑄鍛中心

轉向節熱處理過程分析與優化試驗

文/朱舸，張凱，周琳琳·中國重汽集團濟南鑄鍛中心

轉向節作為典型鍛件，在原材料缺陷及鍛造缺陷暫時不能有效消除之前，且在后續熱處理中獲得合格的金相組織的前提下，如何實現較低的廢品率，需要對熱處理工序中的各相關因素進行分析和優化。而在自動化熱處理生產線上實現這樣的目標，難度會更大。

以某種轉向節為例，材料為42CrMo，轉向節鍛件熱處理要求是獲得1～4級金相的回火索氏體，抗拉強度880～1030N/mm2，而對于轉向節鍛件的熱處理自動生產線還要獲得低于2%的廢品率。

在鍛造工藝及熱處理工藝沒有發生變化的情況下，有一段時間，該轉向節金相組織出現了5級、廢品率高達7%的異常情況，對此，我們進行了該種轉向節熱處理過程分析和優化試驗。

轉向節的工藝實現過程

該種轉向節是在轉向節自動懸掛線上進行調質處理的。

⑴淬火爐加熱溫度設定為850℃，保溫溫度為850±10℃，加熱與保溫時間為240min，淬火液濃度為7%～12%，淬火液溫度為15～45℃，淬火液攪拌頻率為20～40Hz，入淬時間為9min。

⑵回火設定加熱溫度為620℃，保溫溫度為620±10℃，加熱與保溫時間為276min。

以上工藝已經在生產中使用多年，且熱處理質量合格穩定，廢品率低于2%。

生產統計數據及分析

某段時間內，在生產線上共生產了13057件轉向節產品，其中廢品出現914件，且金相出現5級，進行了返修。對該種轉向節進行了致廢裂紋位置的區域劃分及廢品率統計，分別如圖1、表1所示。根據統計，B區域（眼鏡位置）裂紋廢品是導致本批產品廢品率升高的主要原因。

優化試驗

我們針對本批轉向節產品的異常情況進行了眼鏡位置裂紋及金相的優化試驗。

表1 廢品裂紋位置統計表

圖1 廢品裂紋位置的區域劃分

⑴眼鏡位置使用防滲碳涂料降低廢品率試驗。

與國內某專業公司合作，使用該公司提供的防滲碳涂料對轉向節眼鏡位置進行刷涂，如圖2所示，之后進行熱處理調質。我們選取了相同批次的轉向節320件，分成2組進行對比試驗，數據如表2所示。

圖2 眼鏡位置涂刷防滲碳涂料

表2 防滲碳涂料驗證試驗統計表

該試驗說明，熱處理前對眼鏡位置進行防滲碳涂料的刷涂，可以降低眼鏡位置的裂紋廢品率，但是由于試驗樣本較小，其可靠性值得進一步進行驗證。

⑵轉向節鍛件眼鏡位置熱處理前清磨降低廢品率試驗。

針對眼鏡位置在熱處理前進行拋丸探傷，可以清楚顯示，熱處理之前該位置存在裂紋，但是裂紋深度一般在2mm之內，熱處理之后導致廢品。在熱處理之前，對眼鏡位置進行清磨，清磨深度為2mm以內，以將裂紋清磨干凈為止。清磨之后進行熱處理，統計數據如表3所示。

表3 清磨眼鏡位置驗證試驗統計表

經過對比試驗，熱處理前清磨眼鏡位置，熱處理后廢品率有較大程度的降低。因此，在熱處理前對鍛件缺陷進行清磨處理是有效的。因此調整生產組織模式，增加熱處理前拋丸探傷試驗，識別出某批次鍛件的缺陷位置及形式，進行熱處理前的缺陷清磨消除，會有效地降低廢品率。

⑶淬火液濃度調整降低廢品率、提高金相組織等級試驗。

根據淬火液的特性，其他條件不變，調整淬火液濃度會對熱處理產品的廢品率和金相等級產生較為明顯的影響，因此，我們對該種轉向節進行了不同濃度下的試驗，統計數據及金相圖分別如表4、圖3所示。

圖3 不同淬火液濃度下轉向節金相組織

表4 淬火液濃度驗證試驗統計表

通過以上試驗，說明淬火液濃度選取低于9%時，可以獲得較好的金相組織，但是廢品率過高，一般不宜采用。淬火液濃度選取高于10%時，廢品率較低，但是金相不能達到要求，一般也不宜采用。而淬火液濃度選取在9%～10%時，可以獲得合格的金相與相對較低的廢品率。

⑷淬火液攪拌系統改進試驗。

淬火時淬火液充分而均勻地流動，是獲得均勻和較好金相組織的必要條件。我們生產線的淬火系統是使用2臺攪拌器對淬火液進行攪拌，以獲得充分的流動，從而獲得均勻的熱處理性能，攪拌系統如圖4所示。但是，由于攪拌機構在淬火液中長期工作，故障率始終較高，不利于自動線的穩定運行，故障統計如表5所示。每次出現攪拌器故障，拆除故障攪拌器需1小時，安裝新的攪拌器1小時。這樣，生產線爐內的轉向節只能返修，嚴重制約了生產線的產能及產品質量。因此，應對此淬火液的攪拌系統進行改造。

圖4 原設計的攪拌器方式的攪拌系統

表5 5～7月轉向節線攪拌系統故障統計表

國內某熱處理設計制造公司幫助我們設計并實施了噴射淬火攪拌系統，該系統采用泵送噴射方式，利用均勻布置在工件附近的淬火液噴嘴將淬火液噴射到工件表面及周圍，淬火液由變頻變流量的循環泵加壓噴射，流量按照其所需的攪拌面積和噴射速度計算，攪拌系統如圖5所示。這種方式的淬火攪拌不僅可以在工件淬火范圍內形成均勻穩定的淬火液流場，同時高速噴射的淬火液也會帶動附近的淬火液一同流動，形成比泵送流量大得多的總攪拌流量，達到可控、均勻、大流量的淬火液攪拌效果，可以從原理上避免攪拌不均勻的情況發生。

攪拌系統改造完成后，7月20日運行至今未出現過淬火系統的設備故障。且通過檢驗，轉向節金相組織合格，硬度均勻，達到工藝要求。

圖5 改造后的液下噴射淬火攪拌系統

⑸生產流程優化。

對于在自動線上進行轉向節的調質處理，由于節拍穩定、產量大，一旦某批次鍛件出現質量不合格或廢品率較高的情況，往往會造成巨大的損失，為避免上述情況的發生，我們制定了小批次試驗程序以降低生產風險。鍛造工序轉入新鍛打轉向節產品按照60件組成小批次，進行熱處理前拋丸探傷，以識別鍛件熱處理前的缺陷。進入熱處理線進行調質處理，出爐后進行金相和廢品率的單獨統計。

金相組織合格及廢品率正常，則該批次轉向節直接進爐熱處理生產；出現金相或廢品率異常，則通知相關部門，并對該批次產品下達不得直接進爐生產的指令，并由相關部門根據小批次試驗情況，制定出專用工藝，在調整生產線工藝參數后單獨生產。這樣就可以避免出現大批量的廢品及不良品。

鑒于小批次試驗有明顯的效果，熱處理生產應進一步完善熱處理自動線的生產流程，優化后的生產流程如圖6所示。

圖6 對生產流程的優化

結論

通過以上分析和試驗，我們可以得出以下結論：

⑴熱處理前鍛件缺陷的識別與清磨，可以有效地降低熱處理廢品率。

⑵選取適當的淬火液濃度，可以獲得合格的金相組織和可接受的廢品率。

⑶采取更可靠的淬火液攪拌系統（液下噴射系統），可以提高熱處理生產線的穩定性與產品質量。

⑷批量生產前進行小批次試驗，可以有效降低熱處理生產的風險。