20CrMnTi輸出軸熱處理形變超差原因分析

■ 闞亞威

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我公司擺線液壓馬達(dá)輸出軸材料主要為20CrMnTi，熱處理工藝為滲碳直接淬火+低溫回火，工藝如圖1所示。近期公司生產(chǎn)的BM4輸出軸熱處理變形超差，外圓磨削余量不夠，導(dǎo)致批量報(bào)廢，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，現(xiàn)對該批次材料輸出軸變形原因進(jìn)行分析。該型輸出軸工藝路線為：下料→冷擠壓→車削→銑削→熱處理→清洗→磨削→成檢。

1.試驗(yàn)過程與結(jié)果

（1）尺寸檢查 輸出軸外形如圖2所示，熱處理前外圓相對兩頂尖圓跳動要求≤0.05mm，熱處理后外圓相對兩頂尖圓跳動要求≤0.20mm。取20根A批次BM4輸出軸，編號A1-A20與20根B批次BM4輸出軸，編號B1-B20分散裝入同爐中，熱處理前及熱處理后通過偏擺儀分別測量輸出軸外圓相對兩頂尖圓跳動，結(jié)果如表1、表2所示。A批次輸出軸變形量較大且不穩(wěn)定，有11根軸的變形量超過0.15mm；B批次輸出軸變形量較小且穩(wěn)定，變形量均小于0.15mm。

（2）化學(xué)成分分析 分別對A批次輸出軸和B批次輸出軸原材料化學(xué)成分進(jìn)行分析。檢測結(jié)果如表3所示，化學(xué)成分符合要求，且兩批次化學(xué)成分差別不大。

（3）硬度檢測 該零件技術(shù)要求：表面硬度55～63HRC，心部硬度：32～47HRC，有效硬化層深度為0.6～0.9mm。A批次輸出軸：表面硬度59～60HRC，心部硬度：35～41HRC，有效硬化層深度為0.81mm；B批次輸出軸：表面硬度59～60.5HRC，心部硬度：40～41HRC，有效硬化層深度為0.82mm；均符合技術(shù)要求。

（4）金相檢測 該零件熱處理金相組織要求：表層回火馬氏體≤5級，殘留奧氏體≤3級，碳化物≤3級；經(jīng)檢測A、B兩批次輸出軸金相組織均為：回火馬氏體4級，殘留奧氏體2級，碳化物1級，均符合技術(shù)要求。

圖1 熱處理工藝路線

圖2 輸出軸外形示意

表1 A批次輸出軸尺寸檢查

表2 B批次輸出軸尺寸檢查

表3 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢測結(jié)果 （%）

原材料金相組織檢查，從圖3可以看出，A批次輸出軸帶狀組織4級，屬于嚴(yán)重的帶狀偏析；從圖4可以看出，B批次輸出軸帶狀組織2級，帶狀組織輕微。

圖3 A批次輸出軸顯微組織（100×）

圖4 B批次輸出軸顯微組織（100×）

2.分析與討論

根據(jù)以上檢驗(yàn)結(jié)果，該20CrMnTi材料BM4輸出軸A、B批次熱處理后金相組織基本一致，原材料化學(xué)成分差距不大，均符合技術(shù)要求，但是熱處理后變形量差別較大，通過檢測發(fā)現(xiàn)原材料帶狀組織級別不同，嚴(yán)重的帶狀組織會導(dǎo)致熱處理形變過大且心部硬度不均勻，出現(xiàn)低點(diǎn)，這是由于該種帶狀組織本質(zhì)是一種成分偏析，局部含碳量及合金元素分布不均勻，造成淬火硬度分布不均勻，并使鋼在淬火過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，加劇了熱處理過程中的變形，最終導(dǎo)致產(chǎn)品零件因熱處理形變而批量報(bào)廢。成分偏析引起的帶狀組織很難用熱處理的方法加以消除，一般只能進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火后正火并高溫回火來減輕，因此需對20CrMnTi原材料的帶狀組織級別做出要求，帶狀組織≤2級作為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

3.結(jié)論和建議

（1）該BM4輸出軸熱處理形變超差的主要原因是由于原材料帶狀組織級別過高導(dǎo)致的，在后續(xù)熱處理過程中由于原材料的不均勻性導(dǎo)致滲碳淬火產(chǎn)生嚴(yán)重的變形。

（2）加強(qiáng)原材料顯微組織的檢測，對20CrMnTi原材料的帶狀組織級別提出要求，以帶狀組織≤2級作為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過上述措施有效地解決了擺線液壓馬達(dá)輸出軸熱處理形變超差的問題。