30CrMnSiA鋼外齒摩擦片的工藝改進(jìn)

周洪剛, 劉 克, 熊明定, 王鑫銘, 余 杰, 左經(jīng)緯

(1. 江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司, 湖南 湘潭 411100; 2. 湘潭大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411105)

綜合傳動(dòng)裝置廣泛采用一種以油為冷卻介質(zhì)的濕式換檔離合器,其輸入端與發(fā)動(dòng)機(jī)相連,輸出端與驅(qū)動(dòng)輪相連,通過控制結(jié)合油壓使主被動(dòng)摩擦片結(jié)合,摩擦片在摩擦力的作用下傳遞動(dòng)力,影響整車動(dòng)力性和操縱性[1-2]。30CrMnSiA鋼作為在航空領(lǐng)域廣泛使用的中碳低合金鋼,因其優(yōu)異的塑韌性、屈服比、良好的耐磨性與較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度等綜合性能,廣泛應(yīng)用在飛機(jī)連接件、剎車盤連接片等方面[3-4]。

某綜合傳動(dòng)裝置30CrMnSiA鋼外齒摩擦片(后簡(jiǎn)稱摩擦片)的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。產(chǎn)品主要技術(shù)要求為硬度28～35 HRC,碟形高度h=0.3～0.5 mm,厚度(2.00±0.03) mm,表面粗糙度Ra≤0.8 μm。在試制階段采用的制造流程為下料(3 mm厚熱軋板)→調(diào)質(zhì)處理至28～35 HRC+熱校平→粗磨至厚度(2.50±0.05) mm→熱校平→精磨至厚度(2.00±0.03) mm及表面粗糙度Ra≤0.8 μm→線切割外形→模壓碟形回火→氧化處理。

圖1 外齒摩擦片示意圖

該方案存在制造工序繁瑣、碟形回火效率及合格率低(15件/模,一次合格率約50%)、生產(chǎn)成本高等問題[3]。隨著綜合傳動(dòng)裝置的批量生產(chǎn),摩擦片相關(guān)制造問題逐漸暴露,難以滿足生產(chǎn)需求。本文以30CrMnSiA鋼摩擦片的制造工藝為研究對(duì)象,探索一套基于非專業(yè)生產(chǎn)線的高效精密制造工藝。

1 總體方案

根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)條件,借鑒汽車膜片彈簧生產(chǎn)工藝,擬定30CrMnSiA鋼摩擦片的批量生產(chǎn)工藝方案,其簡(jiǎn)要加工流程為下料(2 mm冷軋板)→精沖→淬火+預(yù)回火+熱成形→氧化處理。由于30CrMnSiA鋼用量小等原因,在市場(chǎng)上購買該材料冷軋板較困難,因此聯(lián)合某金屬制品廠研發(fā)30CrMnSiA鋼冷軋板的制備技術(shù),重點(diǎn)對(duì)冷軋前的球化退火工藝進(jìn)行探究。在熱成形方面,利用可控氣氛多用爐等設(shè)備,擬優(yōu)化熱處理工藝和模具,提高裝夾量及一次碟形合格率。

2 球化退火工藝

2.1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用材料為30CrMnSiA鋼,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為0.28～0.34C、0.90～1.20Si、0.80～1.10Mn、≤0.025P、≤0.025S、0.80～1.10Cr、≤0.030Ni、≤0.025Cu。試驗(yàn)擬采用球化退火工藝,查閱30CrMnSiA鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線可知該材料的A1點(diǎn)約為760 ℃,根據(jù)球化退火原理[5-6],選定試驗(yàn)溫度為725、735和745 ℃,保溫時(shí)間分別為6、12和18 h。試驗(yàn)設(shè)備為全氫罩式退火爐,試樣為300 mm×300 mm×3 mm 熱軋板。球化等級(jí)評(píng)判參照GB/T 1299—2014《工模具鋼》,1～5級(jí)為合格,3級(jí)最優(yōu)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

30CrMnSiA鋼經(jīng)不同工藝球化退火后的顯微組織如圖2所示。由圖2(a～c)可知,當(dāng)退火溫度為725 ℃時(shí),保溫6 h后晶粒的纖維形態(tài)仍有所保留,滲碳體形態(tài)主要為片狀滲碳體和點(diǎn)狀滲碳體,球化級(jí)別較低,約為1級(jí)。當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到12～18 h時(shí),已經(jīng)開始出現(xiàn)球狀滲碳體,滲碳體形態(tài)包括片狀滲碳體、球狀滲碳體及點(diǎn)狀滲碳體,球化級(jí)別約為2級(jí)。由圖2(d～f)可知,當(dāng)退火溫度735 ℃時(shí),保溫6 h后滲碳體形態(tài)主要為片狀滲碳體、球狀滲碳體及點(diǎn)狀滲碳體,滲碳體細(xì)小彌散,球化級(jí)別約為2級(jí)。當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到12～18 h時(shí),球粒間距開始加大,滲碳體球粒的尺寸開始變大,球化率較高,滲碳體形態(tài)主要為球狀滲碳體、點(diǎn)狀滲碳體和短棒狀滲碳體,球化級(jí)別約為3級(jí)。由圖2(g～i)可知,當(dāng)退火溫度745 ℃時(shí),保溫6 h后有滲碳體粘接在一起,球化級(jí)別約4級(jí)。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),滲碳體持續(xù)長(zhǎng)大,當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到12～18 h時(shí),長(zhǎng)條狀滲碳體已較多,球化級(jí)別達(dá)到5～6級(jí)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知,30CrMnSiA鋼在溫度為735 ℃保溫12～18 h時(shí)球化效果較好,后經(jīng)多次試驗(yàn)及試生產(chǎn),最終確定球化退火參數(shù)為(735±3) ℃×(13～15) h[7-8]。

3 熱成形工藝

3.1 淬火控形

球化退火后進(jìn)行相關(guān)的冷軋?zhí)幚?冷軋完后下料,然后采用精密沖裁工藝成形摩擦片的徑向尺寸和形狀,完成上述工序后轉(zhuǎn)入熱處理。為達(dá)到零件設(shè)計(jì)要求的硬度(28～35 HRC),需進(jìn)行淬火+回火處理。由于摩擦片厚度僅2 mm,若在自由狀態(tài)下淬火,其翹曲變形將非常嚴(yán)重,在回火成形過程中,需釋放的內(nèi)應(yīng)力將非常大,不利于尺寸和碟形的穩(wěn)定。為限制摩擦片在淬火過程發(fā)生較大翹曲,制定的裝爐方法為,將3層摩擦片整齊疊放后用鐵絲網(wǎng)壓緊,最上層用料板壓實(shí),在可控氣氛多用爐中經(jīng)860 ℃保溫60 min后油淬,然后進(jìn)行380 ℃×60 min預(yù)回火,防止模具預(yù)緊過程中零件被壓裂。

3.2 回火熱成形模優(yōu)化與裝爐方式探究

科研試制階段的模壓碟形回火所用熱成形模具(以下簡(jiǎn)稱原模具)如圖3(a)所示,其在使用時(shí)主要存在3個(gè)問題:①采用人工打緊鐵楔子,預(yù)緊力小且隨機(jī)性太大,間接導(dǎo)致裝夾量小;②凹模、凸模和摩擦片成形部位普遍未直接受力,壓力分布嚴(yán)重不均,導(dǎo)致成形效果不好;③凹模、凸模所用材料為5CrMnMo鋼,550 ℃時(shí)(碟形時(shí)的回火溫度)的高溫性能一般。針對(duì)該問題,本文對(duì)原熱成形模具的結(jié)構(gòu)和預(yù)緊方式進(jìn)行了改進(jìn),主要措施:①采用油壓機(jī)預(yù)緊,預(yù)緊力恒定;②采 用大螺母鎖緊,大螺母底面和摩擦片平面大小相當(dāng),成形模受力均勻;③增大裝夾量至30～90件;④凹、凸模所用材料改用H13鋼,550 ℃時(shí)的高溫性能較5CrMnMo鋼更優(yōu)。圖3(b, c)為設(shè)計(jì)的兩種熱成形模具,分別稱為改進(jìn)模具1和改進(jìn)模具2,其中改進(jìn)模具2在改進(jìn)模具1的基礎(chǔ)上增加了一組碟形壓頭作為中間層?；谶@兩種改進(jìn)模具,設(shè)計(jì)了3種不同的裝爐方式,以提高裝夾量及一次碟形合格率,如表1所示。

圖3 模壓碟形回火用熱成形模具示意圖

表1 30CrMnSiA鋼模壓碟形回火的裝爐方式

按照表2的裝爐方式進(jìn)行模壓碟形回火后,對(duì)3種 不同的裝爐方式進(jìn)行工件質(zhì)量抽檢,抽取比例為方案Ⅰ按裝夾順序每2件抽取1件,方案Ⅱ按裝夾順序每6件抽取1件,方案Ⅲ按裝夾順序每4件抽取1件,共計(jì)各抽檢15件,檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,方案Ⅰ碟形合格率達(dá)到100%,方案Ⅱ碟形合格率僅為73.3%。增加中間層后,摩擦片的合格率提升至100%。將方案Ⅲ剩余的45件摩擦片進(jìn)行碟形檢測(cè),其碟形高度均滿足0.3～0.5 mm的要求。

圖4 不同裝爐方案模壓碟片回火后摩擦片的碟形高度抽檢結(jié)果

為探究回火過程中各裝爐方式對(duì)碟形摩擦片受力情況的影響,同時(shí)研究方案Ⅱ中摩擦片合格率較低的原因,對(duì)方案Ⅱ、Ⅲ的摩擦片在回火過程中受力進(jìn)行了仿真計(jì)算[9],結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可知,由于模具和摩擦片的熱膨脹系數(shù)不一致,在回火過程中模具中間層的摩擦片已基本不受力,控制摩擦片翹曲變形的效果不好,這與方案Ⅱ工藝試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。此外,由于摩擦片存在厚度公差,當(dāng)單層裝夾量太多時(shí),多層摩擦片的厚度累計(jì)公差也較大,影響了其成形和受力狀態(tài)。由圖5(b)可知,采用增加中間層的改進(jìn)模具2時(shí),摩擦片在回火時(shí)的受力狀態(tài)得到明顯改善。方案Ⅲ與方案Ⅰ相比具有較高的裝爐數(shù)量;與方案Ⅱ相比具有更高的產(chǎn)品合格率,因此以裝爐方案Ⅲ作為30CrMnSiA鋼模壓碟形回火的裝爐方式最優(yōu)。

圖5 不同裝爐方案模壓碟片回火時(shí)摩擦片的應(yīng)力分布仿真計(jì)算結(jié)果

綜上所述,最終確定摩擦片的最優(yōu)工藝為熱軋板→(735±3) ℃×(13～15) h球化退火→冷軋→精沖→860 ℃×60 min油淬→380 ℃×60 min預(yù)回火→用裝爐方案III進(jìn)行550 ℃模壓碟形回火→氧化處理。

4 顯微組織與考核驗(yàn)證

4.1 顯微組織對(duì)比

對(duì)采用增加中間層的改進(jìn)模具及最優(yōu)工藝制作的摩擦片(冷軋件)和原試制工藝制作的摩擦片(熱軋件)進(jìn)行顯微組織對(duì)比,如圖6所示。由圖6可知,兩摩擦片的顯微組織均為回火馬氏體,根據(jù)GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》要求評(píng)級(jí),冷軋件的晶粒度為8.5級(jí),熱軋件的晶粒度為7.2級(jí)。上述結(jié)果表明,冷軋板在軋制過程中晶粒得到細(xì)化,晶粒越細(xì),材料的綜合性能越好。

圖6 不同工藝所得摩擦片的顯微組織(a, b)與晶粒度(c, d)

4.2 考核驗(yàn)證

按照最優(yōu)工藝試生產(chǎn)了10套(400件)摩擦片,同時(shí)裝箱進(jìn)行功能性試驗(yàn),試驗(yàn)過程未見異常。隨機(jī)抽取2臺(tái)箱體進(jìn)行全壽命試驗(yàn),試驗(yàn)過程未見異常,將試驗(yàn)完成的摩擦片拆解下來進(jìn)行外觀檢查,未觀察到磨損和開裂現(xiàn)象。隨機(jī)抽5件進(jìn)行硬度和碟形檢測(cè),其硬度和碟形量無明顯變化。

5 結(jié)論

1) 采用增加中間層的改進(jìn)模具及最優(yōu)工藝可實(shí)現(xiàn)30CrMnSiA鋼外齒摩擦片的批量生產(chǎn),熱軋板經(jīng)(735±3) ℃×(13～15) h球化退火+冷軋+精沖+860 ℃×60 min油淬+380 ℃×60 min預(yù)回火+550 ℃模壓碟形回火+氧化處理制備的摩擦片滿足硬度和碟形高度的技術(shù)要求。

2) 優(yōu)化生產(chǎn)步驟,由原本的8道工序減少至4道工序,提高了生產(chǎn)效率。

3) 采用最優(yōu)工藝制備的摩擦片的顯微組織與原試制工藝生產(chǎn)的摩擦片相同,均為回火馬氏體,但最優(yōu)工藝的晶粒更細(xì),其綜合性能更好。

4) 采用最優(yōu)工藝批量試制的摩擦片經(jīng)考核驗(yàn)證無異常,性能滿足要求。