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薄壁深腔零部件采用PAG介質固溶處理後的殘留應力

更新时间:2019-11-10 22:24人气:4561
  中國鋼管信息港本網訊:在探傷工序發現批量性裂紋,該中擋圈材料為GCr15SiMn鋼,尺寸大小為:700mm×90mm,其加工工藝過程為:?300mm棒料進廠超聲波探傷→鋸切→鑄造成型→球化退火→車削加工→熱處理→磨削加工→熒光探傷→裝配。產品追溯過程中發現在熱處理工序及磨削加工工序檢查時均發現端麵有裂紋。筆者通過對該中擋圈進行檢驗與分析,討論了裂紋產生的啟事及改進措施,為進一步避免類似缺陷的再發生提供參考和根據。
  
  采用4%(體積分數)硝酸酒精溶液腐蝕試樣後在顯微鏡下觀察,裂紋兩側未發現脫貧碳及燒傷現象。觀察金相組織發現裂紋四周有明顯大塊狀液析碳化物 ,根據JB/T18254—2002標準第九級別圖評定,液析級別為2.5級(標準規定≤2.5級) 。而金相組織為馬氏體組織,級別為2級,不存在過熱現象 ,產品硬度檢驗為58~59HRC,符合技術要求 。
  
  薄壁深腔零件鋁合金熱處理劇烈冷卻的過程極易產生嚴重的開裂與變形,是熱處理工作者麵臨的棘手困難。PAG(聚烷撐二醇,Polyalkylene glycols,一種環氧乙烷和環氧丙烷的共聚物)水溶性淬火介質是進步零件加工精度和使用可靠性的一種全新熱處理方法。2A12鋁合金薄壁深腔類零件采用水介質進行固溶時效處理後殘餘應力過大,易造成零件畸變開裂的題目一向是製約生產加工的“瓶頸”,通過對薄壁深腔零件鋁合金采用PAG淬火介質進行固溶處理後,有效地降低了殘餘應力,即避免了固溶後出現的開裂傾向,又能保證硬度等技術要求,使產品合格率為100%,延長了精密零件的使用壽命。
  
  由於車刀花過深,會引發套圈熱處理過程中應力分布不均,在淬火冷卻過程中,極易沿車刀花應力集中部位開裂。
  
  由上麵的內部質量檢測可知,固然中擋圈材料的化學成分滿足相關標準要求,但其非金屬夾雜物D細係超過標準要求 ,且裂紋四周存在著非金屬夾雜物DS的顆粒偏大;由於該類夾雜物屬於脆性夾雜物,與基體的膨脹係數相差較大,輕易造成應力集中,若該類夾雜物處於中擋圈次表層,熱處理過程中可能成為裂紋萌生源[1-4]。而金相檢驗組織也接近工件的次表麵。由於碳化物液析的存在與脆性夾雜物對基體的影響相似,在很大程度上隔離了基體的連續性,造成應力集中,極易成為裂紋萌生源[5-6] 。是以,該批量裂紋的產生首要啟事與原材料的超標有很大關係。
  
  中國鋼管信息港本網訊:由於原材料非金屬夾雜物D類超標,且裂紋區域存在偏大的顆粒非金屬夾雜物D類,加上裂紋四周有大塊狀液析,破壞了基體的連續性,以上身分的共同感化,導致套圈在熱處理淬火冷卻過程中,於材料缺陷區域產生較大的淬火應力超過材料的強度而導致開裂。
  
  1.技術要求
  
  原材料為 2A12H112 ,終究的使用狀況為2A12T4。
  
  從性能看, 2A12H112合金薄壁深腔零部件采用PAG淬火介質固溶後對零件殘餘應力、顯微組織、常規力學性能 、尺寸穩定性的影響較小,進步了零部件的尺寸加工穩定性,滿足設計性能要求。
  
  2.原熱處理工藝
  
  采用了兩種工藝方法均未達到技術要求。
  
  第一種采用常規水淬方法 。
  
  第二種采用調節水溫淬火工藝方法,工藝曲線如圖3所示(水溫一般調節至50~55℃)。
  
  從顯微組織結果看, 水淬後,薄壁深腔零部件的金相組織為基底的α相與以彌散狀況析出的強化相S’相。
  
  從殘留應力有限元分析結果看 , 水淬後,薄壁深腔零部件大部分區域的殘留應力值都在100MPa以上,根部的區域甚至達到147MPa ,單向應力達到該值對於2A12鋁合金來說是比較危險的。
  
  從常規力學性能結果看, 水淬後,薄壁深腔零部件的屈服強度 、抗拉強度及硬度均可滿足GB/T3191-1998要求的不小於255MPa和420MPa及GJB1694-93要求的不小於68HRB的要求。
  
  水淬後薄壁深腔零部件的屈服、抗拉強度和硬度丈量結果
  
  介質
  
  屈服強度/MPa
  
  抗拉強度/MPa
  
  硬度HRB
  
  水淬後
  
  260.3
  
  520.3
  
  77
  
  從尺寸變形量上看,如表2所示 。水淬後,薄壁深腔零部件垂直變形量≥0.10mm。
  
  水淬後薄壁深腔零部件的尺寸變形量丈量結果
  
  內容
  
  技術要求/mm
  
  水淬後(機械加工)/mm
  
  垂直變形量
  
  φ0.02
  
  φ0.12
  
  3.啟事分析及改進措施
  
  (1)啟事分析
  
  針對上述檢測結果,通過熱處理道理和實踐經驗分析啟事如下:
  
  ①常規水淬方法(水溫一般調節至30~50℃),易出現淬火畸變 、開裂現象,是由於水的淬火冷卻特性與水溫有關,冷卻速度隨水溫的升高而降低。常溫下的水,冷卻能力大,冷卻太快,最大冷卻速度可達750℃/s以上。使其在淬火時,薄壁深腔零部件內部產生了巨大殘餘拉應力。
  
  ②調節水溫淬火工藝方法(水溫一般調節至50~55℃)易出現淬火畸變、開裂現象是固然采用調節水溫的辦法對薄壁深腔零部件獲得了一定的淬火冷卻速度,但仍然會在淬火時出現表麵壓應力、內部拉應力不一致導致畸變和裂紋。如繼續進步水溫固然可以降低應力,減小畸變和裂紋,但水溫過高,會導致零件淬火後硬度達不到要求,影響工件的使用性能。
  
  (2)改進措施
  
  通過對上述分析可知,水作為鋁合金最常用的淬火冷卻介質由於冷卻能力大 ,冷卻太快,人為無法控製介質的冷卻速度,解決不了鋁合金淬火應力大、出現畸變和裂紋的題目。是以 ,對鋁合金淬火件采用新的淬火冷卻介質降低淬火後的殘留應力,是可以避免淬火畸變與裂紋的。降低冷卻速度、減小了淬火時表麵壓應力、內部拉應力不一致性而產生的淬火綜合應力 ,以期滿足工件最好尺寸加工穩定性和使用性能。
  
  通過工藝實驗,發現用了PAG水溶性淬火冷卻介質代替水介質後,工件淬火後硬度高而均勻,且淬火變形小,還可以有效防止淬火開裂現象。
  
  由於PAG淬火冷卻介質有逆溶性,即室溫時溶於水,但溫度升高時,PAG從水中析出。這類現象提供了淬火時的冷卻機製 ,即熱金屬淬火時在金屬表麵覆蓋著一層聚合物膜 ,控製了熱量被吸收到四周水溶液中的速率。是以,可獲得介於水和油之間的冷卻能力。
  
  綜合生產實際,薄壁深腔零部件采用PAG作為淬火冷卻介質進行固溶處理工藝方法 。
  
  從顯微組織結果看, PAG淬火後與水淬火後的顯微組織基本相同,薄壁深腔零部件的金相組織仍為基底的α相與以彌散狀況析出的強化相S’相。
  
  從殘留應力有限元分析結果看,如圖8所示 。PAG淬火後,薄壁深腔零部件大部分區域殘留應力值在70MPa以下,隻有少數區域的殘留應力值在70~96MPa之間。是以,可以更有效地控製淬火殘留應力。
  
  從常規力學性能結果看,如表3所示。PAG淬後 ,薄壁深腔零部件的屈服強度、抗拉強度及硬度可以保證工件的強度 。遠遠滿足GB/T3191-1998要求的不小於255MPa和420MPa及GJB1694-93要求的不小於HRB68的要求 。
  
  PAG淬後薄壁深腔零部件的屈服、抗拉強度和硬度丈量結果
  
  介質
  
  屈服強度/MPa
  
  抗拉強度/MPa
  
  硬度HRB
  
  PAG淬後
  
  257.6
  
  534.7
  
  77
  
  中國鋼管信息港本網訊:從尺寸變形量上看, PAG淬後,薄壁深腔零部件垂直變形量≤0.02mm。
  
  表4 PAG淬後薄壁深腔零部件的尺寸變形量丈量結果
  
  內容
  
  技術要求/mm
  
  水淬後(機械加工)/mm
  
  垂直變形量
  
  φ0.02
  
  φ0.010
  
  4.結語
  
  薄壁深腔零部件采用PAG介質固溶處理後的殘留應力較小,殘留應力值為1~4kg/mm2;經PAG介質固溶處理後的尺寸變形量較水介質減小;采用PAG介質固溶處理方法可以使表麵與心部的降溫速度一同變慢,減小了溫度梯度 ,從而減小了殘餘應力值 。中國鋼管信息港本網訊

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