一种薄壁导套热处理工艺研究

■ 王孟，谷浩鹏，王忠，冯显磊，谢玲珍

我公司生产的新型全液压推土机中央传动中安装有导套，该件与法兰盘配合，起着导向和固定作用，由于其配合精度要求较高，并且需要较高的硬度来提高耐磨性，又由于该件属于薄壁件（壁厚5mm），热处理容易变形，因此其热处理难度较大。本文针对该件提出几种热处理方案，并对各方案进行分析讨论，选出最合理的热处理工艺。

1. 导套概况

导套（见图1）的材料为ZG35SiMn，P部要求感应淬火，硬化层深度1.5～2.5mm，表面硬度52～60HRC。

设计工艺路线为：铸造→正火→粗加工→调质→精加工→感应淬火→磨内外圆。该件属于薄壁件，壁厚5mm左右，感应热处理时热影响区较大，热处理后变形较大，部分件椭圆变形，磨削后部分位置硬化层深度不足，不能满足使用要求。该件的化学成分如表1所示，满足ZG35SiMn化学成分要求。感应热处理前各工序经检测均无问题。

2. 检测

为减小热影响区，设计专用的外圆喷水冷却套（见图2），在加热时对与加热部位对应的外圆处进行喷水冷却，以减小热量的扩散和热影响区来减小变形。经多次试验，变形问题仍未解决，调整冷却水流量、压力、感应淬火频率、功率等仍不能解决变形问题，检测结果如表2所示。

选取变形较大的件进行剖检，结果如图3、图4所示。该件磨削完成后表面硬化层深度仅为0.603mm，达不到要求，金相组织为：回火马氏体+铁素体，表面硬度54～56HRC，晶粒度9级，心部硬度315HBW。

图2 冷却水套

图1 导套示意及工件

图3 表面硬化层深度及金相组织

图4 心部组织

感应淬火工艺不能满足设计要求，多次调整工艺参数及工装均无法解决问题，我公司设计人员和工艺人员反复讨论设计了两种方案：

（1）材料改为20CrMnTi，采用渗碳热处理提高其耐磨性，工艺路线为：下料→锻造→正火→加工→渗碳直接淬火→磨内外圆；表面硬度为58～63HRC，硬化层深度1.5～2.5mm，硬化层晶粒度≥8级，残留奥氏体≤20%，碳化物≤3级。

（2）材料为ZG35SiMn，采用离子氮化热处理提高其耐磨性，工艺路线为：下料→锻造→正火→加工→调质→加工→磨内外圆→离子氮化。表面硬度≥613HV1，氮化层深度≥0.3mm，渗氮层疏松级别≤3级，渗氮层氮化物级别≤3级。

3. 试验

对上述两种方案。我们各制作20件试验件，进行工艺试验。

（1）渗碳工艺试验 根据工件材料、结构及相关技术要求等，确定导套的渗碳直接淬火工艺，如图5所示。

渗碳直接淬火前后检测变形量，对比结果如表3所示，变形量大的问题仍然存在，出现椭圆变形，且磨削加工后仍无法完全消除变形问题。

对渗碳导套进行剖检，其金相组织为马氏体和碳化物，马氏体级别为3级，碳化物1级，硬化层深度1.8mm，如图6所示，满足金相组织要求。

（2）离子氮化工艺试验 根据工件材料、结构及相关技术要求等，确定导套的离子氮化工艺，如图7所示。

检测离子氮化前后导套内径尺寸，对比结果如表4所示，变形量大大减小，满足要求。

表2 感应淬火变形量检测 （mm）

图5 渗碳直接淬火工艺

图6 20CrMnTi渗碳导套剖检结果（500×）

表3 直接淬火变形量检测 （mm）

图7 离子氮化工艺曲线

氮化层表面硬度为：685～710HV1，氮化层深度为0.40mm，氮化层脆性为1级（见图8），氮化物（见图9）级别为2级，均满足要求。

4. 结语

通过以上两种方案对比发现，离子氮化工艺可大大减小工件的变形量，通过装机验证，主机工作2000h，无任何导套质量问题的反馈；2000h后拆检导套，磨损层非常小，几乎可以忽略。

表4 离子氮化变形量检测 （mm）

图8 渗氮层脆性检测

图9 氮化物