转向节热处理过程分析与优化试验

文/朱舸，张凯，周琳琳·中国重汽集团济南铸锻中心

转向节热处理过程分析与优化试验

文/朱舸，张凯，周琳琳·中国重汽集团济南铸锻中心

转向节作为典型锻件，在原材料缺陷及锻造缺陷暂时不能有效消除之前，且在后续热处理中获得合格的金相组织的前提下，如何实现较低的废品率，需要对热处理工序中的各相关因素进行分析和优化。而在自动化热处理生产线上实现这样的目标，难度会更大。

以某种转向节为例，材料为42CrMo，转向节锻件热处理要求是获得1～4级金相的回火索氏体，抗拉强度880～1030N/mm2，而对于转向节锻件的热处理自动生产线还要获得低于2%的废品率。

在锻造工艺及热处理工艺没有发生变化的情况下，有一段时间，该转向节金相组织出现了5级、废品率高达7%的异常情况，对此，我们进行了该种转向节热处理过程分析和优化试验。

转向节的工艺实现过程

该种转向节是在转向节自动悬挂线上进行调质处理的。

⑴淬火炉加热温度设定为850℃，保温温度为850±10℃，加热与保温时间为240min，淬火液浓度为7%～12%，淬火液温度为15～45℃，淬火液搅拌频率为20～40Hz，入淬时间为9min。

⑵回火设定加热温度为620℃，保温温度为620±10℃，加热与保温时间为276min。

以上工艺已经在生产中使用多年，且热处理质量合格稳定，废品率低于2%。

生产统计数据及分析

某段时间内，在生产线上共生产了13057件转向节产品，其中废品出现914件，且金相出现5级，进行了返修。对该种转向节进行了致废裂纹位置的区域划分及废品率统计，分别如图1、表1所示。根据统计，B区域（眼镜位置）裂纹废品是导致本批产品废品率升高的主要原因。

优化试验

我们针对本批转向节产品的异常情况进行了眼镜位置裂纹及金相的优化试验。

表1 废品裂纹位置统计表

图1 废品裂纹位置的区域划分

⑴眼镜位置使用防渗碳涂料降低废品率试验。

与国内某专业公司合作，使用该公司提供的防渗碳涂料对转向节眼镜位置进行刷涂，如图2所示，之后进行热处理调质。我们选取了相同批次的转向节320件，分成2组进行对比试验，数据如表2所示。

图2 眼镜位置涂刷防渗碳涂料

表2 防渗碳涂料验证试验统计表

该试验说明，热处理前对眼镜位置进行防渗碳涂料的刷涂，可以降低眼镜位置的裂纹废品率，但是由于试验样本较小，其可靠性值得进一步进行验证。

⑵转向节锻件眼镜位置热处理前清磨降低废品率试验。

针对眼镜位置在热处理前进行抛丸探伤，可以清楚显示，热处理之前该位置存在裂纹，但是裂纹深度一般在2mm之内，热处理之后导致废品。在热处理之前，对眼镜位置进行清磨，清磨深度为2mm以内，以将裂纹清磨干净为止。清磨之后进行热处理，统计数据如表3所示。

表3 清磨眼镜位置验证试验统计表

经过对比试验，热处理前清磨眼镜位置，热处理后废品率有较大程度的降低。因此，在热处理前对锻件缺陷进行清磨处理是有效的。因此调整生产组织模式，增加热处理前抛丸探伤试验，识别出某批次锻件的缺陷位置及形式，进行热处理前的缺陷清磨消除，会有效地降低废品率。

⑶淬火液浓度调整降低废品率、提高金相组织等级试验。

根据淬火液的特性，其他条件不变，调整淬火液浓度会对热处理产品的废品率和金相等级产生较为明显的影响，因此，我们对该种转向节进行了不同浓度下的试验，统计数据及金相图分别如表4、图3所示。

图3 不同淬火液浓度下转向节金相组织

表4 淬火液浓度验证试验统计表

通过以上试验，说明淬火液浓度选取低于9%时，可以获得较好的金相组织，但是废品率过高，一般不宜采用。淬火液浓度选取高于10%时，废品率较低，但是金相不能达到要求，一般也不宜采用。而淬火液浓度选取在9%～10%时，可以获得合格的金相与相对较低的废品率。

⑷淬火液搅拌系统改进试验。

淬火时淬火液充分而均匀地流动，是获得均匀和较好金相组织的必要条件。我们生产线的淬火系统是使用2台搅拌器对淬火液进行搅拌，以获得充分的流动，从而获得均匀的热处理性能，搅拌系统如图4所示。但是，由于搅拌机构在淬火液中长期工作，故障率始终较高，不利于自动线的稳定运行，故障统计如表5所示。每次出现搅拌器故障，拆除故障搅拌器需1小时，安装新的搅拌器1小时。这样，生产线炉内的转向节只能返修，严重制约了生产线的产能及产品质量。因此，应对此淬火液的搅拌系统进行改造。

图4 原设计的搅拌器方式的搅拌系统

表5 5～7月转向节线搅拌系统故障统计表

国内某热处理设计制造公司帮助我们设计并实施了喷射淬火搅拌系统，该系统采用泵送喷射方式，利用均匀布置在工件附近的淬火液喷嘴将淬火液喷射到工件表面及周围，淬火液由变频变流量的循环泵加压喷射，流量按照其所需的搅拌面积和喷射速度计算，搅拌系统如图5所示。这种方式的淬火搅拌不仅可以在工件淬火范围内形成均匀稳定的淬火液流场，同时高速喷射的淬火液也会带动附近的淬火液一同流动，形成比泵送流量大得多的总搅拌流量，达到可控、均匀、大流量的淬火液搅拌效果，可以从原理上避免搅拌不均匀的情况发生。

搅拌系统改造完成后，7月20日运行至今未出现过淬火系统的设备故障。且通过检验，转向节金相组织合格，硬度均匀，达到工艺要求。

图5 改造后的液下喷射淬火搅拌系统

⑸生产流程优化。

对于在自动线上进行转向节的调质处理，由于节拍稳定、产量大，一旦某批次锻件出现质量不合格或废品率较高的情况，往往会造成巨大的损失，为避免上述情况的发生，我们制定了小批次试验程序以降低生产风险。锻造工序转入新锻打转向节产品按照60件组成小批次，进行热处理前抛丸探伤，以识别锻件热处理前的缺陷。进入热处理线进行调质处理，出炉后进行金相和废品率的单独统计。

金相组织合格及废品率正常，则该批次转向节直接进炉热处理生产；出现金相或废品率异常，则通知相关部门，并对该批次产品下达不得直接进炉生产的指令，并由相关部门根据小批次试验情况，制定出专用工艺，在调整生产线工艺参数后单独生产。这样就可以避免出现大批量的废品及不良品。

鉴于小批次试验有明显的效果，热处理生产应进一步完善热处理自动线的生产流程，优化后的生产流程如图6所示。

图6 对生产流程的优化

结论

通过以上分析和试验，我们可以得出以下结论：

⑴热处理前锻件缺陷的识别与清磨，可以有效地降低热处理废品率。

⑵选取适当的淬火液浓度，可以获得合格的金相组织和可接受的废品率。

⑶采取更可靠的淬火液搅拌系统（液下喷射系统），可以提高热处理生产线的稳定性与产品质量。

⑷批量生产前进行小批次试验，可以有效降低热处理生产的风险。