30CrMnSiA钢外齿摩擦片的工艺改进

2023-05-04周洪刚熊明定王鑫铭左经纬

金属热处理 2023年4期

周洪刚, 刘克, 熊明定, 王鑫铭, 余杰, 左经纬

(1. 江麓机电集团有限公司, 湖南湘潭 411100; 2. 湘潭大学材料科学与工程学院, 湖南湘潭 411105)

综合传动装置广泛采用一种以油为冷却介质的湿式换档离合器,其输入端与发动机相连,输出端与驱动轮相连,通过控制结合油压使主被动摩擦片结合,摩擦片在摩擦力的作用下传递动力,影响整车动力性和操纵性[1-2]。30CrMnSiA钢作为在航空领域广泛使用的中碳低合金钢,因其优异的塑韧性、屈服比、良好的耐磨性与较低的脆性转变温度等综合性能,广泛应用在飞机连接件、刹车盘连接片等方面[3-4]。

某综合传动装置30CrMnSiA钢外齿摩擦片(后简称摩擦片)的结构尺寸如图1所示。产品主要技术要求为硬度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。在试制阶段采用的制造流程为下料(3 mm厚热轧板)→调质处理至28～35 HRC+热校平→粗磨至厚度(2.50±0.05) mm→热校平→精磨至厚度(2.00±0.03) mm及表面粗糙度Ra≤0.8 μm→线切割外形→模压碟形回火→氧化处理。

图1 外齿摩擦片示意图

该方案存在制造工序繁琐、碟形回火效率及合格率低(15件/模,一次合格率约50%)、生产成本高等问题[3]。随着综合传动装置的批量生产,摩擦片相关制造问题逐渐暴露,难以满足生产需求。本文以30CrMnSiA钢摩擦片的制造工艺为研究对象,探索一套基于非专业生产线的高效精密制造工艺。

1 总体方案

根据现有生产条件,借鉴汽车膜片弹簧生产工艺,拟定30CrMnSiA钢摩擦片的批量生产工艺方案,其简要加工流程为下料(2 mm冷轧板)→精冲→淬火+预回火+热成形→氧化处理。由于30CrMnSiA钢用量小等原因,在市场上购买该材料冷轧板较困难,因此联合某金属制品厂研发30CrMnSiA钢冷轧板的制备技术,重点对冷轧前的球化退火工艺进行探究。在热成形方面,利用可控气氛多用炉等设备,拟优化热处理工艺和模具,提高装夹量及一次碟形合格率。

2 球化退火工艺

2.1 试验材料及方法

试验所用材料为30CrMnSiA钢,其化学成分(质量分数,%)为0.28～0.34C、0.90～1.20Si、0.80～1.10Mn、≤0.025P、≤0.025S、0.80～1.10Cr、≤0.030Ni、≤0.025Cu。试验拟采用球化退火工艺,查阅30CrMnSiA钢奥氏体等温转变曲线可知该材料的A1点约为760 ℃,根据球化退火原理[5-6],选定试验温度为725、735和745 ℃,保温时间分别为6、12和18 h。试验设备为全氢罩式退火炉,试样为300 mm×300 mm×3 mm 热轧板。球化等级评判参照GB/T 1299—2014《工模具钢》,1～5级为合格,3级最优。

2.2 试验结果与分析

30CrMnSiA钢经不同工艺球化退火后的显微组织如图2所示。由图2(a～c)可知,当退火温度为725 ℃时,保温6 h后晶粒的纤维形态仍有所保留,渗碳体形态主要为片状渗碳体和点状渗碳体,球化级别较低,约为1级。当保温时间达到12～18 h时,已经开始出现球状渗碳体,渗碳体形态包括片状渗碳体、球状渗碳体及点状渗碳体,球化级别约为2级。由图2(d～f)可知,当退火温度735 ℃时,保温6 h后渗碳体形态主要为片状渗碳体、球状渗碳体及点状渗碳体,渗碳体细小弥散,球化级别约为2级。当保温时间达到12～18 h时,球粒间距开始加大,渗碳体球粒的尺寸开始变大,球化率较高,渗碳体形态主要为球状渗碳体、点状渗碳体和短棒状渗碳体,球化级别约为3级。由图2(g～i)可知,当退火温度745 ℃时,保温6 h后有渗碳体粘接在一起,球化级别约4级。随着保温时间的延长,渗碳体持续长大,当保温时间达到12～18 h时,长条状渗碳体已较多,球化级别达到5～6级。根据试验结果和评级标准可知,30CrMnSiA钢在温度为735 ℃保温12～18 h时球化效果较好,后经多次试验及试生产,最终确定球化退火参数为(735±3) ℃×(13～15) h[7-8]。

3 热成形工艺

3.1 淬火控形

球化退火后进行相关的冷轧处理,冷轧完后下料,然后采用精密冲裁工艺成形摩擦片的径向尺寸和形状,完成上述工序后转入热处理。为达到零件设计要求的硬度(28～35 HRC),需进行淬火+回火处理。由于摩擦片厚度仅2 mm,若在自由状态下淬火,其翘曲变形将非常严重,在回火成形过程中,需释放的内应力将非常大,不利于尺寸和碟形的稳定。为限制摩擦片在淬火过程发生较大翘曲,制定的装炉方法为,将3层摩擦片整齐叠放后用铁丝网压紧,最上层用料板压实,在可控气氛多用炉中经860 ℃保温60 min后油淬,然后进行380 ℃×60 min预回火,防止模具预紧过程中零件被压裂。

3.2 回火热成形模优化与装炉方式探究

科研试制阶段的模压碟形回火所用热成形模具(以下简称原模具)如图3(a)所示,其在使用时主要存在3个问题:①采用人工打紧铁楔子,预紧力小且随机性太大,间接导致装夹量小;②凹模、凸模和摩擦片成形部位普遍未直接受力,压力分布严重不均,导致成形效果不好;③凹模、凸模所用材料为5CrMnMo钢,550 ℃时(碟形时的回火温度)的高温性能一般。针对该问题,本文对原热成形模具的结构和预紧方式进行了改进,主要措施:①采用油压机预紧,预紧力恒定;②采用大螺母锁紧,大螺母底面和摩擦片平面大小相当,成形模受力均匀;③增大装夹量至30～90件;④凹、凸模所用材料改用H13钢,550 ℃时的高温性能较5CrMnMo钢更优。图3(b, c)为设计的两种热成形模具,分别称为改进模具1和改进模具2,其中改进模具2在改进模具1的基础上增加了一组碟形压头作为中间层。基于这两种改进模具,设计了3种不同的装炉方式,以提高装夹量及一次碟形合格率,如表1所示。

图3 模压碟形回火用热成形模具示意图

表1 30CrMnSiA钢模压碟形回火的装炉方式

按照表2的装炉方式进行模压碟形回火后,对3种不同的装炉方式进行工件质量抽检,抽取比例为方案Ⅰ按装夹顺序每2件抽取1件,方案Ⅱ按装夹顺序每6件抽取1件,方案Ⅲ按装夹顺序每4件抽取1件,共计各抽检15件,检测结果如图4所示。由图4可知,方案Ⅰ碟形合格率达到100%,方案Ⅱ碟形合格率仅为73.3%。增加中间层后,摩擦片的合格率提升至100%。将方案Ⅲ剩余的45件摩擦片进行碟形检测,其碟形高度均满足0.3～0.5 mm的要求。

图4 不同装炉方案模压碟片回火后摩擦片的碟形高度抽检结果

为探究回火过程中各装炉方式对碟形摩擦片受力情况的影响,同时研究方案Ⅱ中摩擦片合格率较低的原因,对方案Ⅱ、Ⅲ的摩擦片在回火过程中受力进行了仿真计算[9],结果如图5所示。由图5(a)可知,由于模具和摩擦片的热膨胀系数不一致,在回火过程中模具中间层的摩擦片已基本不受力,控制摩擦片翘曲变形的效果不好,这与方案Ⅱ工艺试验结果基本吻合。此外,由于摩擦片存在厚度公差,当单层装夹量太多时,多层摩擦片的厚度累计公差也较大,影响了其成形和受力状态。由图5(b)可知,采用增加中间层的改进模具2时,摩擦片在回火时的受力状态得到明显改善。方案Ⅲ与方案Ⅰ相比具有较高的装炉数量;与方案Ⅱ相比具有更高的产品合格率,因此以装炉方案Ⅲ作为30CrMnSiA钢模压碟形回火的装炉方式最优。

图5 不同装炉方案模压碟片回火时摩擦片的应力分布仿真计算结果

综上所述,最终确定摩擦片的最优工艺为热轧板→(735±3) ℃×(13～15) h球化退火→冷轧→精冲→860 ℃×60 min油淬→380 ℃×60 min预回火→用装炉方案III进行550 ℃模压碟形回火→氧化处理。

4 显微组织与考核验证

4.1 显微组织对比

对采用增加中间层的改进模具及最优工艺制作的摩擦片(冷轧件)和原试制工艺制作的摩擦片(热轧件)进行显微组织对比,如图6所示。由图6可知,两摩擦片的显微组织均为回火马氏体,根据GB/T 6394—2002《金属平均晶粒度测定方法》要求评级,冷轧件的晶粒度为8.5级,热轧件的晶粒度为7.2级。上述结果表明,冷轧板在轧制过程中晶粒得到细化,晶粒越细,材料的综合性能越好。