六角螺母热处理变形的研究及应用

摘 要：文章通过大量的试验研究和生产实践经验的不断积累，运用理论和实践相结合的方法，对严重困扰生产、发交的典型零件――六角螺母进行了工艺试验，经过对淬火介质、工装设计、工艺流程的分析，找出解决此类零件因热处理变形止不住的问题的方法，为新品开发和类似零件提供解决问题的依据。

关键词：热处理变形；淬火介质；工装设计；工艺流程

中图分类号：TG142.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）02-0048-04

热处理变形是当前国内外热处理行业关注的重点课题。热处理工序在机械行业中处于重要地位，它是机械零件综合性能的最终保证，也是零件附加值集中体现的地方。但是由于热处理本身存在的组织转变、加热与冷却，使得零件产生变形等问题变得非常突出。特别是某六角螺母在生产过程中每个批次都有25%左右的光塞规止不住问题，挑选不合格的进行报废或签发，每年报废损失约10多万元，每年的发交量超过300万件，螺母热处理变形的问题严重影响了公司的生产物流和按时发交。根据变形产生的根源，处理好冷加工和热处理的衔接关系，为热处理工序预留合理的变形量，保证零件成品完全合格；节约成本，同时试验数据可以为新品开发提供工艺制定依据；为解决类似问题提供参考。由于热处理后攻丝会使工艺路线增长、物流成本加大、工装成本增加，因此工艺试验采用热处理前进行攻丝，不改变原来工艺路线。零件相关尺寸及要求如下：材料：ML20；工艺路线：冷拔螺帽（成型、攻丝）热处理电镀，半成品光孔尺寸如图1所示。

1 热处理变形原因及分析

1.1 热处理变形原理

在生产实践中，热处理变形的表现形式是多种多样的，但就其来说，可分为内应力造成的应力塑性变形和比容变化引起的体积变形（以下简称比容变形）两大类。

钢件热处理过程中加热冷却的不均匀和相变的不等时性等，都会引起内应力的作用，钢件在一定塑性条件的配合下，就会产生内应力塑性变形。内应力塑性变形有很明显的特征：

①变形常带有明显的方向性。

②内应力塑性变形通常不会改变零件的体积大小，只改变零件的外形结构和形状。

③内应力塑性变形的最明显的特征是：零件每经过一次热处理内应力的作用，都要产生一次塑性变形，零件总变形量的大小随内应力作用的次数的增加而增大，这也是内应力塑性变形区别于比容变形的主要标志之一。按应力产生的根源和表现特征的不同，分为热应力塑性变形和组织应力塑性变形。在AC1温度下方加热急冷产生变形，可获得纯热应力变形，而单纯的组织应力变形却是不可能的。组织应力变形与钢的淬透性、零件截面尺寸、钢的Ms点高低、淬火介质及冷却方法有密切的关系。

1.2 硬度-冷速曲线的分区及其与淬火变形的关系

冷速分区淬火效果如表1所示，在图2划出的第Ⅰ冷速区内淬火，工件可以完全淬硬，但因冷速过快，可能产生淬火变形或淬裂。

第Ⅱ冷速区内淬火，冷却速度适当，工件可以充分淬硬。

第Ⅲ冷速区内淬火，由于硬度―冷速曲线走势很陡，如图2所示，工件上参与变形部位之间的较小冷速差都会引起相当大的硬度变化，也即转变产物相当大的组织差和比容差。因此，在第Ⅲ冷速区淬火时，可能引起淬火变形的因素既有过程中的，也有最终的。这就是在此区淬火变形大的原因。

在第Ⅳ冷速区，即过慢冷速区内淬火，工件上可能参与淬火变形部位获得的冷速很低，各部位间温差小，加上各部位都远未淬硬，最终转变产物也基本相同，故变形小。淬火冷却速度过快和冷却速度不足都可能引起超差变形。其中，冷却速度不足引起的变形量更大。从淬透性和变形的综合考虑，目前的淬火介质无法保证能够在第二区中进行，所以试验采用在第一区，保证零件硬度等技术要求能够满足技术要求。

2 工艺试验方法及过程

2.1 淬火介质选取

工艺试验可供选择淬火介质如下：碱水、JY-820水剂淬火剂、快速淬火油。

由于螺母所用的材料为ML20钢，属于低碳钢的范畴，因有可能析出先共析铁素体，且它的过冷奥氏体最易发生珠光体转变的温度（即所谓"鼻尖"位置的温度）较高，马氏体起点（Ms）也较高，为了使这类钢制的工件充分淬硬，所用的淬火介质应当有较短的蒸汽膜阶段并且出现最高冷速的温度应当较高，本身这种材料淬透性较差，要求的冷却速度快，同时，因随着淬透性的提高，钢的“C”曲线会向右下方移动，所以对淬透性差的钢，要求介质出现最高冷却速度的温度高些，综合以上各种分析，及该零件的性能要求、几何尺寸，排除快速淬火油，本次试验主要采用淬火介质为JY-820水剂淬火液和碱水。

2.2 淬火介质实验结果对比

①淬火介质JY-820水剂淬火液、浓度2.7%，温度35 ℃。热处理工艺：温度880 ℃，时间80 min，淬火；温度400 ℃，时间70 min，回火，试验结果如表2所示。

② 淬火介质碱水、浓度3%，温度32 ℃。热处理工艺：880 ℃，时间80 min，淬火；温度400 ℃，时间70 min，回火，试验结果如表3所示。

从表2、表3可以看出：使用两种淬火介质，回火后表面硬度均可以达到技术要求（HRC31-37），但是使用JY-820水剂淬火液的零件，心部硬度无法完全淬透，导致硬度较低，无法满足技术要求，通过保载试验也是100%不合格。

从图3、图4上可以看出使用JY-820水剂淬火液后，从表面到心部的组织依次为板条状马氏体，然后是板条状马氏体+少量铁素体，最后到心部位大量屈氏体+大量网块状铁素体，心部硬度仅有HRC15；从图5、图6上可以发现经过碱水淬火的零件组织依次为板条状马氏体，然后是板条马氏体+少量铁素体，最后心部为马氏体+少量屈氏体+少量条状铁素体。根据以上硬度、金相组织对比分析，试验最终确定淬火介质为碱水。

2.3 热处理淬火回火试验

2.3.1 实验

试验材料：ML20；淬火介质：碱水；零件内孔尺寸要求为φ18.376+0.30 mm。

热处理工艺：淬火870±10 ℃，时间80～90 min，回火400±20 ℃，时间80～90 min。

测量仪器：内径量表。

数据统计方法为：每个零件测量端面对应；每次测量表中显示数据为最大值和最小值各自平均值。

2.3.2 试验数据分析

①零件的公差范围是φ18.376～18.676 mm，本次随机抽检的零件内孔尺寸范围是φ18.58～18.60 mm，原始尺寸已经在零件的上限，为热加工预留平均加工余量为0.08 mm。≤φ18.55 mm的为零；≤φ18.60 mm以下共有21个，占总量的46.7%；>φ18.60 mm的共24个，占总量的53.3%。

②一次调质后平均尺寸为φ18.68～18.70 mm，最大值为φ18.77 mm，最小值为φ18.66 mm，平均值已超出零件要求的最大值，≥φ18.70 mm的零件共为19件，约占42%，试验合格零件共有10个，合格率约为22%。

③二次调质后平均尺寸为φ18.77～18.79 mm，最大值为φ18.98 mm，最小值为φ18.74 mm.最小值已超出零件要求的最大值，试验合格零件共有0个，合格率约为0%。≥φ18.80 mm的零件共为19件，约占42%。

④三次调质后平均尺寸为φ18.86～18.89 mm，最大值为φ18.86 mm，最小值为φ18.70 mm。最小值已超出零件要求的最大值，本次试验合格零件共有0个，合格率约为0%。

⑤从两组试验可以看出对应零件每次返修零件的内孔都胀大，且有规律，第一次比原始尺寸增大0.08～

0.10 mm，第二次调质比前一次增大0.07～0.09 mm，第三次调质比前次增大0.06～0.09 mm，有涨大空间逐渐缩小的趋势，热处理过程中，本身存在着显微组织的变化，冷加工应该为后道加工预留合适的加工余量，所以从冷加工的公差设计入手，更容易解决问题。

3 确定问题解决方案

3.1 孔径尺寸确定

将光孔尺寸更改为φ18.376～18.58 mm，上公差缩小0.086 mm，生产产品尺寸控制在产品中线附近，由冲头保证冲孔尺寸，随机取样，得出试验数据，从试验数据可以看出，将冲头尺寸控制在φ18.376～18.58 mm是比较合适的，可以保证零件热处理后尺寸是完全合格的，即使经过一次返修，零件也是可以继续使用的。

3.2 改进丝锥设计

由于光孔变形规律基本确定，为保证产品100%合格，将丝锥进行了重新确认。丝锥外径由φ0.09～20.142 mm改为φ20.040～20.092 mm；丝锥中径由φ19.046～19.079 mm改为φ19.020～19.040 mm，经过八、九、十三个月的生产验证，共生产80余万件，基本保证100%成品光塞规完全合格；成品零件螺纹规98%以上合格，大大降低了质量风险，缓解了生产发交压力。

4 结 论

①淬火介质的选取，应当同时兼顾到对淬火介质稳定性、冷却特性、经济性、可操作性、等方面的要求，即要获得高而且均匀的表面硬度和足够的淬硬深度，又要保证变形可以控制。

②热处理变形是有规律可循的，关键是要做到材料、工艺参数、形状尺寸要一一对应；从上下工序上综合考虑问题，做好工序衔接，更有利于质量问题的改进。

③螺母类的零件光孔尺寸公差基本上都是0.30 mm，在公差范围内适当调整，既可以不明显增加加工难度，又能使产品合格率提高，可以在Q341B系列螺母推广应用。

④根据以上的分析方法，正在逐步开展Q363B系列特厚螺母质量改进工作，由于Q363B的变形主要来自比容变形，会产生“喇叭口”现象，变形更为复杂，希望能够通过热处理和冷加工相结合的办法加以解决。

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